六氟化硫气体吸附提纯技术与吸附剂选择研究

陈　敏

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东　广州　510080)



六氟化硫气体吸附提纯技术与吸附剂选择研究

陈敏

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州510080)

针对电力行业废弃六氟化硫提纯净化难题，本研究选择吸附提纯技术，根据六氟化硫气体组分特征、分离顺序与提纯净化需求，对活性氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等多种吸附剂进行比选研究，提出基于分子筛的多种吸附剂组合序列。结果表明，多种吸附剂组合序列经济合理，吸附提纯效果突出，适合电力行业六氟化硫气体回收提纯。

六氟化硫；吸附剂比选；吸附剂组合序列

六氟化硫是一种理想的绝缘介质，由于其具有独特的绝缘性能、高效的灭弧性能及稳定的化学性质，在电力行业中得到了广泛应用。经过长期使用后，由于高压电场作用以及设备故障放电等多种因素的影响[1]，六氟化硫气体会发生分解作用，产生SF2、S2F2、SF4、S2F10、SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O、HF、SO2、COS、CS2、CF4、C2F6等多种有毒有害的分解组分[2-4]，处理并净化六氟化硫气体杂质组分，提高六氟化硫气体质量，是电力行业六氟化硫气体应用的关键问题。

吸附技术在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有着广泛的应用[5-6]，如气体中水分的脱除，溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、脱臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等[7-9]。本研究基于吸附技术，选择合适的吸附剂材料来消除六氟化硫气体中的各项分解产物。

1　吸附方法与吸附剂种类

1.1吸附方法

根据吸附质和吸附剂之间吸附能力的不同，吸附机理分为物理吸附与化学吸附两大类。物理吸附是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，因其分子间结合力较弱，故容易脱附。化学吸附是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，其间结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，过程往往不可逆。

六氟化硫气体中分解产物含量较低，为了保障吸附剂的重复使用效果，采用物理吸附方法对六氟化硫气体中分解产物进行吸附。与化学吸附相比，物理吸附过程可控、可逆，且吸附质对吸附剂的特异性要求不高，适合采用一种吸附剂处理多种分解组分的情况。

1.2吸附剂的种类

目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭，活性氧化铝，硅胶，分子筛等[10]。

(1)活性炭

活性炭具有非极性表面，是一种疏水性和亲有机物的吸附剂，故又称为非极性吸附剂。活性炭的优点：吸附容量大，抗酸耐碱、化学稳定性好，解吸容易，在高温下进行解吸再生时其晶体结构不发生变化，热稳定性高，经多次吸附和解吸操作，仍能保持原有的吸附性能。

(2)硅胶

硅胶是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，是一种亲水性极性吸附剂。因其是多孔结构．比表面积可达350 m2/g左右。工业上用的硅胶有球型、无定型、加工成型及粉末状四种。主要用于气体的干燥脱水，催化剂载体及烃类分离等过程。

(3)活性氧化铝

活性氧化铝为无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物(以三水合物为主)加热，脱水和活化制得，孔径约从20 Å 到50 Å，典型的比表面积为200～500 m2/g。活性氧化铝对水具有很强的吸附能力，故主要用于液体和气体的干燥。

(4)分子筛

分子筛是具有特定而且均匀一致孔径的多孔吸附剂，它只能允许比其微孔孔径小的分子吸附上去，比其大的分子则不能进入，有分子筛的作用。分子筛是极性吸附剂，对极性分子，尤其对水具有很大的亲和力。由于分子筛突出的吸附性能，使得它在吸附分离中有着广泛的应用。

1.3吸附剂的选择原则

吸附剂的性能对吸附分离操作的技术经济指标起着决定性的作用，吸附剂的选择是非常重要的一环，一般选择原则为：1)具有较大的平衡吸附量；2)具有良好的吸附选择性；3)容易解吸，即平衡吸附量与温度或压力具有较敏感的关系；4)有一定的机械强度和耐磨性，性能稳定，较低的床层压降，价格便宜等。

2　吸附剂的比较研究

六氟化硫气体在电弧的作用下生成多种组分分解产物，经过长期运行后，气体中水分、酸度、矿物油以及固体颗粒物等指标都会超标，因此所选择的吸附剂不但能去除水分和分解产物，而且必须具备良好的选择性和较强的吸附能力。

(1)吸附剂的选择性对比

为了选择合适的吸附剂，本选择活性氧化铝、硅胶、活性炭、F03型分子筛和KDHF-03型分子筛进行吸附选择性试验。

实验使用六氟化硫设备中回收的六氟化硫故障气体进行，吸附剂放置量为5 g，选择性吸附时间为12小时，在5 L常压密闭容器中进行。各吸附剂的选择性结果如表1所示。

表1　吸附剂吸附选择性比较Table 1　Comparison of Adsorption Selectivity

可以看出，硅胶吸附剂的吸附选择性最差，活性炭选择性次之，活性氧化铝吸附选择性较好，但是对于分解组分的吸附能力，略低于F03型分子筛和KDHF-03型分子筛。在吸附选择性方面，F03型分子筛和KDHF-03型分子筛以及活性氧化铝是较为理想的六氟化硫分解产物吸附剂。

