CN100489424C - 六氟化硫的气体回收 - Google Patents
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Abstract
一种用于从潜在受污染气体源回收可再次使用品级的六氟化硫(SF6)的系统和方法。所述系统包括连接到潜在受污染气体源的提取容器(10)。第一低温装置(15)使提取容器的温度降低到低于SF6的相变温度，引起压差，从而使潜在受污染气体进入提取容器(10)。SF6在提取容器(10)中转变为液体和/或固体形式。未冷凝污染气体从提取容器(10)排空。回收容器(22)连接至提取容器。第二低温装置(25)用于降低回收容器(22)的温度。升高提取容器(10)的温度产生压差，从而使可再次使用品级的SF6进入回收容器(22)。
Description
发明领域
本发明涉及从潜在受污染的气体源回收可再次使用品级的六氟化硫(SF6)的系统和方法。
发明背景
许多工业中的设备需要在六氟化硫(SF6)气体的气氛下运行。一个具体的工业是供电工业。SF6具有非常低的导电特性，因此其自身成为高度适合的绝缘气体，用于高压设备，例如电路断路器和变压器。大多数设备制造商规定，交付使用的设备必须使用新的SF6。工业标准规定与SF6共存的杂质的水平和类型，以满足可使用的SF6的限定。
新的SF6相对昂贵。此外，考虑到SF6对温室效应的潜在贡献，SF6具有严重的环境影响。这些环境影响增加了处理SF6和使SF6对大气的释放最小化的成本。
SF6的常规处理在高压设备使用寿命期间周期性进行。在设备维护、修理或停止使用之前必须从设备中移除SF6气体。这种处理会将另外的污染物引入到SF6中，例如空气、油和水。因此，移除的SF6可能不符合可用SF6的标准，并经常妨碍其再次使用。由于设备正常使用导致在移除的SF6中可能存在其它污染物。例如CF4可通过电弧形成。2004年十月出版的国际电工技术委员会IEC 60480，“Guild to thechecking and treatment of sulphur hexafluoride(SF6)taken from electricalequipment”提供有关各种类型杂质的可能来源，如下：
表1：SF6杂质源
IEC 60480还提供了在可再次使用SF6中可以存在的推荐最大污染物水平，如下：
表2：最大可接受的杂质水平
在气体泄漏的情况下，由于环境的问题，泄漏的气体被越来越多地被贮纳，直到它可以从容器中移除。但是，SF6在贮纳期间对大量的污染物是开放的。因此，从容器中移除的SF6可能不符合可用SF6的标准。
已知的SF6气体回收设备通常使用高压泵和大型储存容器。新近泵入贮纳容器中的气体体积相对较大。为了有效，泵必须具有高容量。但是这种适合于处理SF6的大容量泵是笨重并且昂贵的设备。必须防止SF6的一些分解产物化学侵蚀这种泵，并且气体在进入泵之前必须过滤并净化。此外，SF6气体回收倾向于花费大量时间，这是不理想的，特别是在气体泄漏的情况下。
本发明人的美国专利No.4,274,851公开了一种利用低温抽吸从高压设备回收气体的装置。发现低温抽吸是高容量泵设备的有效替代。但是，公开内容没有教导如何生产用于再次使用的足够纯形式的SF6。
本发明的目的是提供用于回收可再次使用品级的SF6的系统和方法，所述可再次使用品级的六氟化硫(SF6)具有满足IEC 60480的纯度标准。本发明的另一个目的是提供从电气设备快速提取SF6的装置，例如利用对SF6分解产物的化学侵蚀不敏感并且允许在稍后的时间和地点进行后续纯化的设备。本发明的又一个目的是提供不需要高容量泵设备的SF6回收。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于从包括六氟化硫的潜在受污染气体源回收可再次使用品级的六氟化硫的系统，所述系统包括：
至少一个包括气体进口和气体出口的提取容器，所述气体进口适合连接所述潜在受污染气体源；
第一低温装置，用于将所述至少一个提取容器的温度降低到低于六氟化硫气体的相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个提取容器中的压力小于潜在受污染气体源的压力，由此使所述潜在受污染气体经所述气体进口进入所述至少一个提取容器，包含在所述潜在受污染气体中的六氟化硫在所述至少一个提取容器中变成液体和/或固体形式；
