CN101757840A - 一种用于强温室气体sf6分解的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属废气处理技术领域，具体涉及一种将介质阻挡放电技术应用于温室气体SF₆分解的废气处理工艺技术。本发明通过介质阻挡放电反应池，利用双介质阻挡放电技术分解处理SF₆，所述的反应池采用纯石英材质，以直径大小不一的外管和内管石英管作为介质，外管上开有旁通支路，用于补充水气。内电极紧贴于内管内壁由不锈钢片卷成筒状，外电极由细长不锈钢条缠绕外管壁。被处理气体由内外石英管间隙通过，由于气体不直接接触气体，从而避免了电极腐蚀问题。该SF₆分解处理新工艺系统结构紧凑，能效高，处理效果好，具有很好的应用前景。

Description

一种用于强温室气体SF6分解的方法

技术领域

本发明属废气处理技术领域，涉及一种用于强温室气体SF₆分解的方法，具体涉及一种将介质阻挡放电技术应用于温室气体SF₆分解的废气处理工艺技术。

背景技术

六氟化硫(SF6)气体因其良好的绝缘和灭弧性能，自1953年被投入工业应用以来，逐渐被广泛用于工业绝缘设备，如全封闭组合电器GIS、高压断路器、气体绝缘变压器等电力设备中，据有关统计报道，其消费量占到全年SF₆总消费量达的80％。另外，SF₆还在半导体工业中用作刻蚀或辅助刻蚀气体，甚至作为大气污染物长距离扩散的示踪剂以及医用呼吸气的稀释气也被广泛使用。2003年六氟化硫年消耗量为8500t，而到2005年六氟化硫气体全球每年销售量大约一万吨，仅我国SF₆气体产量就达2500吨，其中每年电力行业的正常检修和补充泄露需要300吨，根据国家2005年制定的电力行业标准《DL/T941-2005运行中变压器用六氟化硫质量标准》，允许年漏气率为1‰，而渗漏的SF₆尚无法进行回收，从而导致大量的SF₆气体被直接排放或泄漏至大气环境中。

SF₆作为目前大气中GWP值最大的温室气体，大气寿命长达3200年，全球增温潜势(GWP100)达23900，1960年前他的大气本底值低于0.04ppt，但1998年时大气中含量已达4.7ppt，在四十年内浓度上升了两个数量级。SF₆在自然界中的源仅有萤石CaF₂通过放射化学反应产生，而主要人为源而同时除了放电作用以外，几乎不存在汇，因此积累作用将逐渐显著，有关监测结果显示，SF₆的本底值在北半球每年平均增加0.24-0.31ppt。由于六氟化硫显著的温室效应和在大气中明显的积累效应，它已经被确定为京都议定书优先控制的六种污染物之一。

SF₆的化学性质极为稳定，甚至O(¹D)或OH自由基都不能与之反应，因此使用化学氧化方法对SF₆进行降解极为困难。现有的降解SF₆的方法有热解、射频等离子体、燃烧法等方法。热解过程将SF₆与CaCO₃在1100℃以上进行反应从而转化为CaF₂，但耗能显著。而射频等离子体(RF)则是在负压环境中进行，难以工业应用，且存在电极腐蚀以及能耗大的缺点。燃烧法由于处理率高而成为较可靠的六氟化硫末端处理的方法，但燃烧法温度需要1000℃以上，能耗高，且产生的HF需要末端处理；另外，燃烧过程中难免产生NOx副产物和不完全燃烧产物，故燃烧法有其局限性。因此开发一种经济有效的SF₆治理技术已十分必要，也符合当前气体污染控制的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是克服现有废气处理技术的缺陷，提供一种用于强温室气体SF₆分解的方法，具体涉及一种将介质阻挡放电技术应用于温室气体SF₆分解的废气处理技术。

本发明采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)。

所述的介质阻挡放电是指将绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，整个放电由许多空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns量级。作为一种非平衡等离子体，由于其电极被介质阻隔，因此具有电极不易被腐蚀的特点。以在两个介质间发生的大量的微放电为特征，DBD可在很大的气压和频率范围内工作，其拥有较高的电子温度但实际气体温度接近室温。

介质阻挡放电化学反应过程中能量的传递大致如下：

(1).电场+电子→高能电子

(2).高能电子+SF₆(或H₂O)→SF_x+(6-x)F+H+OH等活性基团

(3).活性基团+活性基团→生成物+热

从以上过程可以看出，电子先从电场获得能量，通过激发或电离将能量转移到目标分子中去，那些获得能量的分子被激发或分解产生活性基团。然后这些活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。

所述的DBD在气态污染物治理方面具有较低的能量消耗以及较高的处理效率，在CS₂，SO₂废气处理方面也已投入工业应用，但应用于长寿命温室气体SF₆的处理方面尚无应用报道。

本发明通过介质阻挡放电反应池，利用介质阻挡放电技术处理SF₆，采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，简称DBD)。本发明技术其处SF₆的原理为：利用氟原子的强电负性和对电子的强捕获能力的特点，利用介质阻挡技术使气体放电产生大量携能电子(电子平均能量在1～10eV)，SF₆在高能电子的轰击下发生电离、解离或激发，并在H₂O参与反应下发生一系列复杂的物理、化学反应，最终使SF₆分解达到净化目的。

