Технология снижения выбросов сероводородных соединении аккумуляторов

Владимир Коновалов, Александр Вантеев
г. Иркутск-43, а/я 380

Введение

Сложные условия работы аккумуляторных станций бесперебойного электроснабжения не позволяют соблюдать условия снижения выбросов в атмосферу сероводородных соединений. Экологическая обстановка требует максимального снижения выброса газовой смеси сероводорода, атомарного кислорода и водорода, изменения технологии заряда и восстановления элементов аккумуляторов. Особенно это актуально при восстановлении мощных аккумуляторов емкостью свыше 2000 А/ч на элемент.

Существенную добавку смеси сероводорода вносит автотранспорт, зарядка аккумулятора во время движения создает выход газов не менее 1500 мл/ч, от которого болеют люди, ускоренно ржавеют металлические части автомобилей и конструкций. Заменить дешевые аккумуляторы пока нечем. Выход -в изменении технологии регенерации пластин.
Данная технология, разработанная авторским коллективом и апробированная в течение десяти лет, получила высокую оценку на международной выставке ЭКСПО-2003, позволяет снизить выделение сероводорода и кислорода в атмосферу до естественного испарения, качественно восстановить пластины аккумуляторов при минимальных затратах средств и времени. Результаты подтверждены протоколами испытаний.

Таблица 1

Технология восстановления Заряд постоянным током Заряд при постоянном напряжении Модифицированный заряд Ускоренный заряд Заряд по технологии 4Т
Ток заряда 0,2•С10
396А - 1-я ступень;
99А - 2-я ступень		 0,005•С10 в конце заряда 0,25•C10 − 1-я ступень 2•С10 − до кипения электролита;
0,25•С10 − далее		 0,2•С10 − 25А средний;
100А в импульсе;
Тимп 1...3 мск,
Напряжение заряда 2,3V; 2,6V в конце заряда 2,15...2,35V 2,15...2,35V 2-я ступень 2,7...2,35V 2,4V конечное
Время восстановления 15 суток 15 суток 15 суток сутки в две ступени 42 часа
Выделение газа, мл/час 1720...590 1720...590 1720...590 более 6000 менее 200
Плотность электролита 1,21...1,24 в конце заряда 1,21...1,24 в конце заряда 1,21...1,24 1,21...1,24 1,21...1,24 в конце заряда
Расход электроэнергии, кВт/ч на один элемент 191267,6 120030 130340 32560 14392
С10 - номинальная емкость аккумулятора при 10-часовом режиме разряда до напряжения 1,8V на элемент

Процесс разложения электролита при пропускании через него электрического тока называется электролизом. Внутри электролита происходит движение атомов или групп атомов, представляющих собой части молекулы растворенного вещества. При пропускании через раствор электролита электрического тока на электродах аккумулятора оседают продукты разложения электролита. На катоде выделяется водород и металлы, на аноде - ионы кислотных остатков и гидроксильной группы. Часть атомов элементов перестают участвовать в химической реакции из-за несовершенной технологии и выделяются в атмосферу в виде сероводородных соединений.

Анализ работы зарядных устройств и технологий восстановления электродов аккумуляторов указывает на повышенное выделение газов при отсутствии в цикле восстановления периода разряда и периода “пауза".
рис.1
Цикл восстановления (ЦВ) = Тзаряда + Тпауза + Тразряда + Тпауза.
Время заряда (Тзаряда) в заводских зарядных устройствах постоянного тока не имеет периода разряда и паузы, необходимых для рекомбинации ионов свинца. Исследования показывают, что для полного использования в химическом процессе электролиза всех элементов требуется Тразряда не менее 1/4 цикла восстановления при токе не более 1/10 тока заряда.
Ионы элементов, по каким-либо причинам (не хватило времени заряда, препятствия от примесей, большая плотность ионов элементов на пластинах электродов, снижение скорости ионов при падении энергии поля) не успевшие своевременно достигнуть пластин электродов, при отрицательном импульсе тока восстановления возвращаются на расстояние, достаточное для последующего разгона при движении к электродам - при положительной полярности поля. Поскольку этим ионам не надо проходить полное расстояние между положительными и отрицательными электродами, то и мощность отрицательного периода восстановления незначительна по сравнению с положительным (рис.1). Для восстановления энергии ионов, перед последующим движением зарядного тока, они проходят рекомбинацию - перестроение во время паузы.
Заряд импульсными токами - постоянными по направлению, но переменными по величине - хорошо снижает внутреннее сопротивление аккумулятора, продлевается срок его эксплуатации, снижается нагрев электролита и пластин аккумулятора, выход смеси газов не превышает естественного испарения поверхности электролита (по сравнению с зарядом постоянным током). Восстановление переменным током еще более улучшает экологическое состояние восстановительного цикла.
Технология восстановления мощных низковольтных аккумуляторов большой емкости типа 22СН-2200 подтвердила правильность выбранных режимов восстановления по технологии “4Т” - четыре периода восстановления.