排空装置，用于将所有未冷凝污染物气体从所述至少一个提取容器中经所述气体出口排空，同时所述至少一个提取容器处于所述低温降低的温度下；
使所述至少一个提取容器的温度升高的装置，用于在排空所述未冷凝气体之后，将所述至少一个提取容器的温度从所述低温降低的温度基本升高到露点温度，其中在所述露点温度下，可再次使用品级的六氟化硫气体存在子所述至少一个提取容器中并且所有可冷凝污染物为液体和/或固体形式，其中温度基本升高至露点温度使得所述至少一个提取容器中的压力升高；
至少一个回收容器，包括适合连接所述至少一个提取容器的所述气体出口的气体进口；和
第二低温装置，用于使所述至少一个回收容器的温度降低到低于六氟化硫相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个回收容器中的压力小于当基本处于所述露点温度下时所述至少一个提取容器中的压力，其中所述至少一个回收容器的气体进口和所述至少一个提取容器的气体出口的连接允许所述可再次使用品级的六氟化硫进入所述至少一个回收容器。
根据本发明的第二方面，提供一种用于从包括六氟化硫的潜在受污染气体源回收可再次使用品级的六氟化硫的方法，所述方法包括以下步骤：
将至少一个提取容器的温度低温降低到低于六氟化硫气体的相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个提取容器中的压力小于潜在受污染气体源的压力；
将所述至少一个提取容器和潜在受污染气体源流体连接，并且由于所述至少一个提取容器和潜在受污染气体源之间的压差，而允许所述潜在受污染气体进入所述至少一个提取容器，包含在所述潜在受污染气体中的六氟化硫在所述至少一个提取容器中变成液体和/或固体形式；
将所有未冷凝污染物气体从所述至少一个提取容器中排空，同时所述至少一个提取容器处于所述低温降低的温度下；
将所述至少一个提取容器的温度从所述低温降低的温度基本升高到露点温度，其中在所述露点温度下，可再次使用品级的六氟化硫气体存在于所述至少一个提取容器中并且所有可冷凝污染物为液体和/或固体形式，其中温度基本升高至露点温度使得所述至少一个提取容器中的压力升高；
使所述至少一个回收容器的温度低温降低到低于六氟化硫气体的相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个回收容器中的压力小于当基本处于所述露点温度下时所述至少一个提取容器中的压力；和
使所述至少一个回收容器和所述至少一个提取容器流体连接，并且由于所述至少一个回收容器和所述至少一个提取容器之间的压差，而允许所述可再次使用品级的六氟化硫气体进入所述至少一个回收容器。
本发明有利地提供可再次使用品级的SF6有效回收。可以方便地利用可现场组装的模块排列的设备来具体实施本发明。回收的SF6可以方便地储存以备后用。
附图说明
从下文结合附图对优选实施方案的说明中，本发明的其他特征和方面将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明优选实施方案的系统的示意图；
图2a和2b是根据本发明优选实施方案的大型提取模块的可选配置的示意图。
优选实施方案的说明
根据本发明的优选实施方案，提供一种用于从潜在受污染的气体源回收可再次使用品级SF6的系统。该系统采用两个低温抽吸步骤。第一低温抽吸步骤从潜在受污染气体源抽吸潜在受污染气体。所述源可以是在SF6气氛下运行的一件设备、例如高压电路断路器或变压器，或者所述源可以是贮纳量的泄漏SF6。第二低温抽吸步骤用于回收可再次使用品级的SF6。
图1示出回收系统的一个优选实施方案。该系统由多个模块组件组成，当需要所述系统时所述模块组件容易组装，当不需要所述系统时所述模块组件容易拆卸。当不需要所述系统时，系统的多个模块组件提供了储藏的方便，这意味着这种系统可以方便地保持在现场。但是，应该理解的是，固定设备同样也是可以的。
系统的气体进口1具有适合于连接容纳SF6的电气设备的气体出口的接头。进口1包括用于隔离目的的调节阀2并且连接在柔性软管3上。
