陳　敏

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東　廣州　510080)

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六氟化硫氣體吸附提純技術(shù)與吸附劑選擇研究

陳敏

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080)

針對(duì)電力行業(yè)廢棄六氟化硫提純凈化難題，本研究選擇吸附提純技術(shù)，根據(jù)六氟化硫氣體組分特征、分離順序與提純凈化需求，對(duì)活性氧化鋁、硅膠、活性炭、分子篩等多種吸附劑進(jìn)行比選研究，提出基于分子篩的多種吸附劑組合序列。結(jié)果表明，多種吸附劑組合序列經(jīng)濟(jì)合理，吸附提純效果突出，適合電力行業(yè)六氟化硫氣體回收提純。

六氟化硫；吸附劑比選；吸附劑組合序列

六氟化硫是一種理想的絕緣介質(zhì)，由于其具有獨(dú)特的絕緣性能、高效的滅弧性能及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在電力行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，由于高壓電場(chǎng)作用以及設(shè)備故障放電等多種因素的影響[1]，六氟化硫氣體會(huì)發(fā)生分解作用，產(chǎn)生SF2、S2F2、SF4、S2F10、SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O、HF、SO2、COS、CS2、CF4、C2F6等多種有毒有害的分解組分[2-4]，處理并凈化六氟化硫氣體雜質(zhì)組分，提高六氟化硫氣體質(zhì)量，是電力行業(yè)六氟化硫氣體應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

吸附技術(shù)在化工、輕工、煉油、冶金和環(huán)保等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[5-6]，如氣體中水分的脫除，溶劑的回收，水溶液或有機(jī)溶液的脫色、脫臭，有機(jī)烷烴的分離，芳烴的精制等[7-9]。本研究基于吸附技術(shù)，選擇合適的吸附劑材料來(lái)消除六氟化硫氣體中的各項(xiàng)分解產(chǎn)物。

1　吸附方法與吸附劑種類(lèi)

1.1吸附方法

根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑之間吸附能力的不同，吸附機(jī)理分為物理吸附與化學(xué)吸附兩大類(lèi)。物理吸附是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，因其分子間結(jié)合力較弱，故容易脫附。化學(xué)吸附是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)健的作用所引起，其間結(jié)合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，過(guò)程往往不可逆。

六氟化硫氣體中分解產(chǎn)物含量較低，為了保障吸附劑的重復(fù)使用效果，采用物理吸附方法對(duì)六氟化硫氣體中分解產(chǎn)物進(jìn)行吸附。與化學(xué)吸附相比，物理吸附過(guò)程可控、可逆，且吸附質(zhì)對(duì)吸附劑的特異性要求不高，適合采用一種吸附劑處理多種分解組分的情況。

1.2吸附劑的種類(lèi)

目前工業(yè)上常用的吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，硅膠，分子篩等[10]。

(1)活性炭

活性炭具有非極性表面，是一種疏水性和親有機(jī)物的吸附劑，故又稱(chēng)為非極性吸附劑?；钚蕴康膬?yōu)點(diǎn)：吸附容量大，抗酸耐堿、化學(xué)穩(wěn)定性好，解吸容易，在高溫下進(jìn)行解吸再生時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，熱穩(wěn)定性高，經(jīng)多次吸附和解吸操作，仍能保持原有的吸附性能。

(2)硅膠

硅膠是一種堅(jiān)硬無(wú)定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，是一種親水性極性吸附劑。因其是多孔結(jié)構(gòu)．比表面積可達(dá)350 m2/g左右。工業(yè)上用的硅膠有球型、無(wú)定型、加工成型及粉末狀四種。主要用于氣體的干燥脫水，催化劑載體及烴類(lèi)分離等過(guò)程。

(3)活性氧化鋁

活性氧化鋁為無(wú)定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，一般由氧化鋁的水合物(以三水合物為主)加熱，脫水和活化制得，孔徑約從20 ? 到50 ?，典型的比表面積為200～500 m2/g?；钚匝趸X對(duì)水具有很強(qiáng)的吸附能力，故主要用于液體和氣體的干燥。

(4)分子篩

分子篩是具有特定而且均勻一致孔徑的多孔吸附劑，它只能允許比其微孔孔徑小的分子吸附上去，比其大的分子則不能進(jìn)入，有分子篩的作用。分子篩是極性吸附劑，對(duì)極性分子，尤其對(duì)水具有很大的親和力。由于分子篩突出的吸附性能，使得它在吸附分離中有著廣泛的應(yīng)用。

