CN114797462B - 添加氢气的六氟化硫热催化循环降解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了添加氢气的六氟化硫热催化循环降解装置，包括依次管道连接的原料气罐、预处理器、一级压力控制器、反应器、二级压力控制器和碱洗池；还包括与碱洗池的排气口依次管道连接的分子筛和三级压力控制器；三级压力控制器排气出口通过带球阀的管道连接到原料气罐和预处理器之间的管道上；所述分子筛出口与碱洗池出口之间连接有与分子筛并联的带球阀的循环支管；所述循环支管与分子筛出口交汇出口端和二级压力控制器与碱洗池之间的管道分别设置有支管，该支管连接到尾气分析测试系统。该装置不仅可以提供SF6及H2与催化剂反应的气室，而且提供一个试验废气可以循环再利用的管道。该装置安全性高，温度控制灵敏，对环境友好，成本低等特点。
Description
技术领域
本发明属于六氟化硫(SF6)气体热催化降解技术领域，还涉及到了反应气体的循环再利用，具体涉及了添加H2的SF6热催化降解装置及气体循环再利用装置。
背景技术
SF6由于其优异的绝缘性能和良好的化学稳定性,被广泛用作绝缘介质应用于电力系统的诸多领域，包括气体绝缘金属封闭开关设备(Gas-Insulated Switchgear,GIS)设备、断路器、互感器和其他中压电器设备。而SF6除了具有优良的绝缘性能外，还是一种强温室效应的气体，SF6气体的温室效应潜在值(global warming potential,GWP)高达23500，而且SF6在大气中非常稳定，大气寿命长达3200年，已经被《京都协议书》列为限制使用的温室气体。随着SF6气体的广泛使用，其年排放量自1953年SF6气体应用于工业生产领域以来一直飞速增长，至2008年SF6气体的年排放量已经达到7420吨，现在全世界SF6的年使用量已经超过了10000t，而排放到大气中的SF6气体中很大一部分来自电力行业中排放的SF6废气，日后对SF6气体的需求只会有增无减，因此在相关领域之中需要妥善处理SF6废气。目前针对SF6废气的处理方法主要是热解法、光降解法、热催化降解法和等离子体法，传统的热解法是通过过量的CaCO3和SF6发生反应，该反应需要采用1100℃的高温，能耗很大，经济成本非常高；光降解法虽然能耗相对较低，但降解时间过长、降解效率低；等离子体降解法的操作工艺还有较多待改进之处，比如SF6需要先被稀释，这会造成稀释气体的浪费，且无法控制降解产物，等离子体降解法距离工业应用还有非常大的差距；而热催化降解不仅降低了能耗，具有很高的降解效率，而且可以适当调整降解产物，故热催化降解法具有非常好的工业应用前景。而在高温条件和催化剂的催化作用下，SF6会先生成低氟硫化物SFx(0<x<6)，而若没有及时消耗低氟硫化物，其易发生复合反应再次生成SF6，因而SF6降解的关键即是低氟硫化物的反应消耗。现有的SF6热催化降解研究主要在反应过程中添加H2O和O2消耗低氟硫化物，H2O和O2会为产物提供氧原子，生成SOF2、SO2F2等含氧产物，因而降解后的尾气处理存在一定难度，而H2和低氟硫化物SFx发生反应生成酸性产物HF和H2S，降低了后续废气处理的难度。
现有的SF6热催化降解的实验装置，如湖北工业大学张晓星等人于《高电压技术》上发表的“O2对CePO4热催化降解SF6废气的影响”中所采用的热解试验装置，将催化剂和试验气体置于石英玻璃管内，并使用管式炉给石英管加热，该热解系统主要存在以下两个问题：一是催化剂置于玻璃皿内并放在石英玻璃管的中间，故催化剂接触试验气体的面积较小，而石英玻璃管内没有促使气体流通的装置，导致试验时气体未充分和催化剂发生反应；二是没有采用气体回收装置，其降解试验中绝大部分试验组的SF6并未完全降解，甚至部分组的降解率不到10％，因而废气中还含有较多的SF6，不仅成本较高，而且污染环境。
发明内容
本发明的目的是针对现有的SF6热催化降解装置的不足，提供一种添加H2的SF6热催化降解装置及气体循环再利用装置，该装置不仅可以提供SF6热催化降解的反应容器，而且设计了多级压力控制器，将未反应完的气体回收从而循环利用，在降低成本的同时更进一步减少环境污染。
本发明提供的技术方案如下：