软管3如图所示连接包括阀和样品罐的采样模块6。在第一低温抽吸步骤期间，提取气体的样品通过打开样品罐阀并关闭除阀2之外的所有阀而获得。当已获得样品时，可以关闭样品罐阀并且允许潜在受污染的气体直接流向提取模块9。当气体提取完成时，可以在后面的阶段中断开密封的样品罐6。
如果在系统的进口处采样不是所需步骤，则可以组装没有采样模块6的系统。软管3可以直接连接提取模块9。
在图1中，提取模块9如图所示包括具有相关压力计的单罐(容器)10。普通罐尺寸包括10、25和50kg容量的罐，这些罐本身的质量约等于它们所能容纳的气体质量。但是，当要提取大量气体时，提取模块9将需要更大的容量。图2a和2b示出提取模块9的可选配置，其中通过轭状物(yolk)26将多个罐10连接在一起。在该可可选配置中，每一个罐10的阀被转向相同的设置。应该理解的是，该可选配置的模块特性将允许根据需要组装成各种构型。试验表明，对许多应用而言，高达400kg的提取组件(八个相连的50kg罐)具有足够的实用容量并符合功能期望。
为了启动潜在受污染气体的提取，即第一低温抽吸步骤，将提取模块9的罐10浸入液氮浴15中。液氮使提取罐10的温度降低到非常低的温度，在该温度下将使SF6在提取罐10的内部冷凝。提取罐10内部的压力下降，由此在提取模块和潜在受污染气体源之间产生非常强的抽吸效应，并使潜在受污染气体从其源流入提取模块9中。
当提取过程完成时，每一个罐10中的压力将小于约0.1kPa(约1Torr)，这取决于提取所允许的时间以及作为杂质存在的不可冷凝气体(例如空气)的量。
如果在提取潜在受污染气体之后不需要立即回收SF6，则过程可以在此时中止。可以密封提取模块9，或者可以密封每一个罐10，然后与系统断开并储存，直到以后需要回收处理为止。在泄漏情况下，对高压设备的其他维护工作可能更优先于实际的回收处理。
优选的是，当提取过程完成时，接着利用系统进行可再次使用的SF6的后续回收。回收过程中的第一步是从提取模块9和罐10中移除未冷凝的污染物(例如空气和CF4)。参考图1，阀16、17和采样罐6的阀关闭。阀18、19和24打开并且将真空泵20连接到阀24。然后将未冷凝的污染物泵出提取模块9和罐10，在罐10中留下冷凝的SF6以及所有的冷凝污染物。
对于安装在极冷气候下的高压设备，已经发现一种有利的实践，即将大量的CF4和SF6混合以符合高压电气应用的要求。可利用在部分蒸馏技术应用中的CF4饱和蒸汽特性来单独回收以上移除的所有CF4，以重复使用。
当已经移除未冷凝的污染物时，可以开始第二低温抽吸步骤，将可再次使用品级的SF6回收到回收模块21中。在图1中，回收模块21包括具有相关压力计23的单个罐(容器)22。但是，与提取模块9类似，回收模块21可以是多个连接在一起的罐。
为了开始第二低温抽吸步骤，将提取罐10从液氮浴15中移出并将回收模块罐22浸入其液氮浴25中。实际上，虽然较不方便，但是可仅使用一个液氮浴。
当将提取罐10从其液氮浴15中移出时，由于环境温度加热使其温度升高，使得提取罐10中的压力将升高。可以使用附加的加热装置，没有示出，以加速加热速率。
由于在提取模块9中仅存在可冷凝蒸气，因而提取罐10中的压力可以用作其温度的指示。当提取罐10中的压力达到约830kPa时，提取罐10的内容物将具有约-16℃的露点温度.在该露点温度下，转移的SF6将为气态形式并且仅少量的冷凝污染物(例如水和油)将处于蒸气形式。已经发现根据IEC 60480的露点要求，这是可再次使用品级的SF6气体。此外，当提取罐10中的压力达到约350kPa时，提取罐10的内容物将具有约-40℃的露点温度。利用低温技术的最小实际露点是约-70℃，这超过了对新气体的规定值并且容易实现。
在提取罐10中保持该压力并连接回收模块21，同时将罐22浸入其液氮浴25中，这将在提取罐10和回收模块罐22之间产生抽吸效应，使可再次使用品级的SF6气体流入回收模块21中。参考图1，可以通过关闭系统中除阀18之外的所有阀来引导该流。但是，任选地，可以通过打开阀16和17而不是18，来引导该流经过化学过滤模块27，以从气体流中去除另外的化学活性污染物。化学过滤模块27优选使用已知的化学过滤装置，例如在IEC 60480中所推荐的那些。
