锂离子电池氮气制备

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工业氮是由分离空气制取的气态氮或液态氮,主要用做保护气、置换气、低温储藏等。锂离子电池及原料生产过程种既需要氮气用作保护气,用于材料烧结和电池注液,也需要氮气用于电芯烘烤过程中的水气置换。本文详细介绍了两种不同的工业氮制备方法。

第一种PSA制氮机,即变压吸附制氮机。用于生产气态氮。主要包括压缩空气系统、空气净化系统、变压吸附制氮系统三部分组成。

1.压缩空气系统,由空压机和缓冲罐组成,提供PSA制氮机所需要的气源。空压机一般选择运转可靠、维护简单、低噪音的螺杆式空压机。缓冲罐既可以稳定气源,还可以收集并排掉压缩空气中的大部分油水冷凝液。缓冲罐装有压力表、安全阀和排污口。其排气能力略大于制氮机额定产量的耗气量,当排气量大于耗气量时,排出压力上升,空压机停止;反之空压机启动。使空压机能够适应制氧机耗气量要求和生产线在不同工况时的运行要求。

2.空气净化系统,主要功能是除尘、除水和除油。从缓冲罐出来的压缩空气首先进入C级压缩空气过滤器,除去大量的液体和3μm以上的固体微粒。然后进入冷冻式干燥机,将压缩空气强制降温,使空气中的水蒸气冷凝,凝结成的液态水夹带尘、油排出机外。

3.变压吸附制氮系统,有两个装填碳分子筛的吸附塔组成的变压吸附装置。压缩空气由下至上流经吸附塔,氧气、水等组分在碳分子筛表面吸附,氮气由吸附塔上端流出,进入氮气缓冲罐待用。分子筛对氧和氮的分离作用主要是基于这两种气体在分子筛表面的扩散速率不同,碳分子筛是一种兼具活性炭和分子筛某些特性的碳基吸附剂。碳分子筛具有很小微孔组成,孔径分布在0.3nm~1nm之间。较小直径的氧气扩散较快,较多进入分子筛固相,这样气相中就可以得到氮的富集成分。一段时间后,分子筛对氧的吸附达到平衡,根据碳分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特性,降低压力使碳分子筛解除对氧的吸附,这一过程称为再生。变压吸附法通常使用两塔并联,交替进行加压吸附和解压再生,从而获得连续的氮气流。

第二种深冷空分法制氮机,有分别用于生产液态氮和气态氮的生产装置,主要由空气压缩和净化、空气分离、液氮气化三部分组成。

1.空气压缩和净化,空气经过空气过滤器清除灰尘杂质后进入空气压缩机,经缓冲罐稳定气源并除掉大部分液体和大颗粒固体后,进入空气冷却器,降低气体温度的同时,析出压缩气体中的大部分水分。再进入采用分子筛吸附法的空气干燥净化器,进一步除去压缩气中的水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物。以确保空分塔的通畅和安全。

2.空气分离,净化后的气体进入空分塔主换热器,被反流氮气降温至饱和温度。送入精馏塔底部,在塔顶部得到气态氮,液空经节流后进入冷凝蒸发器蒸发,同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气。冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液,另一部分为成品出空分塔。由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到K进膨胀机膨胀制冷为空分塔提供冷量,膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用,然后经消音器排入大气。

3.液氮气化,由空分塔出来的液氮进液氮贮槽贮存,当空分设备检修时进入汽化器被加热,并送入氮气管道。

变压吸附制氮技术工艺流程和设备简单,维护简单,生产灵活,氮气纯度达到99.9%以上,经济性能优异。深冷空分法工艺流程复杂,设备昂贵,启动时间长,存在碳氢化合物聚集爆炸风险,但是产品种类多,产气量大,氮气纯度达到99.%。因此在锂离子电池材料烧结和电池注液需要连续使用氮气作为保护气的时候可以使用PSA变压吸附制氮技术。在电池烘烤间歇使用少量氮气作为置换气体的时候可以采购成品液氮。




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