CN115475499B - 用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法，用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，Ar作为载气输入热等离子体发生器中，环形电极电连接直流电源以在Ar载气下生成电弧等离子体区域；待反应的预定比例的SF6与H2输入所述电弧等离子体区域中产生氢自由基与氟自由基并互相结合生成HF以抑制SF6的自恢复反应，最终产物为HF与S单质。

Description

用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法
技术领域
本发明属于气体降解技术领域，特别是一种用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法。
背景技术
SF6是一种在电力系统中被广泛应用的绝缘与灭弧气体，但它的温室效应潜在值达到了CO2的23500倍，目前在许多行业中已经被限制使用。因此，在全球大力推进减少碳排放的背景下，亟需寻找一种能够高效降解SF6的方法。
然而，SF6具有很强的自恢复特性，即使在电弧条件下被电离，也能迅速复合成为SF6分子，只产生很少量的杂质气体。这让它快速地恢复介电能力，具有良好的灭弧能力，从而被广泛应用于电力系统。但是在另一方面，这个特性也导致了退役的SF6气体极难被降解。
现有的高温热解法效果并不令人满意，一方面加热过程消耗大量的能源，另一方面降解率也比较低，不能达到无害化降解SF6的目标。
为了提高降解SF6的能量效率与降解率，近年来，等离子体废气处理技术受到了广泛的研究。常见的方法有射频等离子体法、微波等离子体法以及介质阻挡放电等离子体法等。但都属于冷等离子体法，反应温度和放电功率都不够高，一方面不能将SF6彻底降解为原子，另一方面也只能降解低浓度、低流量的SF6，不利于工业应用，本发明旨在解决以上问题。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法，通过使用热等离子体发生器来提高降解率与处理能力，并利用含氢反应气体抑制SF6自恢复，使其彻底降解为硫单质，提高了SF6处理能力与降解率，将SF6分子彻底分解。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法包括：
Ar作为载气输入热等离子体发生器中的反应腔，所述反应腔通过旋流器接收载气Ar，环形电极电连接直流电源以在Ar载气下生成电弧等离子体区域；
待反应的预定比例的SF6与反应气输入所述电弧等离子体区域中产生氢/氧自由基与氟自由基并互相结合生成最终产物，其中，最终产物主要为酸性气体，可以被碱液吸收并无害化处理。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，硫粉滤除装置连通所述电弧等离子体区域以滤除电弧等离子体区域反应后混合气体中的硫粉，碱液喷淋塔连通所述硫粉滤除装置并以碱液喷淋来自硫粉滤除装置的酸性尾气。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，所述H2与SF6的预定比例为下限比例3∶1至上限比例，其中，上限比例受有害副产物H2S限制。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，Ar∶H2∶SF6的预定比例为30∶40∶10L/min。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，Ar、H2、SF6分别经由旋流器导入热等离子体发生器中。其中，三个旋流器均使用聚四氟乙烯材料，并分别与三个环状电极紧贴，能够耐HF腐蚀，同时在电极之间起到绝缘和支撑作用。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，热等离子体发生器包括可循环的水冷夹层，其连通水冷系统以驱动水冷夹层中的循环水源，使冷却水与电极充分接触并快速带走电极上的热负荷。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，所述热等离子体发生器包括三个环状电极，其分别为阴极、引弧阳极和燃弧阳极，放电时先在阴极与引弧阳极之间施加高压交流电压来引弧，燃弧成功后再在阴极与燃弧阳极之间施加稳定的直流电流来维持热等离子体发生器放电。