CN113082952A - 一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置及处理方法，包括螺旋电极喷枪，螺旋电极喷枪通过其尾部的电缆连接有主机；电缆中含有高压线、接地线和喷枪进气管，用于向螺旋电极喷枪内的反应器提供高频电压和通入六氟化硫气体；螺旋电极喷枪内的高压电极和接地电极之间发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体，六氟化硫气体在放电区域内与等离子体发生碰撞而被电离分解；螺旋电极喷枪的前端连接有石英管，石英管的另一端连接有碱液吸收池，用于对六氟化硫的分解尾气中的有毒酸性气体进行吸收。本发明能解决目前阶段对六氟化硫气体只回收不降解或降解六氟化硫气体处理量低、降解率低，且没有尾气收集装置等技术问题。

Description

一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置及方法
技术领域
本发明涉及六氟化硫降解的技术领域，尤其涉及一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，同时还涉及一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理方法。
背景技术
六氟化硫(Sulfur Hexafluoride，SF6)气体在常温常态下是一种惰性气体，其物化性质稳定，无色、无味、无毒、无腐蚀性、微溶于水、不可燃，密度大约是空气的5倍。SF6是一种无极性、电负性非常强的分子，其在常压下的电绝缘性能是空气、N2的2.5倍以上，且灭弧性能是空气的100倍左右，因此SF6成为了一种被广泛使用的绝缘介质。并且随着近些年来气体绝缘组合电器(GIS)的迅速发展，SF6气体成为在电力行业中一种不可或缺的绝缘介质，广泛应用在电气开关设备或变压器中。目前，SF6气体的80％左右都是被使用在电力行业中。剩下的20％左右被应用在材料刻蚀或光纤制备等行业，用作保护或隔离的作用。
但随着SF6正式进入工业领域后，SF6在大气中的浓度每年呈指数增长，并且每年还在以大约0.28×10-12L/L的速度在增长，由于人类的活动已经导致了大气中SF6的浓度逐年增加了。同时，根据研究得出，SF6气体的温室效应潜在值(Global Warming Potential，GWP)大约是CO2的23500倍，因为其物化性质十分稳定，在大气中被完全降解需要很长的时间。且随着时间推移，大气中每年积累的SF6气体已经达到了将会对全球的气候产生不可估量的影响的程度。如果不对使用后的SF6进行处理，对全球气候造成不可逆转的后果。
现有已知的SF6降解处理装置，例如2016年5月18日公告号为CN104482400B的“一种便携式SF6气体回收装置”，2016年6月8日公告号为CN104763874B的“SF6气体回收系统”等等专利，主要是针对六氟化硫气体进行回收和储存，没有彻底解决六氟化硫废气的排放问题。
关于对于六氟化硫气体的降解处理方法的研究，复旦大学的沈燕等人于2007年5月15日在《环境化学》发表的“介质阻挡放电降解SF6的研究”该研究使用玻璃管反应器，玻璃管充当放电绝缘介质，在此放电条件下，对58mL的六氟化硫进行了降解，10分钟可以降解80％左右的六氟化硫气体。现阶段对六氟化硫气体的降解处理方法的研究，主要有张晓星等人于2021年1月在《电工技术学报》发表的“不同填充材料对于介质阻挡放电降解SF6”的实验研究，该方法也是基于介质阻挡放电产生等离子体，实现对SF6气体的降解，但这种处理方法六氟化硫气体浓度要求必须保持在一定浓度下，且气体流速也得保持在一定数值下，限制较多，仍需进行改进。
发明内容
基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是在于提供一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置及方法，以解决目前阶段对六氟化硫气体只回收不降解或降解六氟化硫气体处理量低、降解率低，且没有尾气收集装置等技术问题。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