由于SF₆的SF₆各键的键能分别为：

而介质阻挡放电反应体系中电子的平均能量为5eV，因此当电子攻击SF₆时，其可逐步分解，过程可表示为以下的反应式，

e+SF₆→SF_x+(6-x)F+e    (x ≤5)          (1)

由于SF_x会与F碰撞重新生成SF₆，因此阻碍SF_x与F的复合反应也是提高SF₆降解的途径之一。为得到有利的降解条件，本发明外加水气阻碍SF_x与F的复合以促进SF₆的降解。

另外，水气放电可以生成OH自由基以及H原子，尽管OH自由基、H原子与SF₆不能直接反应，但可与等离子体中SF₆分解产生的SF₅、SF₄等发生反应：

SF₅+OH→SOF₄+HF                         (2)

SF₄+OH→SOF₃+HF                         (3)

SOF₃+OH→SO₂F₂+HF                       (4)

SF₅+H→SF₄+HF                           (5)

上述反应的发生有效的防止了SF₅与F的复合反应，使得H₂O(g)-SF₆体系中SF₆的降解更加明显。

本发明还采用喷淋石灰水的方法去除尾气中含有副产物HF。

本发明所述的反应池采用纯石英材质，以直径大小不一的两石英管作为介质，分别为外管介质和内管介质，外管上开有旁通支路，用于补充水气。内管外径为25mm，厚度2.0mm，长350mm；外管内径40mm，厚度2.0mm，长350mm；旁通支路管径20mm，厚度2.0mm，长100mm，配套无油活塞。内电极由长×宽＝300mm×100mm的不锈钢片(厚度δ＝0.4mm)卷成筒状，并紧贴于内管内壁作为内电极；外电极由长×宽＝1400mm×4mm的细长不锈钢条(厚度δ＝0.4mm)缠绕外管壁9圈作为外电极，圈与圈间的距离为3mm。反应池工作时，在内外电极之间施加6000～9000V脉冲电压，脉冲频率10～30kHz。被处理气体由内外石英管间隙通过，气体流速控制在3～5m/s。由于气体不直接接触气体，从而避免了电极腐蚀问题。该SF6分解处理新工艺系统结构紧凑，能效高，在处理难降解有机污染物方面，具有简单、成本低廉、效率高、处理效果好等优点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的介质阻挡放电反应池示意图，

其中，1.外加气体进口；2.无油活塞；3.反应气体；4.自制高压电源；5.外电极；6.内电极。

图2是本发明工艺技术路线示意图。

具体实施方式

实施例1

按本发明所述工艺技术路线，收集含SF₆气体后，先经过气体混合器，因此与外加的水气充分混合，SF₆与水气的浓度混合比例1∶1；然后进入介质阻挡放电反应池，在此利用高能电子的轰击作用，使SF₆发生脱氟反应，并进而发生一系列反应，使其转化为HF和其他含氟无害物质，HF的去除可通过喷淋Ca(OH)₂水溶液去除。结果显示，以SF₆与水气的浓度比为1∶1的废气为例，外加电压7000V、放电1小时，500mg的SF₆可分解完毕。合计处理每kg SF₆功耗为14kWh。

Claims (7)

1.一种用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于该方法通过介质阻挡放电反应池，利用介质阻挡放电技术分解处SF₆，采用的放电形式为双介质阻挡放电；所述的介质阻挡放电反应过程通过以下的反应式：

e+SF₆→SF_x+(6-x)F+e    (x≤5)        (1)

SF₅+OH→SOF₄+HF                      (2)

SF₄+OH→SOF₃+HF                      (3)

SOF₃+OH→SO₂F₂+HF                    (4)

SF₅+H→SF₄+HF                        (5)。

2.按权利要求1所述的用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于所述的介质阻挡放电反应池采用纯石英材质制作，以外管和内管石英管作为介质；内、外石英管间有间隙；外管上开有旁通支路，配套无油活塞；内管内壁贴有内电极，外管壁缠绕有外电极。

3.按权利要求1或2所述的用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于所述的介质阻挡放电反应池，其内管外径为25mm，厚度2.0mm，长350mm；外管内径40mm，厚度2.0mm，长350mm；旁通支路管径20mm，厚度2.0mm，长100mm，配套无油活塞。

4.按权利要求2所述的用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于所述的内电极采用不锈钢片制成卷筒状，长×宽＝300mm×100mm，厚度δ＝0.4mm。

5.按权利要求2所述的用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于所述的外电极采用不锈钢条缠绕与外管壁制成，长×宽＝1400mm×4mm，厚度δ＝0.4mm。9圈作为外电极，圈与圈间的距离为3mm。

6.按权利要求2所述的用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于所述的外电极不锈钢条的缠绕圈数为9圈，圈与圈间的距离为3mm。

7.按权利要求2所述的用于强温室气体SF₆分解的方法，其特征在于所述的介质阻挡放电分解SF₆的操作条件为：SF₆与水气的浓度混合比例1∶1，气体流速3～5m/s，内外电极之间施加6000～9000V脉冲电压，脉冲频率10～30kHz。