添加氢气的六氟化硫热催化循环降解装置，包括依次管道连接的原料气罐、预处理器、一级压力控制器、反应器、二级压力控制器和碱洗池；
还包括与碱洗池的排气口依次管道连接的分子筛和三级压力控制器；三级压力控制器排气出口通过带球阀的管道连接到原料气罐和预处理器之间的管道上；所述三级压力控制器出口处的压力与原料气罐出口处的压力相等；
所述分子筛出口与碱洗池出口之间连接有与分子筛并联的带球阀的循环支管；
所述循环支管与分子筛出口交汇出口端和二级压力控制器与碱洗池之间的管道分别设置有支管，该支管连接到尾气分析测试系统。
进一步，所述原料气罐由SF6气罐和H2气罐并联组成，该两气罐出口设置质量控制器再连接到三通。
进一步，所述预处理器中设置有预处理剂，所述的预处理剂为活性炭。
进一步，所述预处理器进口端设置有气压表。
进一步，所述反应器中设置有催化剂，反应器连接有压力表；所述反应器包括恒温加热装置和温控系统。优选的，所述恒温加热装置包括加热丝和散热元件；所述加热丝环绕分布于反应器外侧，并由隔热岩棉制的耐火层包裹保温。散热元件由散热风扇构成，散热风扇在电源送入后即启动。所述温控系统包括温度传感器和温控仪，可实现任意斜率的升﹑降温控制，具有跳转(循环)﹑运行﹑暂停及停止等可编程/可操作命令。而温控仪的输入及输出采用数字校正系统，测量精确稳定，可扩展使用任意分度号的非线性传感器。
更进一步，所述的催化剂为金属氧化物或过渡金属磷酸盐。
进一步，所述的分子筛为孔道直径约为0.3nm的KA沸石分子筛；所述分子筛进口端设置有球阀。
进一步，所述尾气分析测试系统由傅里叶红外光谱仪和气相色谱仪/质谱仪组成；所述与尾气分析测试系统连接的支管均设置有球阀。气相色谱仪用以定性检测SO2F2、HF、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)等SF6气体的各种分解气体产物及空气、四氟化碳(CF4)、H2O等气体杂质，并且定量检测SF6气体及其分解气体组分中的HF、H2S含量，并检测如SO2、SO2F2、SOF2、CO2、CF4等少量可能产生的气体的含量。
进一步，所述一级压力控制器的压力为1.5MPa；所述二级压力控制器的压力为0.15MPa；所述三级压力控制器的压力为1MPa。一级压力控制器用于改变自预处理器中预处理后的气体的气压，充入反应器内；二级压力控制器用于调节来自反应器中反应后气体的总气压，使其能以适宜的速度通过碱洗池和尾气分析测试系统，保证尾气分析的准确性，并使尾气中的酸性成分能被碱洗池吸收完全；三级压力控制器连接充气气路和尾气循环气路，因催化降解后的SF6气体含量相较充入时减少很多，故循环管道内的待重复利用的气体气压较低，使用三级压力控制器给循环利用的气体增压，重新充入充气气路循环利用。
进一步，所述一级压力控制器、二级压力控制器与反应器连接的管道上设置有球阀。
进一步，所述二级压力控制器排气出口末端设置有球阀。
进一步，所述碱洗池中装有碱洗剂，所述碱洗剂为较高浓度的Ca(OH)2碱液，碱洗池用于吸收废气中的HF、H2S和SO2等酸性气体，进行反应后废气的第一步处理。碱洗池排气口前端设置有球阀，碱洗池出口有两条管路，各管路均设置了球阀，使用时保持其中一个球阀打开，而另一个球阀关闭。当分子筛对应的球阀打开，废气经过分子筛进行气体的第二步处理，除去水分、H2等其余杂质；当另一球阀打开时，废气直接循环利用，可用于探究微水、微氧对SF6催化降解反应的影响。
进一步，所述管道均为高强不锈钢管道。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：
1.能提供SF6与催化剂高温反应的试验平台，弥补了现有SF6热催化降解装置气体利用率低、SF6气体降解产物处理仍较困难的不足，提高了SF6试验的利用率，为SF6降解催化剂的工业应用提供实验参考。
2.在原料气的初始气路中加装了质量控制器，确保充气时各成分的准确性；试验气路中采用多级压力控制器，多级压力控制器相互配合，保持试验气路中的气压稳定并保证气体在整个气路中顺利流通。
3.尾气碱洗处理后调整各球阀开断，可使尾气经分子筛再循环利用，达到精准回收利用SF6的效果，去除其余杂质。