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，直流电源的负极连接阴极，所述直流电源的正极连接引弧阳极与燃弧阳极，所述直流电源产生过电压用于引弧，燃弧后再提供恒定电流，直流电源输出功率可调。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，直流电源的工作电压为150V，工作电流为100A。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法中，所述碱液喷淋塔使用5％的Ca(OH)2碱液。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明反应温度较高，热等离子体温度超过SF6彻底降解的反应温度，反应速率极高，SF6降解率超过99％；复合反应较弱；由于F自由基都被H自由基捕获，基本不发生复合反应，降解产物主要为HF，能够被碱液吸收，方便处理；气流混合均匀；旋流器作用下进气混合十分均匀，能够提高降解效果，同时节约H2的用量。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的系统示意图；
图2是根据本发明一个实施例的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的降解装置的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的旋流器的正视示意图；
图4是根据本发明一个实施例的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的旋流器的俯视示意图；
图5是根据本发明一个实施例的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的水冷夹层的截面示意图；
图6是根据本发明一个实施例的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的反应原理示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图6更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法包括，
Ar作为载气输入热等离子体发生器中，环形电极电连接直流电源以在Ar载气下生成电弧等离子体区域；
该实例中反应气体为H2，将待反应的预定比例的SF6与H2输入所述电弧等离子体区域中产生氢自由基与氟自由基并互相结合生成HF，以抑制SF6的自恢复反应，最终产物为HF与S单质。其中，电弧等离子体区域的反应温度为6000K-15000K。
所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的优选实施方式中，硫粉滤除装置连通所述电弧等离子体区域以滤除电弧等离子体区域反应后混合气体中的硫粉，碱液喷淋塔连通所述硫粉滤除装置并以碱液喷淋来自硫粉滤除装置的酸性尾气。
在一个实施例中，如图1至图6所示，用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法的基于热等离子体的六氟化硫降解装置包括，
进气控制系统，其包括，
载气Ar气体输入线路，其包括依次连接的载气Ar气源、第一气阀1和第一质量流量计2，
反应气H2气体输入线路，其包括依次连接的反应气H2气源、第二气阀和第二质量流量计，
六氟化硫气体输入线路，其包括依次连接的六氟化硫气源、第三气阀、真空泵3和第三质量流量计；
热等离子体发生器，其包括，
封闭壳体，其包括可循环的水冷夹层6和经由所述水冷夹层6包围的反应腔7，所述反应腔7连通所述进气控制系统以按预定比例通过旋流器5接收载气Ar、反应气H2和六氟化硫，
环形电极分别为阴极4.1，引弧阳极4.2和燃弧阳极4.3，其分别电连接直流电源8以生成热等离子体喷流，其中引弧阳极4.2还起到增大电弧长度、提高电弧电压的作用，以实现低电流下的高功率输出；旋流器5数量为三个，均使用聚四氟乙烯材料，并分别与三个环状电极紧贴，能够耐HF腐蚀，同时在电极之间起到绝缘作用，
无害化处理系统，其包括，
硫粉滤除装置9，其连通所述反应腔7以滤除来自反应腔7的混合气体中的硫粉，
碱液喷淋塔10，其连通所述硫粉滤除装置9，碱液喷淋塔10包括将碱液循环抽取形成水雾的砂浆泵，