(2)吸附能力对比

为了比较各吸附剂对六氟化硫气体分解组分的吸附能力，同样选用活性氧化铝、硅胶、活性炭、F03型分子筛和KDHF-03型分子筛进行吸附能力试验。吸附原料选用六氟化硫设备故障模拟产生的六氟化硫气体，其中分解组分含量为15.4%，在模拟吸附容器中放置等重量的吸附剂各5 g，在吸附时间序列0.5 h、1.0 h、4.0 h、8.0 h和12 h下测定试验用六氟化硫气体中分解组分含量，得到测试结果如表2所示。

表2　吸附剂吸附能力比较Table 2　Comparison of Adsorption Capacity

由表2可知，硅胶吸附剂的吸附能力最差，活性氧化铝吸附剂的吸附能力次之，活性碳吸附能力稍好于活性氧化铝和硅胶，但是与F03型分子筛和KDHF-03型分子筛相比，吸附能力稍弱。在吸附能力方面，F03型分子筛和KDHF-03型分子筛以及活性炭是较为理想的六氟化硫分解产物吸附剂。

由吸附剂吸附选择性和吸附能力分析可知，F03型分子筛和KDHF-03型分子筛是适用于六氟化硫气体组分吸附的吸附剂。

3　吸附提纯技术方案设计

对于六氟化硫气体中水分和各分解组分的吸附剂，已能够基本确定其类型。在实际六氟化硫气体吸附过程中，气体中分解产物组分复杂，吸附剂对某一种吸附质或多种吸附质进行吸附后，会影响其他吸附质的吸附效果。为了实现六氟化硫气体净化提纯，必须对吸附方案进行设计，找出合适的吸附剂序列，使得六氟化硫吸附净化效果最佳。

3.1吸附序列设计

一般来说，当一种吸附剂吸附大量水分后，其吸附低氟化物的能力会有所降低，有的甚至下降50%以上，但是从不同种类吸附剂的性能来说，分子筛的复合吸附能力下降很少，它对水分和低氟化物的吸附容量较大。

表3　高湿度下吸附剂吸附性能Table 3　Comparison of Adsorption Capacity in High Humidity

从表3可以看出，在高湿度条件下，F03型分子筛和KDHF-03型分子筛对于六氟化硫分解组分的吸附能力有所下降。

表4　不同吸附剂的吸附性能Table 4　Adsorption Capacity of Different Adsorbents

F03型分子筛和KDHF-03型分子筛对SO2、SO2F2具有强的吸附能力，但它同时也对SF4也有较强的吸附能力，在吸附SF4后，对SO2、SO2F2的吸附能力有所降低。活性氧化铝对SF4具有较强的吸附能力，但对SO2、SO2F2的吸附能力则相当差。可以设置较为廉价的活性氧化铝与分析筛互为补充，降低吸附操作的整体费用。

催化剂使用环节，考虑到催化的价格和性能，以及气体提纯的要求，将活性氧化铝置于气体通路的上流，将F03型分子筛和KDHF-03型分子筛置于气体通路的下流，这样分解产物SF4、SO2和SO2F2均可被吸附剂有效地去除。在F03型分子筛和KDHF-03型分子筛前端，放置廉价且易于更换的硅胶及活性氧化铝，并放置吸附水分专用的A型分子筛，最后由F03型分子筛和KDHF-03型分子筛对六氟化硫分解组分进行深度处理，保障六氟化硫气体净化效果。

3.2组合序列吸附效果

为了验证多通道可选择性气体净化工艺技术，选取2组典型废气六氟化硫气体进行性能试验，每组样品气体组分差异较大。试验结果表明，经过吸附剂组合系列处理后，六氟化硫气体在水分、四氟化碳、水解氟化物酸度、酸度和矿物油等方面的指标都质量满足《工业六氟化硫》(GB/T 12022-2014)新气质量标准标准。

表5　六氟化硫废气再生效果Table 5　Regeneration Effect of Wasted SF6

4　结　论

为了消除六氟化硫气体中种类复杂的分解产物以及各种杂质，本研究基于吸附技术，通过吸附剂性能必选试验，根据各类型吸附剂的特性和吸附特征，提出了经济适用的六氟化硫气体吸附提纯流程：废六氟化硫→硅胶→活性氧化铝→A型分子筛→F03型分子筛/KDHF-03型分子筛→净化后六氟化硫气体。使用废弃六氟化硫气体对吸附剂系列进行效果检验，结果表明吸附剂系列能够快速有效地去除六氟化硫气体中的杂质组分。

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Study on Purification Technique and Adsorbent Choice of SF6

CHENMin

(Electric Power Science Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd.,Guangdong Guangzhou 510080, China)

In order to solve the problem of purifying wasted sulfur hexafluoride in electric power industry, adsorbents such as activated alumina, silica gel, activated carbon and molecular sieve were compared according to composition features, separation sequence and purification requirements of sulfur hexafluoride, which was based on adsorption purification technology, and a composite sequence of adsorbents with molecular sieve was proposed. The experimental results showed that combination of adsorbents was economical, effective and applicable at purification of sulfur hexafluoride in electric power industry.

sulfur hexafluoride; comparison and selection of adsorbent; combination of adsorbents

陈敏(1987- )，男，硕士研究生，主要从事电力环保化学技术研发工作。

TM852

A

1001-9677(2016)018-0127-03