本发明公开了一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，包括螺旋电极喷枪，所述螺旋电极喷枪通过其尾部的电缆连接有主机；所述电缆中含有高压线、接地线和喷枪进气管，用于向所述螺旋电极喷枪内的反应器提供高频电压和通入六氟化硫气体；在高频电压的作用下，所述螺旋电极喷枪内的反应器的高压电极和接地电极之间发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体，六氟化硫气体在放电区域内与等离子体发生碰撞而被电离分解；所述螺旋电极喷枪的前端连接有石英管，所述石英管内设有钛合金螺旋电极，由所述螺旋电极喷枪喷出的气流形成的电弧在所述钛合金螺旋电极上逐渐延伸；所述石英管远离所述螺旋电极喷枪的另一端连接有碱液吸收池，用于对六氟化硫的分解尾气中的有毒酸性气体进行吸收。
优选的，所述石英管内还设有催化剂，用于对六氟化硫的分解尾气进行吸收并与分解尾气的活性物质反应。
进一步的，所述主机内设有流量计，其两端分别与主机上的气源输入接口和气源输出接口相连，用于使六氟化硫气体保持一定流量进入所述螺旋电极喷枪中。
进一步的，所述气源输出接口与所述电缆中的喷枪进气管连接，所述六氟化硫气体由所述气源输入接口进入到所述流量计中。
可选的，六氟化硫气体进入所述螺旋电极喷枪前，在六氟化硫气体中混入Ar气体，用于对六氟化硫气体进行稀释。
进一步的，所述主机上设有功率调节面板、高压交流电源开关、地线接地柱、喷头高压输出接线盒、高压交流电源输入插座；所述功率调节面板上设有功率调节按钮UP和功率调节按钮DOWN，用于调节放电区域的功率；所述电缆中的高压线与所述喷头高压输出接线盒连接，电缆中的接地线所述地线接地柱连接；所述高压交流电源输入插座通过电源线连接220V的工频单相电。
可选的，所述碱液吸收池的出气口设置有两个出气支路，第一出气支路通过电磁阀与大气相连，第二出气支路依次通过电磁阀、空气压缩机，进入钢瓶内。
另外，本发明的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理方法，其步骤为：
S1、在降解开始之前，六氟化硫气体气源和Ar气体气源开启，通过调节流量计，使六氟化硫气体和Ar气体混合气进入主机内，保持一定流量进入螺旋电极喷枪中；
S2、待流量稳定后，打开高压交流电源开关，启动电源，螺旋电极喷枪内高压电极和接地电极之间发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体；六氟化硫气体和Ar气体混合气从电缆中进入放电区域，六氟化硫气体会在等离子体的作用下被破坏和降解，同时，由于进入放电区域的气体带有一定的流速，经过等离子体放电区域后，会将等离子体也带出，形成一道电弧；
S3、放电区域的功率可以通过主机上的功率调节按钮UP和功率调节按钮DOWN进行调节，且输出功率根据石英管中的电弧长度进行判断，电弧越长，输出功率越大，反应越剧烈；
S4、反应过程中，螺旋电极喷枪喷出的气流形成的电弧会逐渐延伸，当电压源提供的功率不足以维持电弧进一步拉伸后，电弧通道会迅速消失，而放电会在高压电极和接地电极之间最短处重新形成，并且不断重复；由于放电弧随着气流在钛合金螺旋电极上快速移动，有效减弱放电电弧对钛合金螺旋电极的烧灼和侵蚀；
S5、六氟化硫的分解气体随着气流导出，顺着石英管流出，由于电弧内部温度较高，分解尾气的内部气体分子活动剧烈，会重新复原成六氟化硫气体分子；在石英管中存放催化剂，对分解尾气进行初步吸收，避免了六氟化硫气体分子的复原，并能够与放电后分解气体的活性物质反应，向理想产物转化；
S6、六氟化硫的分解气体顺着石英管，从硬管接头连接的气管进入碱液吸收池中，在碱液吸收池中，六氟化硫的分解尾气中的有毒酸性气体会与碱性溶液反应中和，吸收后的气体可以进行储存或者检测，完成六氟化硫的降解；
S7、经过碱液吸收池吸收后的尾气可以通过空气压缩机压缩进钢瓶，进行FTIR、GCMS分析，或进行再利用；也可以在降解到符合环境要求后，直接排入大气中。
由上，本发明的高频交流电压源通过电缆内的高压线和接地线与螺旋电极喷枪内部的反应器相连，在喷枪内部的反应器施加高频电压，产生密集的等离子体，将六氟化硫以及相关气体以高速通入反应器内，六氟化硫气体在等离子体区域内会发生碰撞电离而导致分解；在高速气流推动下，电弧开始沿着螺旋电极顺着气流滑动，电弧也随之拉长，等离子体区域随之拉长，反应的剧烈程度提高，降解率也随之提高。六氟化硫的分解气体随气流导出，顺着石英管流入碱液吸收池中，在碱液吸收池内，六氟化硫有毒酸性分解气体会与碱性溶液反应，吸收后的气体可以进行储存或者检测，完成六氟化硫的降解。
此间，螺旋电极喷枪喷出的气流形成的电弧呈现出动态，当交流电源提供功率不足以让电弧更进一步拉伸时，电弧通道会熄灭，放电将高压电极和地电极之间的最短处重新形成，并且不断重复。由于滑动弧的放电弧随着气流在螺旋电极上快速移动，有效地减弱了电弧对电极的烧灼和侵蚀，因此不需要水冷装置也可以保持较长使用寿命。
