吸附剂对六氟化硫气体中八氟丙烷的吸附特性研究

宋玉梅，刘 伟，朱 峰，杨 娴，程 伟，刘子恩，袁小芳，徐霄筱

（1.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，合肥 230022；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230022）

引言

六氟化硫（SF6）气体因其优良的绝缘灭弧性能，被广泛应用于高压电气设备中。但SF6气体温室效应是CO2的23 900多倍，在空气中能够存在3 200多年，是《京都议定书》禁止排放的6种温室气体之一。随着国内外对SF6温室气体减排工作的重视，国网公司为适应国际环保要求，履行社会责任，一直致力于减少SF6等温室气体的使用和排放等相关技术的研究。目前全国已建立省（市）级六氟化硫处理中心，初步实现了现场六氟化硫气体的回收、回充和净化处理。

六氟化硫处理系统运行过程中，发现部分回收的SF6气体中含有一定量的八氟丙烷杂质（C3F8气体），而原有的净化处理系统无法去除SF6气体中C3F8气体杂质，给SF6气体的循环再利用工作带来了很大的影响。国家标准GB/T 12022—2014《工业六氟化硫气体》规定SF6气体中C3F8气体含量（质量分数）≤50×10‐6，采用现有六氟化硫处理系统处理后SF6气体无法满足国标GB/T 12022—2014要求，因此需要对SF6气体中C3F8气体杂质进行合适的净化处理。目前对SF6气体中杂质的净化处理方法主要有深冷分离[1]、吸附剂吸附处理[2,3]等。吸附处理是一种快速有效的方法，吸附剂对SF6分解产物的吸附影响已有大量的研究报道[4‐6]，设备中吸附剂的性能、使用方法、再生处理等也有深入的研究[7‐11]，因此本研究采用吸附剂对SF6中C3F8气体杂质进行吸附处理，并开展了一系列的试验，研究分析不同吸附剂吸附SF6中C3F8气体杂质吸附效果。

1 试验材料和仪器设备

（1）试验腔体：高1.5 m的圆柱形密闭容器，材质为不锈钢，上下开孔，用于充装吸附剂、对管路抽真空、SF6气体的检测和回收。

（2）真空干燥箱：温度范围（50℃～250℃）±1℃，用于吸附剂预处理。真空包装的吸附剂直接使用，非真空包装的吸附剂通过真空干燥箱进行预处理。

（3）抽真空设备：用于试验管路的抽真空。

（4）六氟化硫气相色谱仪GC 3560：用于检测处理前后SF6气体中杂质组分的定性和定量检测。

（5）精密质量流量计：用于控制SF6气体流量。

2 试验步骤

（1）吸附剂干燥再生：需要对没有真空包装的吸附剂进行干燥处理，将吸附剂放入真空干燥箱，按照吸附剂说明书设定温度和时间对吸附剂进行干燥，干燥后的吸附剂按照试验设备充气质量的10%称重；

（2）将吸附剂充装至试验腔体内；

（3）连接管路：依次连接SF6气体、质量流量计、试验腔体、六氟化硫气相色谱仪；

（4）对管路抽真空；

（5）打开SF6气体阀门，调节流量，气体出口压力0.1 MPa；

（6）定时取样检测出口气体中杂质组分的种类和含量。

试验流程示意图如图1所示。

图1 试验流程

3 吸附剂的筛选试验

为除去SF6气体中的C3F8杂质，对分子筛吸附剂‐1、吸附剂‐2、吸附剂‐3、MCM‐22、ZSM‐11、F‐03、ZA‐100、AA18开展吸附效果试验。依据上述试验步骤，开展上述几种吸附剂吸附SF6气体中C3F8杂质试验，检测结果见图2。

图2 不同分子筛吸附前后C3F8含量变化

由试验结果看出，对于SF6气体中的C3F8杂质，吸附效果依次为，吸附剂‐1＞吸附剂‐2＞吸附剂‐3＞ZA‐100＞ZSM‐11＞MCM‐22＞AA18＞F‐03，其中分子筛吸附剂‐1的吸附效果最好，吸附剂‐2次之，其他吸附剂的吸附效果较差。

不同分子筛的吸附效果，主要由分子筛的孔径和比表面积决定。分子筛吸附剂‐1、吸附剂‐2和吸附剂‐3的基本参数信息见表1。

表1 分子筛吸附剂‐1、吸附剂‐2和吸附剂‐3的基本参数

C3F8分子尺寸为0.74 nm。吸附剂‐1分子筛孔径0.8 nm～1.0 nm，为笼状结构，活性点密度大，活性点较多，活性点电荷不饱和程度高，孔道吸附牢固。吸附剂‐2分子筛孔径0.55 nm～0.56 nm，孔径为10圆环结构，三维交叉孔道，硅氧键变形较大，活性位酸性强，活性位吸附牢固。而其他分子筛多为一维直孔道，硅氧键变形稍弱，活性点数量多，但吸附强度弱。因此分子筛吸附剂‐1和吸附剂‐2对C3F8有较好的吸附效果。

