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)03-0033-04

Gas separation and recovery methods for

SF 6/N 2gas mixtures

W 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 membrane

1　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。