另外，本发明的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置至少具有如下有益效果：
1、本设备采用了滑动弧放电来进行六氟化硫气体的降解和处理，相较于以往的降解设备，提高能效，能够明显提高降解效率。
2、本发明可以通过控制主机正面面板上的功率调节按钮，来调节滑动弧放电的剧烈程度；还可以通过调节主机背面的气体流量调节旋钮，调节滑动弧的长度，提高降解效率。
3、将流量计和高压交流电源整合在一起，相比于以往没有进行流量控制或者单独采用流量计控制来说，更加具有稳定性和便携性。
4、本发明相比于介质阻挡放电型降解设备，将进气管和供电线路通过一条电缆整合在一起，提高了设备的便携性。
5、本发明具有降解六氟化硫气体的功能，但也可以应用于处理其他的混合废气。
6、本发明能够在石英管内加入催化剂，进一步提高降解率。
7、本发明中，螺旋电极喷枪的喷头、喷嘴、钛合金螺旋电极和石英管都能够定期进行更换，能够最大程度节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置的工作流程图。
图2为本发明的主机的正面图。
图3为本发明的主机的背面图。
图4为本发明的石英管的结构示意图。
图5为本发明的螺旋电极喷枪的外观图。
图6为本发明的螺旋电极喷枪与石英管连接的结构示意图。
图7为本发明的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置的结构示意图。
图中：1-状态指示灯，2-功率调节面板，3-功率调节按钮UP(增加)，4-功率调节按钮DOWN(减小)，5-高压交流电源开关，6-地线接线柱，7-喷头高压输出接线盒，8-气源输出接口，9-流量计，10-气体流量调节旋钮，11-报警输出端口，12-散热风扇，13-气源输入接口，14-高压交流电源输入插座，15-等离子输出控制插座，16-接地线，17-高压线，18-尾座，19-四氟绝缘套，20-高压电极，21-外壳，22-KF真空法兰，23-钛合金螺旋电极，24、25-石英管，26、27-硬管接头，28-底架，29-螺旋电极喷枪，30-电缆，31-喷嘴，32-固定底板，33-喷枪进气管，34-主机，35-碱液吸收池，36-电磁阀，37-空气压缩机，38-钢瓶，39-喷头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图7所示，本发明的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置包括螺旋电极喷枪29，螺旋电极喷枪29通过尾部的电缆30连接有主机34，电缆30中含有高压线17、接地线16和喷枪进气管33，其中，高压线17连接主机34背面的喷头高压输出接线盒7，电缆30中的接地线16连接主机34背面的地线接地柱6，电缆30中的喷枪进气管33连接主机背面的气源输出接口8。螺旋电极喷枪29尾部的喷枪进气管33、高压线17和接地线16通过一条塑料套管(四氟绝缘套19)整合，并在套管外设置外壳21形成喷枪和主机连接的电缆30，提高了装置的便携性。电缆30通过尾座18与主机34相连。
螺旋电极喷枪29的喷头39通过与喷头39连接的喷嘴31处的KF真空法兰22与石英管24相连，再通过法兰连接下一级的石英管25。石英管25的尾部通过法兰连接有φ8的硬管接头26，通过转接后，再接上φ6的硬管接头27，最后通过气管接入碱液吸收池35中。螺旋电极喷枪29和石英管24、25固定安装在底架28上。
主机34内设有流量计9，其两端分别与主机34上的气源输入接口13和气源输出接口8相连，用于使六氟化硫气体保持一定流量进入螺旋电极喷枪29中。气源输出接口8与电缆30中的喷枪进气管33连接，六氟化硫气体由所述气源输入接口13进入到流量计9中。主机34将流量计9和高压交流电源整合在一起，相比于以往没有进行流量控制或者单独采用流量计控制来说，更加具有稳定性和便携性。
主机34上设有状态指示灯1、功率调节面板2、高压交流电源开关5、地线接地柱6、喷头高压输出接线盒7、报警输出端口11、高压交流电源输入插座14。功率调节面板2上设有功率调节按钮UP3和功率调节按钮DOWN4，用于调节放电区域的功率。主机34的背面含有散热窗口，用于散热风扇12为主机内部散热使用。主机34的底部为固定底板32。
主机34的气源输出接口8通过电缆30中的喷枪进气管33，将气体通入螺旋电极喷枪29中。主机34的背面的高压交流电源输入插座14通过电源线连接220V的工频单相电。