如果需要输出采样，即为了测试回收的SF6的纯度，可以在回收模块21和化学过滤模块27之间连接采样模块6。
应该理解的是，可以对上述系统的形式进行许多修改，而这种修改将落入所附权利要求的范围内。例如，可以使用替代液氮的冷却剂，以提供适当的低温。同样，可以使用提供适当低温的其他冷却装置，而不是冷却剂浴。根据存在的污染物量和类型或者在给定情况下预期存在的污染物量和类型，可以在系统内包含其他过滤模块或替代的过滤模块。
Claims (32)
1.一种用于从包括六氟化硫的潜在受污染气体源回收可再次使用品级的六氟化硫的系统，所述系统包括：
至少一个提取容器，其包括气体进口和气体出口，所述气体进口适合连接所述潜在受污染气体源；
第一低温装置，用于将所述至少一个提取容器的温度降低到低于六氟化硫气体的相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个提取容器中的压力小于潜在受污染气体源的压力，由此使所述潜在受污染气体经所述气体进口进入所述至少一个提取容器，包含在所述潜在受污染气体中的六氟化硫在所述至少一个提取容器中变成液体和/或固体形式；
排空装置，用于将所有未冷凝污染物气体从所述至少一个提取容器中经所述气体出口排空，同时所述至少一个提取容器处于所述低温降低的温度下；
使所述至少一个提取容器的温度升高的装置，用于在排空所述未冷凝气体之后，使所述至少一个提取容器的温度从所述低温降低的温度基本升高到露点温度，其中在所述露点温度下，可再次使用品级的六氟化硫气体存在于所述至少一个提取容器中并且所有可冷凝污染物为液体和/或固体形式，其中温度基本升高至露点温度使得所述至少一个提取容器中的压力升高；
至少一个回收容器，包括适合连接所述至少一个提取容器的所述气体出口的气体进口；和
第二低温装置，用于使所述至少一个回收容器的温度降低到低于六氟化硫相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个回收容器中的压力小于当基本处于所述露点温度下时所述至少一个提取容器中的压力，其中所述至少一个回收容器的气体进口和所述至少一个提取容器的气体出口的连接允许所述可再次使用品级的六氟化硫进入所述至少一个回收容器。
2.根据权利要求1的系统，其中所述第一低温装置是液氮浴，所述至少一个提取容器浸入其中。
3.根据权利要求1的系统，其中所述第二低温装置是液氮浴，所述至少一个回收容器浸入其中。
4.根据权利要求2的系统，其中所述第二低温装置是液氮浴，所述至少一个回收容器浸入其中。
5.根据权利要求4的系统，其中所述第一和第二低温装置是单个液氮浴的一部分。
6.根据权利要求1的系统，其中所述排空装置包括真空泵。
7.根据权利要求1的系统，还包括用于捕集所述排空的未冷凝污染物气体的储存容器。
8.根据权利要求1的系统，其中所述排空的未冷凝污染物气体包括四氟化碳，所述系统还包括用于从所述排空的未冷凝污染物气体中提取所述四氟化碳的装置。
9.根据权利要求8的系统，其中所述用于从所述排空的未冷凝污染物气体中提取所述四氟化碳的装置采用部分蒸馏技术。
10.根据权利要求1的系统，其中所述用于使所述至少一个提取容器的温度升高的装置包括加热装置。
11.根据权利要求2的系统，其中所述用于使所述至少一个提取容器的温度升高的装置包括用于将所述至少一个提取容器从所述液氮浴中移出的装置。
12.根据权利要求1-11中任一项的系统，还包括采样装置，其位于所述潜在受污染气体源和所述至少一个提取容器的气体进口之间，用于在所述潜在受污染气体进入所述至少一个提取容器的同时选择性收集所述潜在受污染气体的样品。
13.根据权利要求1-11中任一项的系统，还包括化学过滤装置，其位于所述至少一个提取容器的气体进口和所述至少一个回收容器的气体进口之间，用于在所述可再次使用品级的六氟化硫从所述至少一个提取容器进入所述至少一个回收容器的同时从所述可再次使用品级的六氟化硫中选择性进一步移除杂质。
14.根据权利要求1-11中任一项的系统，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个提取容器中的压力基本为0.1kPa。