1.3吸附劑的選擇原則

吸附劑的性能對(duì)吸附分離操作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著決定性的作用，吸附劑的選擇是非常重要的一環(huán)，一般選擇原則為：1)具有較大的平衡吸附量；2)具有良好的吸附選擇性；3)容易解吸，即平衡吸附量與溫度或壓力具有較敏感的關(guān)系；4)有一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，性能穩(wěn)定，較低的床層壓降，價(jià)格便宜等。

2　吸附劑的比較研究

六氟化硫氣體在電弧的作用下生成多種組分分解產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，氣體中水分、酸度、礦物油以及固體顆粒物等指標(biāo)都會(huì)超標(biāo)，因此所選擇的吸附劑不但能去除水分和分解產(chǎn)物，而且必須具備良好的選擇性和較強(qiáng)的吸附能力。

(1)吸附劑的選擇性對(duì)比

為了選擇合適的吸附劑，本選擇活性氧化鋁、硅膠、活性炭、F03型分子篩和KDHF-03型分子篩進(jìn)行吸附選擇性試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)使用六氟化硫設(shè)備中回收的六氟化硫故障氣體進(jìn)行，吸附劑放置量為5 g，選擇性吸附時(shí)間為12小時(shí)，在5 L常壓密閉容器中進(jìn)行。各吸附劑的選擇性結(jié)果如表1所示。

表1　吸附劑吸附選擇性比較Table 1　Comparison of Adsorption Selectivity

可以看出，硅膠吸附劑的吸附選擇性最差，活性炭選擇性次之，活性氧化鋁吸附選擇性較好，但是對(duì)于分解組分的吸附能力，略低于F03型分子篩和KDHF-03型分子篩。在吸附選擇性方面，F(xiàn)03型分子篩和KDHF-03型分子篩以及活性氧化鋁是較為理想的六氟化硫分解產(chǎn)物吸附劑。

(2)吸附能力對(duì)比

為了比較各吸附劑對(duì)六氟化硫氣體分解組分的吸附能力，同樣選用活性氧化鋁、硅膠、活性炭、F03型分子篩和KDHF-03型分子篩進(jìn)行吸附能力試驗(yàn)。吸附原料選用六氟化硫設(shè)備故障模擬產(chǎn)生的六氟化硫氣體，其中分解組分含量為15.4%，在模擬吸附容器中放置等重量的吸附劑各5 g，在吸附時(shí)間序列0.5 h、1.0 h、4.0 h、8.0 h和12 h下測(cè)定試驗(yàn)用六氟化硫氣體中分解組分含量，得到測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　吸附劑吸附能力比較Table 2　Comparison of Adsorption Capacity

由表2可知，硅膠吸附劑的吸附能力最差，活性氧化鋁吸附劑的吸附能力次之，活性碳吸附能力稍好于活性氧化鋁和硅膠，但是與F03型分子篩和KDHF-03型分子篩相比，吸附能力稍弱。在吸附能力方面，F(xiàn)03型分子篩和KDHF-03型分子篩以及活性炭是較為理想的六氟化硫分解產(chǎn)物吸附劑。

由吸附劑吸附選擇性和吸附能力分析可知，F(xiàn)03型分子篩和KDHF-03型分子篩是適用于六氟化硫氣體組分吸附的吸附劑。

3　吸附提純技術(shù)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于六氟化硫氣體中水分和各分解組分的吸附劑，已能夠基本確定其類(lèi)型。在實(shí)際六氟化硫氣體吸附過(guò)程中，氣體中分解產(chǎn)物組分復(fù)雜，吸附劑對(duì)某一種吸附質(zhì)或多種吸附質(zhì)進(jìn)行吸附后，會(huì)影響其他吸附質(zhì)的吸附效果。為了實(shí)現(xiàn)六氟化硫氣體凈化提純，必須對(duì)吸附方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，找出合適的吸附劑序列，使得六氟化硫吸附凈化效果最佳。

3.1吸附序列設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一種吸附劑吸附大量水分后，其吸附低氟化物的能力會(huì)有所降低，有的甚至下降50%以上，但是從不同種類(lèi)吸附劑的性能來(lái)說(shuō)，分子篩的復(fù)合吸附能力下降很少，它對(duì)水分和低氟化物的吸附容量較大。