通过主机34使高频交流电压源通过电缆30内的高压线17和接地线16与螺旋电极喷枪29内部的反应器相连，在喷枪内部的反应器施加高频电压，使螺旋电极喷枪29内的反应器的高压电极20和接地电极之间发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体，六氟化硫气体在放电区域内与等离子体发生碰撞而被电离分解。石英管24内设有钛合金螺旋电极23，螺旋电极喷枪29喷出的气流形成的电弧在钛合金螺旋电极23上逐渐延伸。
碱液吸收池35的出气口设置有两个出气支路，第一出气支路通过电磁阀36与大气相连，第二出气支路依次通过电磁阀36、空气压缩机37，进入钢瓶38内。
其中，螺旋电极喷枪的喷头39、喷嘴31、钛合金螺旋电极23和石英管24、25都能够定期进行更换，能够最大程度节约成本。
本发明的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理方法，包括如下步骤：
在降解开始之前，六氟化硫气体(六氟化硫废气)气源和载气气源开启，通过调节流量计9，使废气混合气(六氟化硫气体和载气气体混合气)进入主机34内，保持一定流量进入螺旋电极喷枪29中。
载气一般为Ar气体，使用Ar气体对六氟化硫废气进行稀释，过高的浓度在放电区域内会阻碍等离子体的产生，进而阻碍放电分解。而Ar气体能够促进放电产生等离子体，从而使得放电区域内的活性粒子密度增加，为六氟化硫气体分子的破坏提供良好的环境，有助于提高降解率。
待流量稳定后，打开高压交流电源开关5，启动电源，螺旋电极喷枪29内高压电极20和接地电极之间会发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体。六氟化硫废气和载气的混合气从电缆30中进入放电区域，六氟化硫气体会在等离子体的作用下被破坏和降解，同时，由于进入放电区域的气体带有一定的流速，经过等离子体放电区域后，会将等离子体也带出，形成一道电弧。而放电区域的功率可以通过主机34正面面板上的功率调节按钮UP3和功率调节按钮DOWN4进行调节，且输出功率一定程度上能够根据石英管24中的电弧长度进行判断，电弧越长，输出功率越大，反应越剧烈。
主机34内含有高压交流电源，为滑动弧放电的螺旋电极喷枪提供最大1000VA的功率和20kHz的频率的交流电。
主机34将电压源和流量计9进行了整合，主机34内包含两个气体通道，设有气源输入接口13和气源输出接口8，六氟化硫废气经载气稀释后，从气源输入接口13进入，经过流量计9，通过气体流量调节旋钮10调整流速后，从气源输出接口8输出，流量计9的最大量程为25L/min。
反应过程中，螺旋电极喷枪29喷出的气流形成的电弧会逐渐延伸，当电压源提供的功率不足以维持电弧进一步拉伸后，电弧通道会迅速消失，而放电会在高压电极20和接地电极之间最短处重新形成，并且不断重复。由于滑动弧的放电弧随着气流在钛合金螺旋电极23上快速移动，有效减弱了放电电弧对钛合金螺旋电极23的烧灼和侵蚀，因此该装置无需水冷组件也可以保持较长的使用寿命。
六氟化硫的分解气体随着气流导出，顺着石英管24流出，由于电弧内部温度较高，分解尾气的温度也会比较高，内部气体分子活动剧烈，可能重新复原成六氟化硫气体分子。因此，在石英管25中可以存放催化剂，一是能对分解尾气进行初步吸收，避免了六氟化硫气体分子的复原，提高了降解率；二是催化剂能够与放电后分解气体的活性物质反应，向理想产物转化。催化剂可采用例如γ-Al2O3颗粒，γ-Al2O3颗粒是一种具有多孔结构和大表面积材料，具有较强催化活性，SF6气体分子分解的中间产物会与γ-Al2O3颗粒发生表面反应，在这些表面反应中，SF6气体分子和其离解产生的F原子核低氟硫化物SFx以及其他中间产物均会被吸附在γ-Al2O3颗粒表面，在颗粒表面或者靠近颗粒表面处产生的高活性自由基会参与表面反应过程，避免了低氟硫化物SFx与F原子的重新结合，复原成SF6气体分子，进而提高了降解率。
六氟化硫分解气体顺着石英管25，从硬管接头26、27连接的气管进入碱液吸收池35中，在碱液吸收池35中，六氟化硫的分解尾气中的有毒酸性气体会与碱性溶液反应中和。吸收后的气体可以进行储存或者检测，完成六氟化硫的降解。
经过碱液吸收池35吸收后的尾气可以通过空气压缩机37压缩进钢瓶38，进行FTIR、GCMS等分析，或进行再利用；也可以在降解到符合环境要求后，直接排入大气中。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，包括螺旋电极喷枪，所述螺旋电极喷枪通过其尾部的电缆连接有主机；
所述电缆中含有高压线、接地线和喷枪进气管，用于向所述螺旋电极喷枪内的反应器提供高频电压和通入六氟化硫气体；