15.根据权利要求中1-11任一项的系统，其中所述露点温度为约-40℃，并且基本处于所述露点温度下的所述至少一个提取容器中的压力为约350kPa。
16.根据权利要求2-7中任一项的系统，其中所述排空的未冷凝污染物气体包括四氟化碳，所述系统还包括用于从所述排空的未冷凝污染物气体中提取所述四氟化碳的装置。
17.根据权利要求12的系统，还包括化学过滤装置，其位于所述至少一个提取容器的气体进口和所述至少一个回收容器的气体进口之间，用于在所述可再次使用品级的六氟化硫从所述至少一个提取容器进入所述至少一个回收容器的同时从所述可再次使用品级的六氟化硫中选择性进一步移除杂质。
18.一种用于从包括六氟化硫的潜在受污染气体源回收可再次使用品级的六氟化硫的方法，所述方法包括以下步骤：
将至少一个提取容器的温度低温降低到低于六氟化硫气体的相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个提取容器中的压力小于潜在受污染气体源的压力；
将所述至少一个提取容器和潜在受污染气体源流体连接，并且由于所述至少一个提取容器和潜在受污染气体源之间的压差，而允许所述潜在受污染气体进入所述至少一个提取容器，包含在所述潜在受污染气体中的六氟化硫在所述至少一个提取容器中变成液体和/或固体形式；
将所有未冷凝污染物气体从所述至少一个提取容器中排空，同时所述至少一个提取容器处于所述低温降低的温度下；
将所述至少一个提取容器的温度从所述低温降低的温度基本升高到露点温度，其中在所述露点温度下，可再次使用品级的六氟化硫气体存在于所述至少一个提取容器中并且所有可冷凝污染物为液体和/或固体形式，其中温度基本升高至露点温度使得所述至少一个提取容器中的压力升高；
使所述至少一个回收容器的温度低温降低到低于六氟化硫气体的相变温度，其中在所述低温降低的温度下，所述至少一个回收容器中的压力小于当基本处于所述露点温度下时所述至少一个提取容器中的压力；和
使所述至少一个回收容器和所述至少一个提取容器流体连接，并且由于所述至少一个回收容器和所述至少一个提取容器之间的压差，而允许所述可再次使用品级的六氟化硫气体进入所述至少一个回收容器。
19.根据权利要求18的方法，其中所述低温降低所述至少一个提取容器的温度的步骤包括将所述至少一个提取容器浸入液氮浴中。
20.根据权利要求18的方法，其中所述低温降低所述至少一个回收容器的温度的步骤包括将所述至少一个回收容器浸入液氮浴中。
21.根据权利要求19的方法，其中所述低温降低所述至少一个回收容器的温度的步骤包括将所述至少一个回收容器浸入液氮浴中。
22.根据权利要求21的方法，其中同一液氮浴被用于所述至少一个提取容器和所述至少一个回收容器。
23.根据权利要求18的方法，其中所述排空步骤包括从所述至少一个提取容器中真空抽吸所有未冷凝污染物气体。
24.根据权利要求18的方法，还包括捕集所有排空的未冷凝污染物气体来储存。
25.根据权利要求18的方法，其中所述排空的未冷凝污染物气体包括四氟化碳，所述方法还包括从所述排空的未冷凝污染物气体中提取所述四氟化碳。
26.根据权利要求25的方法，其中所述从所述排空的未冷凝污染物气体中提取所述四氟化碳的步骤采用部分蒸馏技术来实施。
27.根据前述权利要求18的方法，其中所述使所述至少一个提取容器的温度升高的步骤包括使用加热装置。
28.根据权利要求19的方法，其中所述使所述至少一个提取容器的温度升高的步骤包括将所述至少一个提取容器从所述液氮浴中移出。
29.根据前述权利要求18-28中任一项的方法，还包括在所述潜在受污染气体进入所述至少一个提取容器的同时，收集所述潜在受污染气体样品的步骤。
30.根据前述权利要求18-28中任一项的方法，还包括在所述六氟化硫气体进入所述至少一个回收容器的同时，化学过滤所述可再次使用品级的六氟化硫气体的步骤。
31.根据权利要求19-24中任一项的方法，其中所述排空的未冷凝污染物气体包括四氟化碳，所述方法还包括从所述排空的未冷凝污染物气体中提取所述四氟化碳。
32.根据前述权利要求29的方法，还包括在所述六氟化硫气体进入所述至少一个回收容器的同时，化学过滤所述可再次使用品级的六氟化硫气体的步骤。
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