六氟化硫_氮混合气体分离回收方法_王琦

收稿日期:2002-11-12作者简介:王琦(1979-),男,硕士研究生,研究方向为高电压绝缘技术。

邱毓昌(1934-),男,教授,博士生导师,IE EE 高级会员,研究方向为高电压绝缘技术(Tel :013186065026)。

六氟化硫/氮混合气体分离回收方法王　琦,邱毓昌(西安交通大学电力设备电绝缘国家重点实验室,　陕西西安710049)摘要:在9篇文献的基础上,综合介绍了SF 6/N 2混合气体的三种不同的分离方法,并将它们的优劣作了比较。

通过分析,认为将两种或两种以上的方法结合起来使用,可以得到较好的效果。

关键词:绝缘气体;分离方法;P SA 法;薄膜法中图分类号:T M 213;T Q125.152 文献标识码:A 文章编号:1009-9239(2003)03-0033-04Gas separation and recovery methods forSF 6/N 2gas mixturesW ANG Qi,QIU Yu-chang(State Key Laboratory of Electrical Insulation for Power Equipment ,X i 'a n Jiaotong University ,X i 'a n 710049,China )Abstract :SF 6g as is widely used in the po w er apparatus such a s GIS (Gas -insula ted Switchg ear )because of its superio r cha racteristics no t only fo r arc ex ting uishing but also fo r chemical stability.SF 6/N 2g as mix tures a re now being used to substitute fo r SF 6as a g reenho use g as.But SF 6has to be separated fro m gas mix tures fo r the purpo se of gas recovery.Three methods o f separatio n are presented in this pa per and their adv antages and disadv antages are discussed .Keywords :g as mix tures;separation metho d;PSA;po lym er membrane1　前　言六氟化硫(SF 6)气体是迄今最理想的绝缘和灭弧介质[1],但是随着现代科学技术的发展和人们对环境问题的重视,SF 6的温室效应得到越来越多的关注。

据统计,从1961年到1999年,全球共消耗了136,172吨SF 6气体,其中电力系统消耗了约42,530吨,这部分SF 6气体产生的温室效应相当于10亿吨CO 2气体产生的温室效应[2]。

文[3]中指出,1990年大气中SF 6气体的体积浓度为2.5×10-12,到1995年,增加到3.2×10-12。

SF 6气体在大气中的寿命非常长,可达3000年。

假设2000年后,每年SF 6气体的排放量同1995年一样,都是6800吨,到2010年时,SF 6气体的浓度将达到8×10-12,到2100年时,将达到30×10-12。

如果不采取有效的措施,若干年后大气中SF 6气体的浓度将是一个惊人的数字,相应的温室效应将更加严重。

因此,必须找到一个切实有效的办法来解决这个问题。

目前,国内外普遍认为,在找到替用品之前减少SF 6气体的温室危害的一个较好的办法是用混合气体代替纯SF 6气体充当绝缘介质,以减少SF 6气体的用量。

混合气体通常指的是SF 6/N 2或者SF 6/CO 2,其中SF 6/N 2具有工业应用前景[1]。

现今的发展趋势是混合气体中尽量减少SF 6的含量。

20世纪80年代国外研制成的混合气体断路器中SF 6/N 2的混合比(体积比)为60%∶40%或者50%∶50%,到20世纪90年代末,已经出现了混合比为10%∶90%的SF 6/N 2混合气体,因此它对环境的危害远远小于纯SF 6气体。

由于不能将SF 6气体直接排放到大气中,因此在气体回收时应该将SF 6气体从混合气体中分离出来,循环利用。

这样既可以减少因排放SF 6气体而引起的温室效应,也可以降低重新充气的成本。

目前国际上提出的气体分离方法主要有三种,即液化法、PSA 法和聚合物薄膜法。

以下对这三种方法的优缺点进行讨论。

2　液化法分离SF 6气体最简单的方法就是液化法。

一个大气压下,SF 6气体的沸点是-50℃,比N 2的沸点(-200℃左右)要高得多,因此SF 6气体比较容易液化,通常纯SF 6气体在室温下(20℃),气压为 2.0M Pa 时就会液化。