4 吸附试验最优条件的研究

决定分子筛对SF6气体中C3F8杂质组分吸附效果的影响因素较多，包括分子筛的种类和型号、分子筛的用量、环境温度、气体流速、吸附时间、分子筛位置以及待处理气体的纯度等。

4.1 分子筛的组成和用量

4.1.1 分子筛的组成

吸附剂‐1和吸附剂‐2两种分子筛对C3F8都有较好的吸附效果，因此考察不同分子筛体系的吸附效果，试验结果见图3。

图3 不同分子筛体系吸附前后C3F8含量变化

由试验结果看出，采用吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛体系的吸附效果优于吸附剂‐1和吸附剂‐2，因此后续的吸附试验均采用吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛作为最佳吸附体系。

4.1.2 分子筛的用量

理论上说，吸附剂含量越高，吸附效果越好。实际工况下，吸附质与吸附剂用量的比有个最佳值。开展试验验证，其中吸附剂‐1、吸附剂‐2的质量比为1∶1，试验结果见图4。

图4 不同分子筛用量吸附前后C3F8含量变化

由试验结果看出，随着吸附剂含量的增加，吸附效果随之变好，当吸附剂用量达到一定比例时，继续增加分子筛用量，吸附效果变化不大。因此，本项目采用复合分子筛吸附剂‐1+吸附剂‐2的质量为5 kg，其中吸附剂‐1和吸附剂‐2的含量均为2.5 kg。

4.2 环境温度

为考察环境温度对分子筛吸附效果的影响，开展了不同温度下的吸附试验，试验结果见图5。

图5 不同温度下吸附前后C3F8含量变化

由试验结果看出，随着温度的升高，吸附效果逐渐减弱。但若试验温度过低，则对试验操作条件的要求较高，故采用常温25℃作为最佳试验温度。

4.3 气体流速

SF6气体流速度对分子筛吸附效果影响较大，为考察气体流速对吸附效果的影响特征，开展不同气体流速下的试验，检测结果见图6。

图6 不同气体流速下吸附前后C3F8含量变化

由试验结果看出，随着气体流速的增加，分子筛的吸附效果逐渐减弱。但如果气体流速过慢，对处理效率产生较大影响，因此本试验选择300 mL/min作为合适的气体流速。

4.4 吸附时间

对于吸附试验来说，吸附时间对吸附效果的影响至关重要。为考察吸附时间对吸附效果的影响特征，开展不同吸附时间的吸附试验，检测结果见图7。

图7 不同吸附时间吸附前后C3F8含量变化

由检测结果看出，随着吸附时间的增加，吸附效果随之增强。但如果试验时间过长，就会影响整个现场应用。因此，本试验中选择30 min作为最佳吸附时间。

4.5 吸附剂位置

将分子筛用于SF6气体净化处理系统时，分子筛的位置对处理效果有较大的影响。如果将分子筛放在处理系统原有吸附单元的后端，可能会对处理后气体的水分含量造成影响，使处理后气体水分含量超标。因此，本试验将分子筛放置在原有吸附单元的前端，先去除SF6气体中过量的八氟丙烷杂质，再通过原有的吸附单元进一步处理。

4.6 待处理气体纯度

待处理气体中杂质含量对分子筛的吸附效果影响较大，为考察试验中吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛吸附体系对不同杂质含量的SF6气体处理能力，实验室配制了一系列杂质浓度的SF6气体，吸附前后杂质含量变化见图8。

图8 不同C3F8气体杂质含量的吸附试验结果

由试验结果看出，采用吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛吸附体系处理不同杂质含量的SF6气体，吸附效果较好，处理后气体满足GB/T 12022—2014中对C3F8气体杂质含量的要求。

5 结论

通过一系列试验，确定采用吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛吸附体系吸附SF6气体中的八氟丙烷气体杂质，其中复合分子筛中各组分的比值为1∶1，即2.5 kg∶2.5 kg。对于吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛吸附体系吸附八氟丙烷气体试验，环境温度、气体流速、吸附时间对吸附效果有较大影响，初步试验条件定为：试验温度25℃、气体流速300 mL/min、吸附时间30 min。通过试验证明：采用吸附剂‐1+吸附剂‐2复合分子筛吸附体系处理不同C3F8气体杂质含量的SF6气体，处理后气体满足GB/T 12022—2014中对C3F8杂质含量的要求。