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产品应用 能源电力 全氟异丁腈绝缘气混气和回收方法

全氟异丁腈绝缘气混气和回收方法

2023-04-01 254

SF6因其具有优异的绝缘和灭弧性能,广泛应用于断路器、气体绝缘开关(gas insulted switchgear, GIS)、气体绝缘输电线路(gas insulted transmission line, GIL)等高压电气设备及工矿企业和用户侧的环网柜中,被誉为电力行业的“血液”材料。但是,SF6也是目前人类已知的温室效应最强的物质,约为CO2的22800倍,其在大气寿命更是长达3200年。随着国际上对低碳、减排等环保约束增加,1997年《京都议定书》将SF6列为限制排放的6种温室气体之一,亟需寻求替代SF6的环境友好型气体。

全氟异丁腈((CF3)2CFCN,简称C4F7N)具有优良的环保性能和绝缘性能, 全球暖化潜值(global warming potential, GWP)为2100,绝缘强度为同气压下SF6的2倍。然而,C4F7N液化温度为-4.7 ℃,极大地限制了其在高压、高寒地区的应用,因此C4F7N和CO2的二元混合气体成为了一种行之有效的解决方案。研究表明,将C4F7N与CO2混合后用于电气设备,绝缘性能达SF6的80%以上,温室效应小于SF6的5%,放电分解产物无毒、环保、安全。

当前,关于C4F7N的应用研究已经成为国内外研究的热点,其中主要包括混合气体的配置、检测以及回收处理。

混合气体配气装置的原理主要有称重法、分压法、动态质量流量法三种。称重法所需设备复杂,对使用环境要求高,一般用于标准气体制备。分压法是分别充入一定压力的气体到一个容器中,根据每种气体的压力比值来计算气体浓度,这种方法操作简单,但是需要长时间的混合平衡,配气速度慢,所以一般用于少量气体的配制。动态质量流量法是通过质量流量计调控气体比例,整个过程连续稳定,并且避免了长时间的平衡,具有快速灵活、自动化程度高等优点,被工程现场广泛使用。若以C4F7N为原料气,CO2为稀释气,配置不同混合比的C4F7N/CO2混合气体,其配气流程可用下图简单表示。

其中需要注意的是,质量流量计的性能直接影响混气配制的精度,因此需要进行定期校正。通常情况下,该方法配制的混合气体的精度可控制在1%以内,混气流量根据实际需要可进行灵活调整。与此同时,混合气体的混合比检测也是气体配制过程中不可或缺的一环。

气体混合比主要检测方法有热导法、色谱法和光谱法等。热导法是根据被测气体的混合热导率来计算二元气体浓度占比。色谱法是实验室常用混合气体检测方法,是通过色谱柱将混合气体进行分离,然后使用FID或TCD等检测器检测气体,通过信号峰面积来计算各种组分的气体含量。光谱法利用每种气体分子有特定吸收光谱的特性,其吸收强度与浓度符合朗伯-比尔(Beer-Lambert)定律。

通过对绝缘气体的检测方法对比得出:气相色谱法不适于现场监测,取样周期长,难以实施在线监测;对C4F7N气体性质进行初步研究发现,C4F7N气体的热导率与其混合气体的别一种成份CO2的热导率非常相近,使用热导原理精度与灵敏度很低,无法达到指标要求。而C4F7N由于C—F键的存在,在1400~730 cm-1波长范围内具有强的红外吸收,容易辨识,非常适合红外光谱检测技术的应用。因此,采用红外光谱对C4F7N和CO2混合气体进行在线检测成为目前研究的主流。相较而言,实验室检测已经可以实现非常准确的分析,但是在便携式检测设备中,由于空间限制,光程较短,且散热存在一定的问题,其检测结果的稳定性和可靠性仍是目前亟待解决的关键技术问题。

C4F7N和CO2混合气体的回收利用是其应用生命周期内的最后一环,一方面,混合气体的回收将最大可能地降低温室气体的排放;另一方面,C4F7N仍未实现大规模生产制造,替代成本较高,而回收分离技术可进一步降低使用成本,促使SF6的快速替代。

通常而言,混合气体的分离方法主要有变压吸附、精馏提纯、膜分离等。变压吸附是指通过改变压力、温度条件实现分子筛对同一物质的吸附与释放,从而实现气体的分离的方法。精馏法则是通过在精馏塔中,气液两相通过逆流接触进行传热传质,从而在塔顶和塔釜分别得到易挥发组分和难挥发组分。气体膜分离是利用有些金属膜或有机膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性,以达到气体分离和纯化的目的。

截止目前,关于C4F7N和CO2混合气体的回收分离的报道相对较少,主流的方法是通过吸附+精馏,保证充分分离效果的同时,通过选择性吸附去除电解生成的微量有机杂质,回收气体的纯度可达到99.3%以上,回收率超过80%,各项指标均能满足使用需求。

C4F7N的应用研究很多仍处于开发阶段,并没形成完善的全生命周期技术方案。在美国3M和宇极先后实现C4F7N批量制备前提下,其大规模应用具备了稳定的供应基础,相关应用研究也进入了突飞猛进的时期。期望在各专业领域的共同努力下,相关应用技术早日完善成熟,共同推动我国乃至世界电网系统的绿色环保化进程。