電氣設備SF6氣體凈化處理研究

在常態下,純凈的 SF6是一種無色、無味、無毒,微溶于水、乙醇、乙醚的不易燃氣體,具有卓越的電絕緣性和滅弧特性,因此被廣泛應用于斷路器、組合電器、變壓器、大容器電纜、避雷器等電氣設備中[1]。截至目前,早期投運的SF6電氣設備的使用期限已經超過20年,許多電氣設備已經進入檢修期[2],由于設備中SF6氣體在電弧作用下會產生分解氣體,同時運行中也會有其它的氣體雜質混入,檢修時如果直接排放設備中含有分解產物、雜質的SF6氣體會對人體及環境造成影響,因此做好廢舊SF6氣體的回收和凈化處理工作非常重要。

1 廢舊SF6氣體及其雜質的危害

隨著國家對環保的日益重視以及廢舊SF6氣體再利用工作的發展,我國對廢舊SF6氣體排放的管理也越來越嚴格。廢舊SF6氣體中含有空氣、水分、礦物油、低氟化物等雜質,一旦排入大氣中,SF6氣體會在地勢低洼處聚集,可能造成人的窒息,而且SF6氣體雜質中的低氟化物為有毒物質,會對人的肺部造成損傷。因此,必須對電氣設備中廢舊的SF6氣體進行回收凈化處理。

2 SF6氣體凈化處理工藝

由于回收的廢舊SF6氣體中含有不同類型的雜質氣體,對SF6氣體的凈化也要用到不同的處理方法,對回收SF6氣體的凈化處理從本質上與SF6氣體生產過程中的純化技術是相同的,從凈化原理上分大致有以下幾類方法。

2.1 堿洗法

堿洗法是利用堿水溶液來吸收、純化SF6氣體的方法。堿水溶液可以是NaOH、KOH、NaCO3、Ca(OH)2。堿洗法是先加熱粗品SF6氣體至250℃,并使其通過250～400℃裝有碳或者礬土的銅管裂解器,最后再用堿水溶液洗滌[3],得到純凈的SF6氣體。堿洗法一般用于生產SF6氣體工藝中的凈化程序,在試驗室和現場工作中,難以用此方法對回收的SF6氣體進行凈化試驗。

2.2 吸附法

吸附法是用固體吸附劑吸附處理廢氣中有害氣體的方法。吸附法能安全、有效地去除SF6中的多種雜質,因此被廣泛采用于SF6的凈化處理。常規的吸附劑(如分子篩)能有效吸附H2O、CO2等雜質,吸附效果比活性氧化鋁、硅膠好,但其吸附飽和時無明顯跡象,更換頻率不易確定。

2.3 深度冷凝法

深度冷凝法是通過冷媒對混合氣體進行冷卻,使氣體狀態發生變化后進行分離的方法。根據SF6的狀態參數曲線,在壓力為0.23 MPa時,SF6的固化溫度為-50.8℃。空氣的主要成分為氮氣(N2),在標準大氣壓力下,氮氣在冷卻至-195.8℃時,才能變成無色液體,當繼續冷卻至-209.86℃時,液氮才變成雪狀固體。這說明SF6的固化溫度遠高于空氣固化溫度,當SF6氣體成為固態時,空氣仍會以氣體形式存在。深度冷凝法就是利用SF6氣體與空氣的固化溫度不同,通過對混合氣體的深度冷凝將SF6氣體中的空氣分離出去。

3 SF6氣體凈化試驗

該試驗所用的SF6氣體凈化處理裝置綜合利用吸附法和深度冷凝法,在一個系統中先利用分子篩吸收、吸附的方法,對SF6氣體進行凈化,再經過冷凝、固化處理,分離出空氣雜質,使處理后的SF6氣體質量達到可重復使用的要求。

3.1 廢舊SF6氣體檢測

首先對回收到鋼瓶中的廢舊SF6氣體進行檢測分析,評價氣體劣化程度。通過對SF6氣體濕度、空氣含量、四氟化碳含量、純度以及分解產物含量的分析,表明此廢舊SF6氣體空氣、四氟化碳含量均超標,同時氣體中含有分解產物,氣體已經劣化,達不到國家標準的要求,未經處理不能繼續充入到電氣設備中使用。

