氨氣可有效提高六氟化硫的降解率

2021-01-15 電氣新科技

武漢大學電氣與自動化學院、湖北工業大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室、輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)的研究人員李亞龍、張曉星、崔兆侖、肖焓豔、張國治,在2019年第24期《電工技術學報》上撰文(論文題目為「NH3對DBD降解SF6影響的試驗研究」)指出,NH3能夠促進SF6分解,提高SF6的降解率和降解效率。

隨著SF6在電力工業中的大量使用,氣體絕緣設備產生的SF6廢氣急劇增加,未經處理的SF6廢氣會對環境產生嚴重影響,因此對SF6進行處理就顯得尤為重要。本文基於介質阻擋放電(DBD)等離子體技術在NH3的協同作用下對SF6進行降解處理。其中,NH3和SF6的體積分數比為1:1時具有最好的協同促進作用,90W輸入功率下可以使體積分數為2%的SF6在50mL/min的流速下降解率達到97.5%;同時NH3參與下也會使SF6分解更加徹底,析出固態S單質、[NH4]2SO4、NH4F和NH4HF2;氣體產物主要有SiF4、SiH4、SO2F2、SO2、SOF4、SOF2、S2F10、SF4及氮氧化物(NOx)等。

SF6因其優良的絕緣和滅弧性能備受電力行業青睞,近年來得到了廣泛的應用。同時,SF6具有穩定的化學性質,不易與其他物質發生反應,排放到大氣的SF6大約需要3200年才能發生自然分解。SF6因其高溫室效應潛在值(Global Warming Potential,GWP)在1997年的《京都議定書》中被列為溫室氣體行列,因近年來由於SF6氣體在電力行業中大量使用,大氣中的SF6氣體含量急劇上升,對環境的影響也逐漸顯現出來,因此,對廢棄的SF6氣體進行處理就顯得尤為重要。

國內外學者針對SF6的處理進行了大量研究,目前的處理方式主要有回收循環再利用、光降解、熱分解、等離子體降解等。其中回收循環再利用法主要是用回收裝置將SF6氣體壓縮到儲氣罐中,然後通過一系列淨化處理後才能被再次使用,回收裝置價格昂貴且回收處理後的SF6氣體無法達到新氣的標準。

光降解主要採用苯乙烯、polyisoprene等光敏材料,在陽光或紫外光照射下與SF6發生反應,實現分解。光解的產物一般無毒,但是反應時間較長,處理效率較低。熱降解主要是用金屬氧化物和金屬磷酸鹽等材料,在800~1200K的高溫條件下對SF6實現熱分解,SF6經過熱分解主要產生SO2、SO3、SO2F2和SiF4等產物,熱分解的產物相對可控,但是需要的溫度條件比較高,並且處理速度相對緩慢。

等離子體降解法主要利用等離子體區域中的活性物質與SF6分子作用,使其化學鍵斷裂形成小的粒子碎片,並與其他粒子結合成穩定的化合物達到降解SF6的目的。常用的等離子體有射頻(Radio Frequency,RF)等離子體、微波(microwave)等離子體、介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)等離子體等。

其中,微波放電和射頻放電可以在放電環境內產生熱等離子體,在短時間內可以對大量SF6進行分解,但是其設備相對複雜,且放電環境具有一定危險性,不太適合工業領域應用。近年來,介質阻擋放電作為一種低溫等離子體放電,因其具有放電結構簡單、放電密度大等特點,被廣泛運用於VOCs等工業廢氣的處理中。

How等在2004年採用DBD放電對SF6進行分解處理,並研究了外加O2、H2O、C2H4對降解率的影響。Zhuang等在2014年改進了DBD放電反應器的結構,提高了SF6處理的效率。Zhang等研究了DBD放電處理SF6、CF4和SF5CF3三種氣體,分析了載氣類型和溼度對降解過程的影響。但目前關於NH3對DBD等離子體降解SF6的研究尚未見報導。

圖1 試驗平臺示意圖
圖2 DBD等離子體降解裝置簡化圖
圖3 不同體積分數NH3對SF6降解率的影響
圖4 不同體積分數NH3參與降解時能效

結論

NH3作為一種還原性氣體,在降解SF6的過程中加入NH3,能夠在放電區域內與SF6的初級降解產物結合,有效地阻斷SF6初級分解產物複合生成SF6的過程。利用上述原理,本文設計了一套NH3協同DBD等離子體降解SF6的試驗平臺,研究了NH3對SF6降解率的影響。試驗現象表明,NH3在參與SF6的降解過程中能有效提高SF6的降解率,並在反應器壁上析出白色晶體和黃色固體。

1)NH3對SF6的分解有促進作用,極大地提高SF6的降解率。其中,體積分數為2%的NH3參與下對體積分數為2%的SF6促進效果最好,在50mL/min流速下,輸入功率為90W時降解率達到了97.5%,能量效率也最高。

2)NH3參與下使SF6降解更加徹底,能夠把硫元素還原為硫單質。研究中產生的固體析出物檢測結果表明固體中含有NH4F、NH4HF、[NH4]2SO4和S單質。

3)NH3參與下使SF6降解產物也更加複雜,對於調控分解產物的生成速率起很大作用。氣體產物主要有SiF4、SiH4、SO2F2、SO2、SOF4、SOF2、S2F10、SF4以及氮氧化物(NOx)等。

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