吸附劑對六氟化硫氣體中八氟丙烷的吸附特性研究

宋玉梅，劉 偉，朱 峰，楊 嫻，程 偉，劉子恩，袁小芳，徐霄筱

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

引言

六氟化硫（SF6）氣體因其優良的絕緣滅弧性能，被廣泛應用于高壓電氣設備中。但SF6氣體溫室效應是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。隨著國內外對SF6溫室氣體減排工作的重視，國網公司為適應國際環保要求，履行社會責任，一直致力于減少SF6等溫室氣體的使用和排放等相關技術的研究。目前全國已建立省（市）級六氟化硫處理中心，初步實現了現場六氟化硫氣體的回收、回充和凈化處理。

六氟化硫處理系統運行過程中，發現部分回收的SF6氣體中含有一定量的八氟丙烷雜質（C3F8氣體），而原有的凈化處理系統無法去除SF6氣體中C3F8氣體雜質，給SF6氣體的循環再利用工作帶來了很大的影響。國家標準GB/T 12022—2014《工業六氟化硫氣體》規定SF6氣體中C3F8氣體含量（質量分數）≤50×10‐6，采用現有六氟化硫處理系統處理后SF6氣體無法滿足國標GB/T 12022—2014要求，因此需要對SF6氣體中C3F8氣體雜質進行合適的凈化處理。目前對SF6氣體中雜質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分解產物的吸附影響已有大量的研究報道[4‐6]，設備中吸附劑的性能、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氣體雜質進行吸附處理，并開展了一系列的試驗，研究分析不同吸附劑吸附SF6中C3F8氣體雜質吸附效果。

1 試驗材料和儀器設備

（1）試驗腔體：高1.5 m的圓柱形密閉容器，材質為不銹鋼，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行預處理。

（3）抽真空設備：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氣體中雜質組分的定性和定量檢測。

（5）精密質量流量計：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定溫度和時間對吸附劑進行干燥，干燥后的吸附劑按照試驗設備充氣質量的10%稱重；

（2）將吸附劑充裝至試驗腔體內；

（3）連接管路：依次連接SF6氣體、質量流量計、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，調節流量，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，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。依據上述試驗步驟，開展上述幾種吸附劑吸附SF6氣體中C3F8雜質試驗，檢測結果見圖2。

圖2 不同分子篩吸附前后C3F8含量變化

由試驗結果看出，對于SF6氣體中的C3F8雜質，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

C3F8分子尺寸為0.74 nm。吸附劑‐1分子篩孔徑0.8 nm～1.0 nm，為籠狀結構，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圓環結構，三維交叉孔道，硅氧鍵變形較大，活性位酸性強，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，活性點數量多，但吸附強度弱。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 吸附試驗最優條件的研究

決定分子篩對SF6氣體中C3F8雜質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

由試驗結果看出，采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復合分子篩體系的吸附效果優于吸附劑‐1和吸附劑‐2，因此后續的吸附試驗均采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復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的質量比為1∶1，試驗結果見圖4。

圖4 不同分子篩用量吸附前后C3F8含量變化

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

4.2 環境溫度

為考察環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，試驗結果見圖5。

圖5 不同溫度下吸附前后C3F8含量變化

由試驗結果看出，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

由檢測結果看出，隨著吸附時間的增加，吸附效果隨之增強。但如果試驗時間過長，就會影響整個現場應用。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。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，再通過原有的吸附單元進一步處理。

4.6 待處理氣體純度

待處理氣體中雜質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復合分子篩吸附體系對不同雜質含量的SF6氣體處理能力，實驗室配制了一系列雜質濃度的SF6氣體，吸附前后雜質含量變化見圖8。

圖8 不同C3F8氣體雜質含量的吸附試驗結果

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

5 結論

通過一系列試驗，確定采用吸附劑‐1+吸附劑‐2復合分子篩吸附體系吸附SF6氣體中的八氟丙烷氣體雜質，其中復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復合分子篩吸附體系吸附八氟丙烷氣體試驗，環境溫度、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復合分子篩吸附體系處理不同C3F8氣體雜質含量的SF6氣體，處理后氣體滿足GB/T 12022—2014中對C3F8雜質含量的要求。