废气检测装置，其连通所述碱液喷淋塔10，采样并检测从碱液喷淋塔10排出的废气。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，载气Ar流量为30L/min，反应气H2流量为40L/min，SF6流量为10L/min。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，直流电源8的负极和正极分别与环形电极相连，先在阴极4.1与引弧阳极4.2之间产生过电压用于引弧，燃弧后在阴极4.1与燃弧阳极4.3之间提供恒定电流且直流电源8输出功率可调。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，直流电源8的工作电压为150V，工作电流为100A。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，所述旋流器5内部包含旋转气路如图3所示，使输入的气体的气流场向环形电极中心汇聚。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，所述水冷夹层6中采用分体式直流水冷结构，水路表面具有凹凸结构以增大换热面积，如图5所示，使用循环水源给装置降温，冷却水首先从进水口6.1进入与电极充分接触并快速带走电极上的热负荷，经过导流板后由出水口6.2排出，并使用水泵进行驱动，所述水泵扬程为45m。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，所述碱液喷淋塔10设有用于放置PE塑料碎块填料的不锈钢孔板。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，所述碱液喷淋塔10使用5％的Ca(OH)2碱液。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，所述废气检测装置包括X射线衍射分析仪、色谱分析仪和光谱分析仪。
所述的基于热等离子体的六氟化硫降解装置的优选实施例中，预定比例中，H2与SF6的流量之比大于3。
在一个实施例中，基于热等离子体的六氟化硫降解装置包括进气控制系统、热等离子体发生器和无害化处理系统。所述进气控制系统包括六氟化硫、载气、反应气三种气体输入线路，各气体输入线路包含气源、气阀、质量流量计三个部分，其中质量流量计控制三种气体流量可调，典型工作状态为载气Ar流量30L/min，反应气H2流量40L/min，SF6流量10L/min；此外，SF6气源与质量流量计之间具有一台真空泵3，可用于直接抽取退役SF6断路器等设备中的气体进行降解。
在一个实施例中，所述热等离子体发生器包括直流电源8、反应腔7以及循环水冷系统，其中大功率的直流电源8的负极与正极分别与热等离子体发生器的阴极和阳极相连，它在工作时会先产生一个过电压用于引弧，燃弧后再提供稳定电流，且电源输出功率可调，典型工作状态为电压150V，电流100A；反应腔7用于容纳放电产生的热等离子体喷流并于此处降解输入的六氟化硫，反应腔7的壁采用耐高温、耐腐蚀材料，并具有硫粉清理装置，同时其正面带有观察窗，材料为有机玻璃；循环水冷系统在反应腔7的壁夹层中使用循环水源给装置降温，并使用水泵进行驱动，扬程为45m。
在一个实施例中，所述无害化处理系统包括硫粉滤除装置9、碱液喷淋塔10及废气和废渣检测装置，其中硫粉滤除装置9使用布袋收集器，要求装置整体密封，底部收集的硫粉可回收处理；碱液喷淋塔10使用5％的Ca(OH)2碱液，并利用砂浆泵将碱液循环抽取到空中形成两层水雾，与酸性尾气充分接触并吸收，最终达到排放标准，底部收集的CaF2沉淀可回收处理；废气检测装置可用色谱、光谱分析仪器，废气从碱液喷淋塔10排出后，使用采样袋收集并进行检测，检测达标后，可直接排入大气，废渣检测装置可用X射线衍射分析仪，碱液喷淋塔10底部收集的废渣需进行检测，确认无毒害副产物后再进行处理。
在一个实施例中，等离子体发生器的电极为环形电极，材料为铜钨，其分别与三个旋流器5紧贴实现电绝缘，旋流器5内部包含旋转气路，使输入气体的气流场向电极中心汇聚，让电弧保持在电极中心燃烧以减少烧蚀，并产生稳定的热等离子体喷流。
所述反应腔7用于容纳放电产生的热等离子体喷流并于此处降解输入的六氟化硫，其材料为不锈钢，并具有硫粉收集清理装置，可以打开腔体抽出硫粉收集盒，同时反应腔7正面具有观察窗，材料为有机玻璃。
所述无害化处理系统包括硫粉滤除装置9、碱液喷淋塔10及其废气检测装置W1和废渣检测装置W2。
其中硫粉滤除装置9使用布袋收集器，要求装置整体密封，底部收集的硫粉可回收处理。