4.本发明装置在反应器前设置了预处理器，在预处理器中放置预处理剂对试验气体进行预处理，保证试验严谨性。
5.本发明装置安全性很高。不锈钢气体管道自身非常坚固，能耐压1MPa，且能在1200℃高温下长期使用。在试验气路和反应器内均设有真空气压表，实时监测气路和反应器内的气压，保证试验人员的安全。
6.本发明装置的结构简单，成本低。本发明可广泛用于SF6废气的热催化降解，特别适用于集中处理高浓度的SF6的热催化降解，装置多层结构，拆卸方便，便于实验人员填装催化剂，为科研、教学、研究院所和设备制造厂家及电力系统中对SF6热催化降解的应用研究提供了一种简单易用的方法和实验平台。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图中：1、质量控制器，2、原料气罐，3、总气路真空气压表，4、预处理器，5、预处理剂，6、一级压力控制器，7、反应器真空气压表，8、三级压力控制器，9、反应器，10、催化剂，11、二级压力控制器，12、尾气分析测试系统，13、碱洗池，14、分子筛15、Ca(OH)2碱液。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的内容进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例
图1示出了本发明的结构，添加氢气的六氟化硫热催化循环降解装置，包括依次管道连接的原料气罐2、预处理器4、一级压力控制器6、反应器9、二级压力控制器11和碱洗池13，还包括与碱洗池13的排气口依次管道连接的分子筛14和三级压力控制器8；三级压力控制器8排气出口通过带球阀的管道连接到原料气罐和预处理器4之间的管道上；所述三级压力控制器8出口处的压力与原料气罐2出口处的压力相等。
所述原料气罐2由SF6气罐和H2气罐并联组成，该两气罐出口设置质量控制器1再连接到三通。所述预处理器4中设置有预处理剂5，所述的预处理剂为活性炭。所述预处理器进口端设置有总气路真空气压表3。
所述反应器9中设置有催化剂10，反应器9连接有压力表7。所述反应器包括恒温加热装置和温控系统。优选的，所述恒温加热装置包括加热丝和散热元件；所述加热丝环绕分布于反应器外侧，并由隔热岩棉制的耐火层包裹保温。散热元件由散热风扇构成，散热风扇在电源送入后即启动。所述温控系统包括温度传感器和温控仪，可实现任意斜率的升﹑降温控制，具有跳转(循环)﹑运行﹑暂停及停止等可编程/可操作命令。而温控仪的输入及输出采用数字校正系统，测量精确稳定，可扩展使用任意分度号的非线性传感器。所述的催化剂10为金属氧化物或过渡金属磷酸盐。
所述一级压力控制器的压力为1.5MPa；所述二级压力控制器的压力为0.15MPa；所述三级压力控制器的压力为1MPa。所述一级压力控制器、二级压力控制器与反应器连接的管道上设置有球阀。二级压力控制器排气出口末端设置有球阀。一级压力控制器用于改变自预处理器中预处理后的气体的气压，充入反应器内；二级压力控制器用于调节来自反应器中反应后气体的总气压，使其能以适宜的速度通过碱洗池和尾气分析测试系统，保证尾气分析的准确性，并使尾气中的酸性成分能被碱洗池吸收完全；三级压力控制器连接充气气路和尾气循环气路，因催化降解后的SF6气体含量相较充入时减少很多，故循环管道内的待重复利用的气体气压较低，使用三级压力控制器给循环利用的气体增压，重新充入充气气路循环利用。
所述分子筛14出口与碱洗池13出口之间连接有与分子筛并联的带球阀的循环支管。所述的分子筛为孔道直径约为0.3nm的KA沸石分子筛；所述分子筛进口端设置有球阀。
所述循环支管与分子筛出口交汇出口端和二级压力控制器11与碱洗池13之间的管道分别设置有支管，该支管连接到尾气分析测试系统12。所述尾气分析测试系统由傅里叶红外光谱仪和气相色谱仪/质谱仪组成；所述与尾气分析测试系统连接的支管均设置有球阀。气相色谱仪用以定性检测六氟化硫(SF6)及氟化氢(HF)、硫化氢(H2S)等SF6气体的各种分解气体产物及空气、四氟化碳(CF4)、H2O等气体杂质，并且定量检测SF6气体及其分解气体组分中的HF、H2S含量，并检测如SO2、SO2F2、SOF2、CO2、CF4等少量可能产生的气体的含量。