Характеристика устройства
Напряжение сети, В180...230
Мощность трансформатора, Вт330
Напряжение аккумуляторов, В2...12
Ток заряда средний, А2...20
Ток заряда импульсный, А100
Ток разряда средний, А0,2...1,2
Время восстановления, ч42

Восстановление кислотных аккумуляторов проводят по нескольким технологиям (таблица 1).

Выделение газа одним элементом при напряжении заряда 2,15V - 172 мл/час, 2,3V - 1720 мл/час, 2,4V - 4590 мл/час, при применении технологии заряда постоянным током с режимом от 99А до 396А с временем восстановления до 15-ти суток. Ускоренное восстановление с применением больших токов заряда сопровождается высоким выделением сероводородных соединений. Без мощной вытяжной вентиляции заряжать такие аккумуляторы невозможно из-за опасности отравления и возможного взрыва смеси водорода и кислорода. При заряде цепи элементов аккумулятора в 240V выброс газовой смеси составляет более 10 м3 в сутки.



рис.2

Снижение выбросов сероводородных соединений возможно с использованием циклических зарядно-разрядных устройств, имеющих возможность рекомбинации ионов атомов свинца с переходом в аморфный свинец. Короткие по времени и мощные по амплитуде импульсы заряда позволяют расплавить кристаллы сульфата свинца и перевести их в аморфное состояние.

Имеется существенная разница предлагаемой в статье технологии по сравнении с предложенными ранее [1-12]. Выброс сероводородных соединений ниже в 8 раз, чем при заряде постоянным током (при напряжении заряда 2,3V на элемент), а время восстановления - в 7 раз меньше.
Практически на достижение данных результатов ушло трое суток с учетом подборки режимов восстановления и отключения на ночь по пожарным требованиям в отсутствии дежурного персонала. Помещение не имело принудительной вентиляции кроме форточки в окне, запах сероводорода присутствовал на уровне испарений, кипения электролита в аккумуляторе не наблюдалось даже при достижении конечной плотности.
Диагностика восстановленных по предлагаемой технологии аккумуляторов методом десятичасового разряда показала паспортную плотность в конце разряда, что подтверждает полный заряд за указанное время.
По данной технологии проводилось восстановление кислотных аккумуляторов открытого типа, применяемых для питания релейной автоматики подстанций железной дороги, общим напряжением 110V и показала высокие результаты со снижением внутреннего сопротивления аккумуляторов, конечного напряжения, температуры и существенного снижения выбросов сероводорода в атмосферу от аккумуляторов, но и дополнительного расхода топлива электростанциями.
Расход электроэнергии за счет уменьшения времени заряда и снижении мощности вытяжных установок снизился в 12 раз.

Схема

рис.3
Зарядно-восстановительное устройство (рис.2) служит для восстановления одного элемента кислотного аккумулятора и может быть переработана на любое напряжение батареи кислотных аккумуляторов от 2 до 30V постоянного тока с током восстановления от 1 до 50 А (рис.3).
В основе схемы определен генератор импульсов прямоугольной формы, позволяющий иметь на каждом выходе генератора интервал в 1/4 от полного времени цикла.
Импульсы тока заряда, имея высокую амплитуду и короткое время действия, не приводят к чрезмерному нагреву электролита и пластин аккумулятора, время пауз позволяет рассеять тепло, к тому же при таком режиме более полно используются элементы химической реакции, что заметно по значительному снижению выделения сероводорода и отсутствии электролиза.
Генератор прямоугольных импульсов выполнен на элементах DD1.1...DD1.3 цифровой микросхемы серии К561. Частота генерации F зависит от номиналов элементов частотозадающей RC-цепи:

F = 0,44 / R1 • С1

Частота генератора практически не изменяется от напряжения источника питания. Резистором R1 устанавливается время импульса и скорость переключения выходов счетчика DD2.

