宋玉梅，劉 偉，朱 峰，楊 嫻，程 偉，劉子恩，袁小芳，徐霄筱

（1.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，合肥 230022；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230022）

引言

六氟化硫（SF6）氣體因其優(yōu)良的絕緣滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中。但SF6氣體溫室效應(yīng)是CO2的23 900多倍，在空氣中能夠存在3 200多年，是《京都議定書》禁止排放的6種溫室氣體之一。隨著國內(nèi)外對SF6溫室氣體減排工作的重視，國網(wǎng)公司為適應(yīng)國際環(huán)保要求，履行社會責(zé)任，一直致力于減少SF6等溫室氣體的使用和排放等相關(guān)技術(shù)的研究。目前全國已建立省（市）級六氟化硫處理中心，初步實現(xiàn)了現(xiàn)場六氟化硫氣體的回收、回充和凈化處理。

六氟化硫處理系統(tǒng)運行過程中，發(fā)現(xiàn)部分回收的SF6氣體中含有一定量的八氟丙烷雜質(zhì)（C3F8氣體），而原有的凈化處理系統(tǒng)無法去除SF6氣體中C3F8氣體雜質(zhì)，給SF6氣體的循環(huán)再利用工作帶來了很大的影響。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12022—2014《工業(yè)六氟化硫氣體》規(guī)定SF6氣體中C3F8氣體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≤50×10‐6，采用現(xiàn)有六氟化硫處理系統(tǒng)處理后SF6氣體無法滿足國標(biāo)GB/T 12022—2014要求，因此需要對SF6氣體中C3F8氣體雜質(zhì)進(jìn)行合適的凈化處理。目前對SF6氣體中雜質(zhì)的凈化處理方法主要有深冷分離[1]、吸附劑吸附處理[2,3]等。吸附處理是一種快速有效的方法，吸附劑對SF6分解產(chǎn)物的吸附影響已有大量的研究報道[4‐6]，設(shè)備中吸附劑的性能、使用方法、再生處理等也有深入的研究[7‐11]，因此本研究采用吸附劑對SF6中C3F8氣體雜質(zhì)進(jìn)行吸附處理，并開展了一系列的試驗，研究分析不同吸附劑吸附SF6中C3F8氣體雜質(zhì)吸附效果。

1 試驗材料和儀器設(shè)備

（1）試驗腔體：高1.5 m的圓柱形密閉容器，材質(zhì)為不銹鋼，上下開孔，用于充裝吸附劑、對管路抽真空、SF6氣體的檢測和回收。

（2）真空干燥箱：溫度范圍（50℃～250℃）±1℃，用于吸附劑預(yù)處理。真空包裝的吸附劑直接使用，非真空包裝的吸附劑通過真空干燥箱進(jìn)行預(yù)處理。

（3）抽真空設(shè)備：用于試驗管路的抽真空。

（4）六氟化硫氣相色譜儀GC 3560：用于檢測處理前后SF6氣體中雜質(zhì)組分的定性和定量檢測。

（5）精密質(zhì)量流量計：用于控制SF6氣體流量。

2 試驗步驟

（1）吸附劑干燥再生：需要對沒有真空包裝的吸附劑進(jìn)行干燥處理，將吸附劑放入真空干燥箱，按照吸附劑說明書設(shè)定溫度和時間對吸附劑進(jìn)行干燥，干燥后的吸附劑按照試驗設(shè)備充氣質(zhì)量的10%稱重；

（2）將吸附劑充裝至試驗腔體內(nèi)；

（3）連接管路：依次連接SF6氣體、質(zhì)量流量計、試驗腔體、六氟化硫氣相色譜儀；

（4）對管路抽真空；

（5）打開SF6氣體閥門，調(diào)節(jié)流量，氣體出口壓力0.1 MPa；

（6）定時取樣檢測出口氣體中雜質(zhì)組分的種類和含量。

試驗流程示意圖如圖1所示。

圖1 試驗流程

3 吸附劑的篩選試驗

為除去SF6氣體中的C3F8雜質(zhì)，對分子篩吸附劑‐1、吸附劑‐2、吸附劑‐3、MCM‐22、ZSM‐11、F‐03、ZA‐100、AA18開展吸附效果試驗。依據(jù)上述試驗步驟，開展上述幾種吸附劑吸附SF6氣體中C3F8雜質(zhì)試驗，檢測結(jié)果見圖2。

圖2 不同分子篩吸附前后C3F8含量變化

由試驗結(jié)果看出，對于SF6氣體中的C3F8雜質(zhì)，吸附效果依次為，吸附劑‐1＞吸附劑‐2＞吸附劑‐3＞ZA‐100＞ZSM‐11＞MCM‐22＞AA18＞F‐03，其中分子篩吸附劑‐1的吸附效果最好，吸附劑‐2次之，其他吸附劑的吸附效果較差。

不同分子篩的吸附效果，主要由分子篩的孔徑和比表面積決定。分子篩吸附劑‐1、吸附劑‐2和吸附劑‐3的基本參數(shù)信息見表1。

表1 分子篩吸附劑‐1、吸附劑‐2和吸附劑‐3的基本參數(shù)