所述碱洗池中装有碱洗剂，所述碱洗剂为较高浓度的Ca(OH)2碱液，碱洗池用于吸收废气中的HF、H2S、和SO2等酸性气体，进行反应后废气的第一步处理。碱洗池排气口前端设置有球阀，碱洗池出口有两条管路，各管路均设置了球阀，使用时保持其中一个球阀打开，而另一个球阀关闭。当分子筛对应的球阀打开，废气经过分子筛进行气体的第二步处理，除去水分、H2等其余杂质；当另一球阀打开时，废气直接循环利用，可用于探究微水、微氧对SF6催化降解反应的影响。
所述管道均为高强不锈钢管道。
本发明的工作原理及循环路径如下：
原材料气体从原料气罐2中经质量控制器1充入到预处理器4中，而后经一级压力控制器6加压充入到反应器9内进行反应，反应器9反应后的尾气经二级压力控制器减压，分别通入尾气分析系统12和碱洗池13中，碱洗池13过滤得到的未反应完的SF6和H2原料气可以分别通过改变球阀的开关选择通过分子筛14或另一条管路，再经三级压力控制器8加压再次进入预处理器循环利用，三级压力控制器8与原料气罐2的压强保持一致，从而保证气体流通方向。
在反应器中高浓度H2还原氛围下，SF6发生降解，发生如下反应：
SF6经催化反应后得以降解。部分降解的产物SF(6-x)继续与H2发生反应，反应得到终产物HF和H2S。
整体反应式为：
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.添加氢气的六氟化硫热催化循环降解装置，其特征在于：包括依次管道连接的原料气罐、预处理器、一级压力控制器、反应器、二级压力控制器和碱洗池；
所述原料气罐由SF6气罐和H2气罐并联组成，该两气罐出口设置质量控制器再连接到三通；
所述反应器中设置有催化剂，反应器连接有压力表；所述反应器包括恒温加热装置和温控系统；所述的催化剂为金属氧化物或过渡金属磷酸盐；
SF6经催化反应后得以降解；部分降解的产物SF(6-x)继续与H2发生反应，反应得到终产物HF和H2S；
还包括与碱洗池的排气口依次管道连接的分子筛和三级压力控制器；三级压力控制器排气出口通过带球阀的管道连接到原料气罐和预处理器之间的管道上；所述三级压力控制器出口处的压力与原料气罐出口处的压力相等；
所述分子筛出口与碱洗池出口之间连接有与分子筛并联的带球阀的循环支管；碱洗池出口有两条管路，各管路均设置了球阀，使用时保持其中一个球阀打开，而另一个球阀关闭；当分子筛对应的球阀打开，废气经过分子筛进行气体的第二步处理，除去包括水分、H2在内的其余杂质；当另一球阀打开时，废气直接循环利用，用于探究微水、微氧对SF6催化降解反应的影响；
所述循环支管与分子筛出口交汇出口端和二级压力控制器与碱洗池之间的管道分别设置有支管，该支管连接到尾气分析测试系统；
所述尾气分析测试系统由傅里叶红外光谱仪和气相色谱仪或质谱仪组成；所述与尾气分析测试系统连接的支管均设置有球阀；气相色谱仪用以定性检测包括SO2F2、HF、二氧化硫、硫化氢在内的SF6气体的各种分解气体产物及包括空气、四氟化碳、H2O在内的气体杂质，并且定量检测SF6气体及其分解气体组分中的HF、H2S含量，并检测包括SO2、SO2F2、SOF2、CO2、CF4在内的可能产生的气体的含量；
所述一级压力控制器的压力为1.5MPa；所述二级压力控制器的压力为0.15MPa；所述三级压力控制器的压力为1MPa。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述预处理器中设置有预处理剂，所述的预处理剂为活性炭。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述预处理器进口端设置有气压表。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的分子筛为孔道直径为0.3nm的KA沸石分子筛；所述分子筛进口端设置有球阀。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述一级压力控制器、二级压力控制器与反应器连接的管道上设置有球阀；二级压力控制器排气出口末端设置有球阀；所述碱洗池排气口前端设置有球阀。
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