Сформированный генератором на микросхеме DD1 прямоугольный импульс с вывода 10 инвертора DD1.1 поступает на вход CN (вывод 14) двоично-десятичного счетчика на микросхеме DD2. Счетчик имеет десять выходов, которые, позволяют при определенном включении использовать для формирования временных интервалов цикла восстановления: заряд - пауза - разряд - пауза. В данном устройстве для восстановления элемента аккумуляторной батареи используются равные временные интервалы.
При низком уровне на входе разрешения СР (вывод 13) DD2 счетчик выполняет свои операции синхронно с положительным перепадом на тактовом входе CN (14).
При высоком уровне на входе сброса R (15) счетчик очищается до нулевого отсчета. Это происходит, когда на выводе 9 DD2 присутствует высокий уровень.
Индикатор на светодиоде HL1 указывает на состояние счета импульсов.
Питание микросхем DD1 и DD2 выполнено от аналогового стабилизатора напряжения на микросхеме DA1.
Для организации интервалов восстановления элемента аккумулятора, выходы 0-1-DD2 используются для заряда аккумулятора, со временем 1/4 всего периода цикла. Сумматор на диодах VD1, VD2 при положительных уровнях счета на выводе 3- или 2-DD2 передает импульс прямоугольной формы через резистор R4 на резистор R6 - регулятора тока заряда и далее на затвор полевого транзистора N-типа VT1. Транзистор открывается в ключевом режиме и подает в аккумулятор GB1 с цепи питания импульс тока, короткий по времени, но высокий по амплитуде.
После периода заряда происходит период паузы с пропуском выводов 2-DD2 и 3-DD2. При появлении высокого уровня на выходе 4- или 5-DD2 на выводе 11 инвертора DD1.4 высокий уровень переключится на низкий, полевой транзистор VT2 (P-типа) откроется и разрядит элемент GB1 на нагрузку R8 током, зависящим от напряжения на затворе транзистора и номинала резистора.
Светодиод индикатора HL2 указывает на наличие тока разряда.
Выходы 6- и 7-DD2 отрабатывают интервал второй паузы и при появлении высокого уровня на выходе 8-DD2 счетчик по входу R очищается до исходного состояния, светодиод HL1 гаснет и счет повторится с высокого уровня на выходе 0-DD2.
Для контроля состояния напряжения и зарядного тока элемента GB1 аккумулятора в схеме установлены: амперметр FA1 с шунтом и вольтметр PV1. Амперметр регистрирует алгебраическую сумму тока заряда и разряда.
Среднее значение тока разряда можно примерно определить по отклонению амперметра в отрицательные величины (левее нуля шкалы) при снижении тока заряда до нуля резистором R6.
В отсутствии напряжения электросети разряд отключится.
Светодиодный индикатор HL3 свечением указывает на правильную полярность подключения элементов аккумулятора GB1 в зарядно-разрядную цепь.
Резистор R10 в цепи питания устройства восстановления кислотных аккумуляторов ограничивает бросок тока при случайном коротком замыкании в цепи аккумулятора или неверной полярности подключения.

Детали

Источник питания выполнен на мощном трансформаторе Т1 и диодном мосте VD3. При емкости аккумуляторов до 200 А/ч достаточно использовать трансформатор на мощность в 70...100 Вт с амперметром на 10А постоянного тока. При изготовлении силового трансформатора применить трансформатор от ламповых телевизоров или магнитофонов с исправной первичной обмоткой, вторичная наматывается исходя из количества витков обмотки на 6,3V.

Резисторы R8, R10 - проволочные.
Полевые транзисторы и диодный мост закреплены на отдельных радиаторах, используемых от блоков питания компьютеров.

Наладка

Для проверки работоспособности схемы на место элемента GB1 достаточно подключить аккумулятор на напряжение 2,4...12V или единичный элемент емкостью 1-10 А/ч. Предварительно регулятор тока заряда R6 вывести в нижнее положение, по амперметру установить ток разряда регулятором R5 - в 0,01•С10. Резистором R6 поднять ток заряда с нуля до 0,2•С10. Резистором R1 - можно опытным путем выставить скорость восстановления пластин элементов аккумулятора с минимальным выходом сероводородной смеси, при минимальной температуре электролита и отсутствии электролиза.

Литература

  1. В. Коновалов, А. Разгильдеев. Восстановление аккумуляторов. - Радиомир, 3/2005, с.7.
  2. В. Коновалов, А. Вантеев. Технология гальванопластики. - Радиолюбитель, 9/2008.
  3. В. Коновалов. Пульсирующее зарядно-восстановительное устройство. - Радиолюбитель, 5/2007, с.30.
  4. В. Коновалов. Ключевое зарядное устройство. - Радиомир, 9/2007, с. 13.
  5. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. - Москва, Изумруд, 2003 г.
  6. В. Коновалов. Измерение R-вн АБ”. - Радиомир, 8/2004, с.14.
  7. В. Коновалов. Эффект памяти снимает вольтдобавка. - Радиомир, 10/2005, с. 13.
  8. В. Коновалов. Зарядно-восстановительное устройство для Nl-Cd аккумуляторов. - Радио, 3/2006, с.53.
  9. В. Коновалов. Регенератор АКБ. - Радиомир, 6/2008, с.14.
  10. В. Коновалов. Импульсная диагностика аккумулятора. - Радиомир, 7/2008, с. 15.
  11. В. Коновалов. Диагностика аккумулятора сотовых телефонов. - Радиомир, 3/2009, с.11.
  12. В. Коновалов. Восстановление аккумуляторов переменным током. - Радиолюбитель, 07/2007, с.42.

Творческая лаборатория “Автоматики и телемеханика Иркутского областного Центра ДТТ

ист-к: Радиолюбитель, 2009-10, стр. 42