表3　高濕度下吸附劑吸附性能Table 3　Comparison of Adsorption Capacity in High Humidity

從表3可以看出，在高濕度條件下，F(xiàn)03型分子篩和KDHF-03型分子篩對(duì)于六氟化硫分解組分的吸附能力有所下降。

表4　不同吸附劑的吸附性能Table 4　Adsorption Capacity of Different Adsorbents

F03型分子篩和KDHF-03型分子篩對(duì)SO2、SO2F2具有強(qiáng)的吸附能力，但它同時(shí)也對(duì)SF4也有較強(qiáng)的吸附能力，在吸附SF4后，對(duì)SO2、SO2F2的吸附能力有所降低?；钚匝趸X對(duì)SF4具有較強(qiáng)的吸附能力，但對(duì)SO2、SO2F2的吸附能力則相當(dāng)差?？梢栽O(shè)置較為廉價(jià)的活性氧化鋁與分析篩互為補(bǔ)充，降低吸附操作的整體費(fèi)用。

催化劑使用環(huán)節(jié)，考慮到催化的價(jià)格和性能，以及氣體提純的要求，將活性氧化鋁置于氣體通路的上流，將F03型分子篩和KDHF-03型分子篩置于氣體通路的下流，這樣分解產(chǎn)物SF4、SO2和SO2F2均可被吸附劑有效地去除。在F03型分子篩和KDHF-03型分子篩前端，放置廉價(jià)且易于更換的硅膠及活性氧化鋁，并放置吸附水分專(zhuān)用的A型分子篩，最后由F03型分子篩和KDHF-03型分子篩對(duì)六氟化硫分解組分進(jìn)行深度處理，保障六氟化硫氣體凈化效果。

3.2組合序列吸附效果

為了驗(yàn)證多通道可選擇性氣體凈化工藝技術(shù)，選取2組典型廢氣六氟化硫氣體進(jìn)行性能試驗(yàn)，每組樣品氣體組分差異較大。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)吸附劑組合系列處理后，六氟化硫氣體在水分、四氟化碳、水解氟化物酸度、酸度和礦物油等方面的指標(biāo)都質(zhì)量滿足《工業(yè)六氟化硫》(GB/T 12022-2014)新氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

表5　六氟化硫廢氣再生效果Table 5　Regeneration Effect of Wasted SF6

4　結(jié)　論

為了消除六氟化硫氣體中種類(lèi)復(fù)雜的分解產(chǎn)物以及各種雜質(zhì)，本研究基于吸附技術(shù)，通過(guò)吸附劑性能必選試驗(yàn)，根據(jù)各類(lèi)型吸附劑的特性和吸附特征，提出了經(jīng)濟(jì)適用的六氟化硫氣體吸附提純流程：廢六氟化硫→硅膠→活性氧化鋁→A型分子篩→F03型分子篩/KDHF-03型分子篩→凈化后六氟化硫氣體。使用廢棄六氟化硫氣體對(duì)吸附劑系列進(jìn)行效果檢驗(yàn)，結(jié)果表明吸附劑系列能夠快速有效地去除六氟化硫氣體中的雜質(zhì)組分。

[1]Sauer I. Neutral decomposition products in spark breakdown of SF6[J]. IEEE Trans on Electrical Insalivation, 1986, 21(2):111-115.

[2]王宇,李智,姚唯建,等．廣東省220kv及以上GIS SF6分解產(chǎn)物分析[J]．高電壓技術(shù)，2009,35 (4):823-827.

[3]梁真鎮(zhèn),付夢(mèng)月,高英武,等．六氟化硫中可水解氟化物的吸附試驗(yàn)及分析[J]．化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2011,09(4):89-90.

[4]胡長(zhǎng)誠(chéng)．國(guó)外六氟化硫提純回收技術(shù)進(jìn)展[J]．化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2002(3):1-4

[5]謝添,韓相奎,王曉玲,等．顆?；钚蕴课椒ㄉ疃忍幚砻夯U水研究[J]．煤炭與化工，2015(1):156-157.

[6]季凌,吳芳云,陳進(jìn)富．活性炭吸附在煉油化工廢水回用中的應(yīng)用[J]．工業(yè)水處理，2002， 22(11):25-27.

[7]崔武孝,劉永生,閻曉東．活性炭吸附劑在六氟化硫生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]．無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2005,37(4):53-55.

[8]陳健,古共偉,郜豫川．我國(guó)變壓吸附技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]．化工進(jìn)展，1998(1)：14-17.

[9]辜敏,鮮學(xué)福,張代均,等．變壓吸附技術(shù)分離CH4/N2氣體混合物[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2002，27(2)：197-200.

[10]楊國(guó)華,黃統(tǒng)琳,姚忠亮,等．吸附劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和進(jìn)展[J]．化學(xué)工程與裝備，2009(6)：84-88.

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

陳敏(1987- )，男，碩士研究生，主要從事電力環(huán)?；瘜W(xué)技術(shù)研發(fā)工作。

TM852

A

1001-9677(2016)018-0127-03