因为Ca(OH)2能够吸收HF并去除废液中的氟元素，所以碱液喷淋塔10使用5％的Ca(OH)2碱液，并从进料口11加入；碱液喷淋塔10中加有一块不锈钢孔板13，用于放置PE碎块填料12，以避免在碱液中产生较大的气泡；尾气从吸收池底部通入，与Ca(OH)2悬浊液充分接触并被吸收，最终达到排放标准，底部收集的CaF2沉淀可回收处理。
废气收集检测出口W1可用色谱、光谱分析仪器，废气从碱液喷淋塔排出后，使用采样袋收集并进行检测，检测达标后，可直接排入大气，废渣收集检测出口W2可用X射线衍射分析仪，碱液喷淋塔10底部收集的废渣需进行检测，确认无毒害副产物后再进行处理。
本实例所述装置能够在大气压下长时间稳定工作，在实施过程中，首先打开水冷系统，驱动水冷夹层6中的循环水源，再打开气阀、真空泵和质量流量计，设定好气流参数后，由直流电源8为热等离子体发生器供电，产生热等离子体喷流，SF6与H2在高温区域内反应并在反应腔7中生成S单质与HF气体，其中S单质被硫粉滤除装置9去除，HF气体被碱液喷淋塔10去除，最终得到的废气在废气收集检测出口W1经检测达标后可以排放，废渣在废渣收集检测出口W2经检测达标后可以排放。
Ar作为载气燃弧更加稳定，维持放电所需功率较低，且Ar不与H或F结合生成副产物；H2作为反应气与SF6反应只生成HF和S，便于进行无害化处理。
可选的，载气可以使用N2，原料更加便宜易得，但N自由基与F自由基在降温过程中会相互结合生成NF3，其是一种温室气体。
可选的，反应气可以是其它含氢气体，同样可以提供H自由基与F自由基结合生成HF，但使用CH4、NH3作为反应气时会生成CF4、NF3等副产物，其也是温室气体。
可选的，反应气可以是含氧气体，其降解SF6的原理与含氢气体略有不同，在降温过程中不是与F自由基结合，而是提供O自由基与S结合形成硫氧双键并生成SO2F2、SOF2、SOF4、SO2等化合物，由此抑制SF6的自恢复特性。当使用O2作为反应气时优点是不生成固体产物，缺点是生成SO2F2等有害副产物；当使用H2O作为反应气时，主要产物仍然是HF，但也会生成有SO2F2等有害副产物，特别是HF与H2O同时存在时腐蚀性非常强，会降低装置使用寿命。
更优的，碱液喷淋塔能够利用砂浆泵将碱液循环抽取到空中形成两层水雾，与酸性尾气充分接触并吸收，吸收效果更好，能够达到相关国家标准。
更优的，通入的H2与SF6的流量之比略大于3，可以进一步提高SF6降解效果。
在一个实施例中，使用Ar作为载气在热等离子体发生器工作条件下产生稳定的直流电弧，再通过旋流器均匀混合并输入待反应的SF6与H2；在电弧等离子体区域内产生的高温达到反应气彻底分解的温度，由此释放出大量的氢自由基与氟自由基，由于两种自由基结合生成HF具有最小的吉布斯自由能，因此绝大多数氟自由基被捕获，不再与硫自由基发生复合反应生成SF6；在反应气经过热等离子体区域后得到的最终产物为HF与S单质。当氢气过量时，使用该方法进行处理的SF6降解率能够达到99.6％以上，尾气中SF6浓度可低于0.07％。其中降解率计算方法为输入和输出SF6浓度之差比上输入SF6浓度。
在一个实施例中，所述热等离子体发生器使用大功率直流电源供电，用以放电产生高温电弧等离子体区域；在电弧等离子体区域反应温度能达到6000K-15000K，即使在电场区域外的热等离子体喷流末端，反应温度也能达到3500K以上；当反应温度升高时，气体分子的运动速率增大，不仅使气体分子在单位时间内碰撞的次数增加，更重要的是由于气体分子能量增加，使活化分子百分数增大，从而加快SF6降解反应。所述含氢反应气体包括H2、NH3、CH4、H2S等，用以产生H自由基与SF6在热等离子体区域释放出的F自由基相结合，来抑制SF6的自恢复特性；当反应温度足够高，假设所有气体分子均分解为S、F、H自由基，由于生成S单质和HF相比于自恢复生成SF6和H2具有更低的吉布斯自由能，根据最小吉布斯自由能原理，最终产物更倾向于生成HF而不是SF6；同时，根据自布斯自由能变计算结果，当反应温度高于2534K时，能够提供SF6彻底降解为S自由基和F自由基所需的活化能，由此得到的整体反应如下所示：
SF6+3H2→S+6HFΔH＝-419.3kJ/mol，ΔS＝697J/(mol·K)
此时ΔH-TΔS的数值远小于0，反应能够快速自发进行，反应原理如图6所示。所述H2与SF6的最佳预定比例为3∶1，但在实际应用时，为保证SF6的降解效果，H2比例应该略微过量，可以为4∶1。