3.2 SF6氣體凈化處理

型SF6氣體回收凈化再生裝置對回收后的廢舊SF6氣體進行凈化處理[4],試驗的凈化流程見圖1。

試驗采用RF- 300

圖1 SF6氣體凈化流程

如圖1所示,SF6氣體先通過凈化裝置的4個分子篩,去除氣體中的水分、可水解氟化物、礦物油以及SF6氣體分解產物等雜質,初步凈化的氣體再經冷凝器的作用由氣態轉變成液態流入并貯存到凈化罐中。但此過程僅僅去除了氣體中的水分和分解產物等部分雜質,SF6中的少量空氣并未被去除。因此,接下來利用液氮對凈化罐中的SF6氣體進行深度冷卻,使SF6氣體由氣態變為固態。SF6氣體全部變為固態以后,對凈化罐進行抽真空處理,當真空度達到 133 Pa以下時停止抽真空。此時混在SF6氣體中的少量空氣已經被除去,最后對冷卻固化的SF6使用加熱棒進行加熱使其轉化為液態,回充入鋼瓶中送至實驗室進行檢測分析。

3.3 試驗結果

廢舊SF6氣體經凈化處理后,被送至實驗室,并按照GB 12022-2006《工業六氟化硫》規定的方法進行了分析檢測。SF6氣體凈化處理前后分析檢測數據對比結果見表1。

表1 SF6氣體凈化處理前后數據對比 %

3.4 試驗數據分析

a.濕度是SF6氣體質量的重要指標,電氣設備中的濕度越低越有利于設備的安全運行。凈化處理后SF6氣體濕度較處理之前有明顯的降低,由原來的0.000 3左右降至0.000 1左右。

b.凈化處理后SF6氣體空氣的質量分數較處理前有了大幅降低,由原來的 0.07%左右降至0.035%左右。

c.分解產物全部被去除,凈化處理前的SF6氣體經檢測含有一定量的分解產物,分別為0.003 4%和0.003 2%,經對SF6氣體處理后,分解產物的體積分數為0,說明處理后的SF6氣體已經不含有SF6氣體分解產物。

d.通過對凈化處理后的SF6氣體進行小白鼠毒性試驗,小白鼠在由21%氧氣和79%SF6氣體組成的混合氣體環境下活動良好,證明處理后的SF6氣體無毒。

3.5 問題與討論

a.凈化試驗對SF6氣體分解產物的去除效果明顯。目前,國家沒有將SO2和H2 S的注意值寫入標準,但對SO2和H2S的檢測仍然能夠反映出分解產物的存在與否,對回收凈化后的 氣體分析試驗顯示,凈化處理后的SF6氣體中已經沒有分解產物存在,回收凈化裝置對SF6氣體分解產物的去除作用明顯。

b.試驗發現,經SF6氣體回收凈化裝置處理后的SF6氣體空氣含量雖然能夠達到國家標準,但較國內大廠家生產SF6氣體而言,空氣含量仍偏高,這是由于空氣很難以化學反應的方式除去,所以只能用固化提純等物理方式去除。固化提純對設備的密封性要求很高,因此若想提高回收凈化裝置對SF6氣體中空氣的去除率,還應從加強回收系統密封性上做更為深入的研究。

4 結束語

通過對廢舊SF6氣體進行凈化處理試驗,證明經SF6氣體回收處理裝置凈化后的氣體質量良好,能夠達到GB 12022-2006對SF6氣體質量的要求,可以作為電氣絕緣介質重新充入電氣設備中使用。隨著電力工業向著高電壓、大容量、長距離方向發展,SF6電氣設備必將應用更加廣泛,SF6氣體回收凈化工作也必將成為今后一段時間內的重點研究課題之一。

[1] 王 箴.化工辭典[M].4版.北京：化學工業出版社,2000.

[2] 張顯友,陳 偉.高壓電器用耐SF6新型絕緣材料的研究進展[J].絕緣材料通訊,2000(2)：21-24.

[3] 趙玉凌,鄭春燕.六氟化硫的性質、制備和市場分析[J].化工科技市場,2007,30(11)：12-14.

[4] 李建國,王蘭蘭.RF系列六氟化硫氣體回收凈化再生系統的原理及應用[J].電力設備,2008,9(5)：50-52.