C3F8分子尺寸為0.74 nm。吸附劑‐1分子篩孔徑0.8 nm～1.0 nm，為籠狀結(jié)構(gòu)，活性點密度大，活性點較多，活性點電荷不飽和程度高，孔道吸附牢固。吸附劑‐2分子篩孔徑0.55 nm～0.56 nm，孔徑為10圓環(huán)結(jié)構(gòu)，三維交叉孔道，硅氧鍵變形較大，活性位酸性強(qiáng)，活性位吸附牢固。而其他分子篩多為一維直孔道，硅氧鍵變形稍弱，活性點數(shù)量多，但吸附強(qiáng)度弱。因此分子篩吸附劑‐1和吸附劑‐2對C3F8有較好的吸附效果。

4 吸附試驗最優(yōu)條件的研究

決定分子篩對SF6氣體中C3F8雜質(zhì)組分吸附效果的影響因素較多，包括分子篩的種類和型號、分子篩的用量、環(huán)境溫度、氣體流速、吸附時間、分子篩位置以及待處理氣體的純度等。

4.1 分子篩的組成和用量

4.1.1 分子篩的組成

吸附劑‐1和吸附劑‐2兩種分子篩對C3F8都有較好的吸附效果，因此考察不同分子篩體系的吸附效果，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同分子篩體系吸附前后C3F8含量變化

由試驗結(jié)果看出，采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩體系的吸附效果優(yōu)于吸附劑‐1和吸附劑‐2，因此后續(xù)的吸附試驗均采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩作為最佳吸附體系。

4.1.2 分子篩的用量

理論上說，吸附劑含量越高，吸附效果越好。實際工況下，吸附質(zhì)與吸附劑用量的比有個最佳值。開展試驗驗證，其中吸附劑‐1、吸附劑‐2的質(zhì)量比為1∶1，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同分子篩用量吸附前后C3F8含量變化

由試驗結(jié)果看出，隨著吸附劑含量的增加，吸附效果隨之變好，當(dāng)吸附劑用量達(dá)到一定比例時，繼續(xù)增加分子篩用量，吸附效果變化不大。因此，本項目采用復(fù)合分子篩吸附劑‐1+吸附劑‐2的質(zhì)量為5 kg，其中吸附劑‐1和吸附劑‐2的含量均為2.5 kg。

4.2 環(huán)境溫度

為考察環(huán)境溫度對分子篩吸附效果的影響，開展了不同溫度下的吸附試驗，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同溫度下吸附前后C3F8含量變化

由試驗結(jié)果看出，隨著溫度的升高，吸附效果逐漸減弱。但若試驗溫度過低，則對試驗操作條件的要求較高，故采用常溫25℃作為最佳試驗溫度。

4.3 氣體流速

SF6氣體流速度對分子篩吸附效果影響較大，為考察氣體流速對吸附效果的影響特征，開展不同氣體流速下的試驗，檢測結(jié)果見圖6。

圖6 不同氣體流速下吸附前后C3F8含量變化

由試驗結(jié)果看出，隨著氣體流速的增加，分子篩的吸附效果逐漸減弱。但如果氣體流速過慢，對處理效率產(chǎn)生較大影響，因此本試驗選擇300 mL/min作為合適的氣體流速。

4.4 吸附時間

對于吸附試驗來說，吸附時間對吸附效果的影響至關(guān)重要。為考察吸附時間對吸附效果的影響特征，開展不同吸附時間的吸附試驗，檢測結(jié)果見圖7。

圖7 不同吸附時間吸附前后C3F8含量變化

由檢測結(jié)果看出，隨著吸附時間的增加，吸附效果隨之增強(qiáng)。但如果試驗時間過長，就會影響整個現(xiàn)場應(yīng)用。因此，本試驗中選擇30 min作為最佳吸附時間。

4.5 吸附劑位置

將分子篩用于SF6氣體凈化處理系統(tǒng)時，分子篩的位置對處理效果有較大的影響。如果將分子篩放在處理系統(tǒng)原有吸附單元的后端，可能會對處理后氣體的水分含量造成影響，使處理后氣體水分含量超標(biāo)。因此，本試驗將分子篩放置在原有吸附單元的前端，先去除SF6氣體中過量的八氟丙烷雜質(zhì)，再通過原有的吸附單元進(jìn)一步處理。

4.6 待處理氣體純度

待處理氣體中雜質(zhì)含量對分子篩的吸附效果影響較大，為考察試驗中吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩吸附體系對不同雜質(zhì)含量的SF6氣體處理能力，實驗室配制了一系列雜質(zhì)濃度的SF6氣體，吸附前后雜質(zhì)含量變化見圖8。

圖8 不同C3F8氣體雜質(zhì)含量的吸附試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果看出，采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩吸附體系處理不同雜質(zhì)含量的SF6氣體，吸附效果較好，處理后氣體滿足GB/T 12022—2014中對C3F8氣體雜質(zhì)含量的要求。

5 結(jié)論

通過一系列試驗，確定采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩吸附體系吸附SF6氣體中的八氟丙烷氣體雜質(zhì)，其中復(fù)合分子篩中各組分的比值為1∶1，即2.5 kg∶2.5 kg。對于吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩吸附體系吸附八氟丙烷氣體試驗，環(huán)境溫度、氣體流速、吸附時間對吸附效果有較大影響，初步試驗條件定為：試驗溫度25℃、氣體流速300 mL/min、吸附時間30 min。通過試驗證明：采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復(fù)合分子篩吸附體系處理不同C3F8氣體雜質(zhì)含量的SF6氣體，處理后氣體滿足GB/T 12022—2014中對C3F8雜質(zhì)含量的要求。