在一个实施例中，气流场调控主要有两个作用，一个是通过旋流器产生旋转气流，让电弧弧根不停在电极表面运动以减少局部电极烧蚀，延长电极使用寿命；同时，通过多个对称旋转进气口使反应气体充分混合，以减少H2的使用量并提高SF6降解效果；另一个是通过旋流器使气流产生向下的分速度，能够使电弧燃烧更加稳定集中，并使输入气体的气流场更多地向电弧中心的高温区域汇聚，以提高降解效果。所述旋流器5包含四个对称的顺时针旋转的进气口，如图4所示。
在一个实施例中，封闭壳体包括如气动冷却膨胀腔的反应腔7与水冷夹层6，当SF6完成降解后的气流从狭窄的反应气路通道进入气冷膨胀腔时，由于气体体积骤然膨胀，流速迅速减小，起到降温效果，再辅以腔壁水冷夹层6中的循环水冷换热实现了反应气的快速降温。本实例能够在大气压下长时间稳定工作，在实施过程中，其特征在于：首先打开水冷系统，驱动水冷夹层6中的循环水源，再从旋流器1中通入反应气体，最后打开热等离子体发生器电源，产生热等离子体喷流，SF6与H2在高温区域内反应并生成S单质与HF气体。反应结束后，先关闭等离子体发生器电源，然后关闭三个进气口，最后关闭冷却水源。在本实例中，当氢气过量时，SF6降解率能够达到99.6％以上，尾气中SF6浓度可低于0.07％。其中降解率计算方法为输入和输出SF6浓度之差比上输入SF6浓度。此外，在本实例中SF6处理能力可以达到10L/min以上。
可选的，载气可替换为N2等气体，反应气可替换为CH4、NH3、H2S等含氢气体。
可选的，三个环形电极结构可替换为双电极结构，但会导致热等离子体区域变窄，并对热等离子体发生器的电源提出了更高的要求。
可选的，三进气口可替换为双进气口或单进气口，可以使反应气混合更均匀，但也会导致电极表面硫粉附着等问题使电极使用寿命下降。
更优的，电极材料可替换为银钨等导电性能更好、更耐腐蚀的材料。
更优的，所述热等离子体发生器的反应腔材料可替换为哈氏合金C-2000，相比普通不锈钢更耐HF气体腐蚀。
当使用H2为反应气且H2足量时，降解产物仅包含HF和S单质，其中S单质为粉末状固体，分离并储存于硫粉收集装置中，而HF能够被碱液塔中的Ca(OH)2溶液吸收生成无害的CaF2沉淀；当H2少量时，降解产物中除HF与S单质之外还会包括SF4、SF2等硫氟化合物，这些酸性气体也能被Ca(OH)2吸收生成无害的CaSO4沉淀。当使用O2为反应气时，降解产物为SO2F2、SOF2、SOF4和SO2等酸性气体，它们也能与被Ca(OH)2吸收生成无害的CaSO4沉淀。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (3)

1.一种用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法，其特征在于，其包括以下步骤，
Ar作为载气输入热等离子体发生器中的反应腔，所述反应腔通过旋流器接收载气Ar，环形电极电连接直流电源以在Ar载气下生成电弧等离子体区域；
待反应的预定比例的SF6与反应气输入所述电弧等离子体区域中产生氢自由基与氟自由基并互相结合生成最终产物，其中，最终产物为HF和S单质，酸性气体HF被碱液吸收并无害化处理；
所述热等离子体发生器包括三个环状电极，其分别为阴极、引弧阳极和燃弧阳极，放电时先在阴极与引弧阳极之间施加高压交流电压来引弧，燃弧成功后再在阴极与燃弧阳极之间施加稳定的直流电流来维持热等离子体发生器放电，电弧等离子体区域的反应温度为6000K-15000K；
其中，
所述反应气为H2；Ar:H2:SF6的预定比例为30:40:10L/min；
所述旋流器数量为3个，旋流器包含四个对称的顺时针旋转的进气口，Ar、H2、SF6分别经由旋流器导入热等离子体发生器中；
硫粉滤除装置连通所述电弧等离子体区域以滤除电弧等离子体区域反应后混合气体中的硫粉，碱液喷淋塔连通所述硫粉滤除装置并以碱液喷淋来自硫粉滤除装置的酸性尾气；
直流电源的负极连接阴极，所述直流电源的正极连接引弧阳极与燃弧阳极，所述直流电源产生过电压用于引弧，燃弧后再提供恒定电流，直流电源输出功率可调；
直流电源的工作电压为150V，工作电流为100A。
2.根据权利要求1所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法，其中，热等离子体发生器包括可循环的水冷夹层，其连通水冷系统以驱动水冷夹层中的循环水源。
3.根据权利要求1所述的用于六氟化硫降解的热等离子体处理方法，其中，所述碱液喷淋塔使用5%的Ca(OH)2碱液。
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