但是对于SF 6/N 2混合气体,尤其是对于低混合比(例如体积比为10%:90%)的SF 6/N 2混合气体来说,由于SF 6气体含量少,SF 6的分压低,所以要使它在室温下液化,需要约20M Pa 的压力[4]。

这对压力容器的要求太高,而且也不经济,因此实际上很难采用液化法分离低含量S F 6混合气体。

3　PSA 法PS A (Pressure Swing Adso rptio n )法[4]中采用人造沸石作为吸附气体的材料,它是一种分子筛,可以使得某些气体分子不能通过,而另一些气体分子可以通过。

PS A 法的原理是:在气压比较高时,人造沸石吸附某种气体;而在气压比较低时,又将已经吸附的气体释放出来。

也就是说,当气压由高到低循环变化时,人造沸石可以循环使用。

目前,PSA 法已经商业化应用于从空气中分离O 2。

寻找一种合适的人造沸石,就可以实现从SF 6/N 2混合气体中分离SF 6气体。

首先要选择合适的人造沸石。

选取Ca -A 型(有效微孔直径为0.5nm )人造沸石作为主吸附材料,Na -X 型(有效微孔直径为1nm )人造沸石作为辅助吸附材料。

前者可以吸附大量的N 2分子,而几乎不能吸附SF 6分子。

后者恰好相反,主要吸附SF 6分子。

整个分离装置如图1所示。

首先使混合气体经过滤器滤掉水蒸气和其他杂质,然后充入主吸附器。

分离装置有两个主吸附器,里面充满Ca -A 型人造沸石,这样,一个吸附气体时,另一个可以释放气体,使系统可以连续工作,提高了工作效率。

辅助吸附器里面充满了Na -X 型人造沸石。

分离的步骤如下:(1)将过滤后的混合气体充入一个主吸附器中。

这时,N 2几乎全部被吸附,而大部分SF 6气体可以穿过它到达液化系统。

液化系统由压缩机和冷却管组成。

图1　P SA 法分离装置(2)在液化系统中,SF 6气体被压缩、冷却和液化。

将液态SF 6贮存到液化罐当中,液化系统中剩余的气体是SF 6/N 2混合气体,再通过缓冲罐再次充入主吸附器。

(3)主吸附器内吸附的N 2和少量SF 6气体被充入辅助吸附器。

SF 6气体被吸附,N 2就可以直接排放到大气中。

实验测得最后直接排放到大气中的气体中SF 6气体的体积浓度仅为0.06%,PSA 法分离装置每分钟能处理气体13升,可以满足实际应用的要求[4]。

4　聚合物薄膜法聚合物薄膜法[5,6]的主要原理是:气体种类和聚合物薄膜的温度不同其渗透率R 也不同,相同条件下,渗透率高的气体穿透薄膜要快一些。

图2[5]是不同气体的渗透率随薄膜温度变化而变化的情况。

从图中可以看出,薄膜温度相同时,SF 6气体的渗透率较其他气体小得多;而且随着薄膜温度的升高,He 、CO 2、N 2的渗透率都变大,只有SF 6气体的渗透率变小。

另外,对SF 6/N 2混合气体,选择率α按公式(1)计算:α=R 1/R 2(1)(R 1为N 2的渗透率,R 2为SF 6的渗透率)显然,α越大,分离越容易。

图3[5]是SF 6/N 2混合气体和其他混合气体的选择率α随薄膜温度的升高而变化的趋势。

图中可以看出,SF 6/N 2混合气体温度为10℃时,α≈27,温度为100℃时,α≈100。

这表明将薄膜的温度保持在100℃左右,就可以较为容易和有效地分离出SF 6气体。

图2　不同气体渗透率随温度变化曲线图3　不同混合气体选择率随温度变化曲线图4　聚合物薄膜法分离装置 可以选择碳分子筛薄膜[7]、聚酰亚胺薄膜[8]或聚碳酸酯[9]作为分离薄膜。