在高频电压的作用下，所述螺旋电极喷枪内的反应器的高压电极和接地电极之间发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体，六氟化硫气体在放电区域内与等离子体发生碰撞而被电离分解；
所述螺旋电极喷枪的前端连接有石英管，所述石英管内设有钛合金螺旋电极，由所述螺旋电极喷枪喷出的气流形成的电弧在所述钛合金螺旋电极上逐渐延伸；
所述石英管远离所述螺旋电极喷枪的另一端连接有碱液吸收池，用于对六氟化硫的分解尾气中的有毒酸性气体进行吸收。
2.根据权利要求1所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，所述石英管内还设有催化剂，用于对六氟化硫的分解尾气进行吸收并与分解尾气的活性物质反应。
3.根据权利要求1所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，所述主机内设有流量计，其两端分别与主机上的气源输入接口和气源输出接口相连，用于使六氟化硫气体保持一定流量进入所述螺旋电极喷枪中。
4.根据权利要求3所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，所述气源输出接口与所述电缆中的喷枪进气管连接，所述六氟化硫气体由所述气源输入接口进入到所述流量计中。
5.根据权利要求3所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，六氟化硫气体进入所述螺旋电极喷枪前，在六氟化硫气体中混入Ar气体，用于对六氟化硫气体进行稀释。
6.根据权利要求1所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，所述主机上设有功率调节面板、高压交流电源开关、地线接地柱、喷头高压输出接线盒、高压交流电源输入插座；
所述功率调节面板上设有功率调节按钮UP和功率调节按钮DOWN，用于调节放电区域的功率；
所述电缆中的高压线与所述喷头高压输出接线盒连接，电缆中的接地线所述地线接地柱连接；
所述高压交流电源输入插座通过电源线连接220V的工频单相电。
7.根据权利要求1所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置，其特征在于，所述碱液吸收池的出气口设置有两个出气支路，第一出气支路通过电磁阀与大气相连，第二出气支路依次通过电磁阀、空气压缩机，进入钢瓶内。
8.一种采用权利要求1至7任一项所述的基于滑动弧放电的六氟化硫降解处理装置进行六氟化硫降解处理的方法，其特征在于，其步骤为：
S1、在降解开始之前，六氟化硫气体气源和Ar气体气源开启，通过调节流量计，使六氟化硫气体和Ar气体混合气进入主机内，保持一定流量进入螺旋电极喷枪中；
S2、待流量稳定后，打开高压交流电源开关，启动电源，螺旋电极喷枪内高压电极和接地电极之间发生高频放电，并在放电区域内产生密集的等离子体；六氟化硫气体和Ar气体混合气从电缆中进入放电区域，六氟化硫气体会在等离子体的作用下被破坏和降解，同时，由于进入放电区域的气体带有一定的流速，经过等离子体放电区域后，会将等离子体也带出，形成一道电弧；
S3、放电区域的功率可以通过主机上的功率调节按钮UP和功率调节按钮DOWN进行调节，且输出功率根据石英管中的电弧长度进行判断，电弧越长，输出功率越大，反应越剧烈；
S4、反应过程中，螺旋电极喷枪喷出的气流形成的电弧会逐渐延伸，当电压源提供的功率不足以维持电弧进一步拉伸后，电弧通道会迅速消失，而放电会在高压电极和接地电极之间最短处重新形成，并且不断重复；由于放电弧随着气流在钛合金螺旋电极上快速移动，有效减弱放电电弧对钛合金螺旋电极的烧灼和侵蚀；
S5、六氟化硫的分解气体随着气流导出，顺着石英管流出，由于电弧内部温度较高，分解尾气的内部气体分子活动剧烈，会重新复原成六氟化硫气体分子；在石英管中存放催化剂，对分解尾气进行初步吸收，避免了六氟化硫气体分子的复原，并能够与放电后分解气体的活性物质反应，向理想产物转化；
S6、六氟化硫的分解气体顺着石英管，从硬管接头连接的气管进入碱液吸收池中，在碱液吸收池中，六氟化硫的分解尾气中的有毒酸性气体会与碱性溶液反应中和，吸收后的气体可以进行储存或者检测，完成六氟化硫的降解；
S7、经过碱液吸收池吸收后的尾气可以通过空气压缩机压缩进钢瓶，进行FTIR、GCMS分析，或进行再利用；也可以在降解到符合环境要求后，直接排入大气中。
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