电气设备SF6气体净化处理研究

在常态下,纯净的 SF6是一种无色、无味、无毒,微溶于水、乙醇、乙醚的不易燃气体,具有卓越的电绝缘性和灭弧特性,因此被广泛应用于断路器、组合电器、变压器、大容器电缆、避雷器等电气设备中[1]。截至目前,早期投运的SF6电气设备的使用期限已经超过20年,许多电气设备已经进入检修期[2],由于设备中SF6气体在电弧作用下会产生分解气体,同时运行中也会有其它的气体杂质混入,检修时如果直接排放设备中含有分解产物、杂质的SF6气体会对人体及环境造成影响,因此做好废旧SF6气体的回收和净化处理工作非常重要。

1 废旧SF6气体及其杂质的危害

随着国家对环保的日益重视以及废旧SF6气体再利用工作的发展,我国对废旧SF6气体排放的管理也越来越严格。废旧SF6气体中含有空气、水分、矿物油、低氟化物等杂质,一旦排入大气中,SF6气体会在地势低洼处聚集,可能造成人的窒息,而且SF6气体杂质中的低氟化物为有毒物质,会对人的肺部造成损伤。因此,必须对电气设备中废旧的SF6气体进行回收净化处理。

2 SF6气体净化处理工艺

由于回收的废旧SF6气体中含有不同类型的杂质气体,对SF6气体的净化也要用到不同的处理方法,对回收SF6气体的净化处理从本质上与SF6气体生产过程中的纯化技术是相同的,从净化原理上分大致有以下几类方法。

2.1 碱洗法

碱洗法是利用碱水溶液来吸收、纯化SF6气体的方法。碱水溶液可以是NaOH、KOH、NaCO3、Ca(OH)2。碱洗法是先加热粗品SF6气体至250℃,并使其通过250～400℃装有碳或者矾土的铜管裂解器,最后再用碱水溶液洗涤[3],得到纯净的SF6气体。碱洗法一般用于生产SF6气体工艺中的净化程序,在试验室和现场工作中,难以用此方法对回收的SF6气体进行净化试验。

2.2 吸附法

吸附法是用固体吸附剂吸附处理废气中有害气体的方法。吸附法能安全、有效地去除SF6中的多种杂质,因此被广泛采用于SF6的净化处理。常规的吸附剂(如分子筛)能有效吸附H2O、CO2等杂质,吸附效果比活性氧化铝、硅胶好,但其吸附饱和时无明显迹象,更换频率不易确定。

2.3 深度冷凝法

深度冷凝法是通过冷媒对混合气体进行冷却,使气体状态发生变化后进行分离的方法。根据SF6的状态参数曲线,在压力为0.23 MPa时,SF6的固化温度为-50.8℃。空气的主要成分为氮气(N2),在标准大气压力下,氮气在冷却至-195.8℃时,才能变成无色液体,当继续冷却至-209.86℃时,液氮才变成雪状固体。这说明SF6的固化温度远高于空气固化温度,当SF6气体成为固态时,空气仍会以气体形式存在。深度冷凝法就是利用SF6气体与空气的固化温度不同,通过对混合气体的深度冷凝将SF6气体中的空气分离出去。

3 SF6气体净化试验

该试验所用的SF6气体净化处理装置综合利用吸附法和深度冷凝法,在一个系统中先利用分子筛吸收、吸附的方法,对SF6气体进行净化,再经过冷凝、固化处理,分离出空气杂质,使处理后的SF6气体质量达到可重复使用的要求。

3.1 废旧SF6气体检测

首先对回收到钢瓶中的废旧SF6气体进行检测分析,评价气体劣化程度。通过对SF6气体湿度、空气含量、四氟化碳含量、纯度以及分解产物含量的分析,表明此废旧SF6气体空气、四氟化碳含量均超标,同时气体中含有分解产物,气体已经劣化,达不到国家标准的要求,未经处理不能继续充入到电气设备中使用。