聚合物薄膜法的基本装置如图4所示,主要由薄膜分离器、气压调节器、气体流量调节器、气体流量表、加热器及其控制器组成。

薄膜分离器是其中的核心装置,有三个口:进气口、排气口、回收口。

分离的步骤如下:(1)将压缩后的SF6/N2混合气体充入薄膜分离器。

薄膜分离器中的薄膜为聚合物薄膜。

由于N2的渗透率比较大,很快穿过薄膜,排放到大气中。

在分离器内部剩余了大量高浓度的S F6气体。

(2)这些高浓度的SF6气体通过气体流量调节器直接被回收。

事实上,也有少量SF6气体穿透了薄膜,混在N2中,因此不能直接排放。

在实际应用中,可以将两个装置串联起来使用,即将第二个装置的进气口与第一个装置的排气口相连,第二个装置的回收口与第一个装置的进气口相连。

这样做,可以使回收得到的气体中SF6的含量很高,而排放到大气中的气体中SF6的含量很低。

另外,可以通过改变原始混合气体的压力和聚合物薄膜的大小来改变分离装置处理气体的速度。

5　结语SF6/N2混合气体代替SF6气体已成为发展的趋势。

使用混合气体必须解决将SF6气体分离、回收再利用的技术问题。

目前,国际上提出的主要的分离方法有液化法、PSA法和聚合物薄膜法。

液化法处理低混合比的SF6/N2混合气体时由于所需的气压太高,不易在工程中实现,所以不宜直接采用。

PS A法已经商业化用于从空气中分离O2,技术比较成熟。

但是处理SF6气体含量比较低的S F6/N2混合气体时,回收所得到的气体中SF6气体含量不够高。

聚合物薄膜法成功地解决了这一问题,在回收口处得到的气体中SF6气体含量相当高。

但是,聚合物薄膜法现在还处于研究阶段,如何实现商用,还需要做进一步的研究。

本文认为不一定只使用单一的方法分离混合气体,可以将这两种方法或两种以上的方法结合起来使用。

比如先用PSA法进行初步分离,得到较高体积浓度的SF6混合气体,然后再使用液化法,就可以得到液态的纯SF6。

这样可以解决PS A法的回收气体中SF6浓度不够高的问题。

参考文献[1]　邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].北京:水利电力出版社,1994.[2]　In tergov ern men tal Pan el on Climate Ch ange(IPC C),1995Repo rt of th e Scien tific As sess men t W orking Group of IPC C [R].[3]　CIGRE W G23-10.S F6and th e global atmos ph ere[J].Electra.1996,164.[4]　Toyoda et al.Application of Pres sure Swing Adsorption to SF6Separation and Liquefaction from SF6/N2M ix tu res[C],2000 IEEE Pow er Engin eering Society Winter M eeting,Paper No.2000W M-475,2000.[5]　O.Yamamoto et al.Recovery of SF6from N2/SF6gas mix tu resby using a polymer mem bran e[J].IEEE Electrical Insulation,2002,18(3):32～37.[6]　B. D.Freeman and I.P innau.Polym er mem bran es for gas andvapor s eparation[R].American Ch emical Society,W as hing ton DC,1999.[7]　G.Dagan et al.Carbon memb rane s eparator for el imination ofSF6emissions from gas-insulated electrical u tilities[C].Proc.of the EPA Conference on S F6and Environmen t Emis sionReduction Strategies,San Diego,Califo rnia,2000.[8]　O.Yamamoto et al.SF6gas recov ery from SF6/N2mix tu resu sing polymer membrane[C].Gas eous Dielectrics IX,Kluw erAcad emic/Plenu m Pu blish ers,2001,555～560.[9]　M.Pittroff and F.Vond enhof.Separation of SF6/N2mix tu res[C].Gaseous D ielectrics IX,Kluw er Academic/PlenumPublishers,2001,561～566.欢迎投稿　欢迎刊登广告。