3.2 SF6气体净化处理

型SF6气体回收净化再生装置对回收后的废旧SF6气体进行净化处理[4],试验的净化流程见图1。

试验采用RF- 300

图1 SF6气体净化流程

如图1所示,SF6气体先通过净化装置的4个分子筛,去除气体中的水分、可水解氟化物、矿物油以及SF6气体分解产物等杂质,初步净化的气体再经冷凝器的作用由气态转变成液态流入并贮存到净化罐中。但此过程仅仅去除了气体中的水分和分解产物等部分杂质,SF6中的少量空气并未被去除。因此,接下来利用液氮对净化罐中的SF6气体进行深度冷却,使SF6气体由气态变为固态。SF6气体全部变为固态以后,对净化罐进行抽真空处理,当真空度达到 133 Pa以下时停止抽真空。此时混在SF6气体中的少量空气已经被除去,最后对冷却固化的SF6使用加热棒进行加热使其转化为液态,回充入钢瓶中送至实验室进行检测分析。

3.3 试验结果

废旧SF6气体经净化处理后,被送至实验室,并按照GB 12022-2006《工业六氟化硫》规定的方法进行了分析检测。SF6气体净化处理前后分析检测数据对比结果见表1。

表1 SF6气体净化处理前后数据对比 %

3.4 试验数据分析

a.湿度是SF6气体质量的重要指标,电气设备中的湿度越低越有利于设备的安全运行。净化处理后SF6气体湿度较处理之前有明显的降低,由原来的0.000 3左右降至0.000 1左右。

b.净化处理后SF6气体空气的质量分数较处理前有了大幅降低,由原来的 0.07%左右降至0.035%左右。

c.分解产物全部被去除,净化处理前的SF6气体经检测含有一定量的分解产物,分别为0.003 4%和0.003 2%,经对SF6气体处理后,分解产物的体积分数为0,说明处理后的SF6气体已经不含有SF6气体分解产物。

d.通过对净化处理后的SF6气体进行小白鼠毒性试验,小白鼠在由21%氧气和79%SF6气体组成的混合气体环境下活动良好,证明处理后的SF6气体无毒。

3.5 问题与讨论

a.净化试验对SF6气体分解产物的去除效果明显。目前,国家没有将SO2和H2 S的注意值写入标准,但对SO2和H2S的检测仍然能够反映出分解产物的存在与否,对回收净化后的 气体分析试验显示,净化处理后的SF6气体中已经没有分解产物存在,回收净化装置对SF6气体分解产物的去除作用明显。

b.试验发现,经SF6气体回收净化装置处理后的SF6气体空气含量虽然能够达到国家标准,但较国内大厂家生产SF6气体而言,空气含量仍偏高,这是由于空气很难以化学反应的方式除去,所以只能用固化提纯等物理方式去除。固化提纯对设备的密封性要求很高,因此若想提高回收净化装置对SF6气体中空气的去除率,还应从加强回收系统密封性上做更为深入的研究。

4 结束语

通过对废旧SF6气体进行净化处理试验,证明经SF6气体回收处理装置净化后的气体质量良好,能够达到GB 12022-2006对SF6气体质量的要求,可以作为电气绝缘介质重新充入电气设备中使用。随着电力工业向着高电压、大容量、长距离方向发展,SF6电气设备必将应用更加广泛,SF6气体回收净化工作也必将成为今后一段时间内的重点研究课题之一。

[1] 王 箴.化工辞典[M].4版.北京：化学工业出版社,2000.

[2] 张显友,陈 伟.高压电器用耐SF6新型绝缘材料的研究进展[J].绝缘材料通讯,2000(2)：21-24.

[3] 赵玉凌,郑春燕.六氟化硫的性质、制备和市场分析[J].化工科技市场,2007,30(11)：12-14.

[4] 李建国,王兰兰.RF系列六氟化硫气体回收净化再生系统的原理及应用[J].电力设备,2008,9(5)：50-52.