基于高分子膜的SF6 /N2 混合氣體分離技術(shù)研究

張建飛,劉朋亮,馬鳳翔,謝東晨,賈帥龍

(1.河南平高電氣股份有限公司,河南 平頂山 467000;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230022)

0 引言

六氟化硫(SF6)氣體的絕緣滅弧性能極為優(yōu)異,以其為絕緣介質(zhì)的絕緣電氣設(shè)備被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)[15]。然而SF6氣體的溫室效應(yīng)顯著,被公認(rèn)為是一種對(duì)大氣環(huán)境具有較大危害的溫室氣體,其全球變暖潛能為迄今已知溫室氣體之最,達(dá)到了二氧化碳?xì)怏w的23 900倍,自然壽命長(zhǎng)達(dá)3 200年以上,是《京都議定書(shū)》中禁止排放的6種溫室氣體之一[6-8],因而在使用過(guò)程中必須對(duì)SF6氣體進(jìn)行嚴(yán)格控制。

為適應(yīng)國(guó)際環(huán)保要求,減少溫室氣體排放,國(guó)內(nèi)外積極研究混合絕緣氣體替代純SF6氣體,減少SF6氣體用量[916]。20世紀(jì)80年代,國(guó)外開(kāi)始將SF6/N2混合氣體(SF6氣體體積分?jǐn)?shù)50%~60%)斷路器在低溫地區(qū)應(yīng)用,以避免SF6氣體低溫液化。2001年,西門(mén)子公司研制的第2代氣體輸電管線采用SF6/N2混合氣體(SF6氣體體積分?jǐn)?shù)10%)在日內(nèi)瓦成功投入使用;ABB 公司研制并在法國(guó)建設(shè)了首條長(zhǎng)距離SF6/N2混合絕緣氣體GIL,取代了原有的420 k V 架空輸電線路[17]。中國(guó)研制的1 100 k V SF6/N2混合絕緣氣體GIL于2016年在武漢特高壓交流試驗(yàn)基地開(kāi)始帶電運(yùn)行,并順利通過(guò)為期1年的帶電考核。2016—2018年,國(guó)家電網(wǎng)有限公司聯(lián)合GIS設(shè)備制造廠家開(kāi)展了SF6/N2混合氣體(SF6氣體體積分?jǐn)?shù)30%)在GIS母線中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究[18-22],制定了《SF6/N2混合氣體GIS母線技術(shù)規(guī)范》等多項(xiàng)技術(shù)規(guī)范文件,并在河北、山東、河南等地3座110 k V 變電站和5座220 k V GIS變電站GIS母線上順利完成了為期1 年的試點(diǎn)應(yīng)用;2018—2020年,開(kāi)展了SF6/N2混合氣體隔離和接地開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究,并在重慶等地開(kāi)展了SF6/N2混合氣體隔離開(kāi)關(guān)試點(diǎn)應(yīng)用。

由于N2液化臨界溫度極低,常溫下難以加壓液化,現(xiàn)有成熟的純SF6氣體回收儲(chǔ)存技術(shù)并不適用于SF6/N2混合氣體。為解決SF6/N2混合氣體現(xiàn)場(chǎng)難以液化、回收、儲(chǔ)存等難題,亟需一種新型的氣體分離技術(shù),將SF6和N2的高效分離,實(shí)現(xiàn)SF6氣體的回收再利用和N2的無(wú)害排放。膜分離技術(shù)具有綠色環(huán)保、高效分離的優(yōu)點(diǎn)[23-26],為此難題提供了一種解決思路。

1 單級(jí)分離膜分離技術(shù)研究

為確定單級(jí)分離膜的分離效果,選擇某品牌P 3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜作為測(cè)試膜組件。玻璃態(tài)聚合物膜是一種擴(kuò)散控制的氣體分離膜,具有較高的選擇性。測(cè)試P 3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜對(duì)SF6/N2混合氣體的滲透速率和分離選擇性,判斷玻璃態(tài)聚合物膜用于SF6/N2混合氣體分離的效果。

1.1 混合氣體滲透測(cè)試平臺(tái)搭建

為了能夠系統(tǒng)地測(cè)試P-3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜的性能參數(shù),搭建了帶溫度調(diào)節(jié)功能的混合氣體滲透測(cè)試平臺(tái),測(cè)試SF6/N2混合氣體的滲透速率和分離選擇性,驗(yàn)證膜分離技術(shù)應(yīng)用于SF6/N2混合氣體分離回收的可行性。并在此基礎(chǔ)上,測(cè)試單級(jí)分離膜分離效果,為工藝流程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用提供依據(jù)。工藝流程如圖1所示。

圖1 混合氣體分離測(cè)試工藝流程

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及作用。

1)調(diào)壓閥。最高允許進(jìn)氣壓力5.0 MPaG,出氣壓力調(diào)節(jié)范圍為0~1.0 MPaG;

2)針閥。通過(guò)開(kāi)啟程度調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。

3)精密過(guò)濾器。過(guò)濾精度0.1μm,最高流量為20 m3/h。

4)水浴加熱系統(tǒng)。由水箱、氣路盤(pán)管、加熱棒等組成,可調(diào)溫度范圍為5~80 ℃。

5)分離膜組件。用于分離SF6和N2的主要部件,最高允許工作壓力2.4 MPaG,最高允許工作溫度65 ℃。

以目前電力行業(yè)常用的SF6氣體體積分?jǐn)?shù)30%的SF6/N2混合氣體為測(cè)試原料氣,測(cè)試工藝流程為:SF6/N2混合原料氣經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力、針閥調(diào)節(jié)流量后,進(jìn)入精密過(guò)濾器,去除可能損傷膜微觀結(jié)構(gòu)的液滴、液霧、粉塵和固體顆粒等。隨后進(jìn)入水浴加熱系統(tǒng),對(duì)原料氣進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)控制,加熱后流出的氣體保持穩(wěn)定溫度、壓力PF進(jìn)入分離膜組件。分子量較小的N2,滲透速率相對(duì)較快,在低壓滲透?jìng)?cè)富集,同時(shí)檢測(cè)滲透氣流量QP和壓力PP;分子量較大的SF6氣體,滲透速率相對(duì)較慢,在高壓滲余側(cè)富集。分別在滲透?jìng)?cè)和滲余側(cè)進(jìn)行氣體取樣,經(jīng)氣相色譜分析分別得到其混合氣體的組成。

1.2 滲透速率和分離選擇性測(cè)試

以初壓0.8 MPaG、SF6氣體體積分?jǐn)?shù)30%的SF6/N2混合氣體為氣源,連接混合氣滲透測(cè)試平臺(tái),調(diào)節(jié)調(diào)壓閥,開(kāi)啟水浴加熱系統(tǒng),使進(jìn)入分離膜的氣體壓力PF分別在0.1 MPaG、0.2 MPaG、0.3 MPaG、0.4 MPaG、0.5 MPaG、0.6 MPaG 下,控制溫度T分別在15℃、30℃、45℃、60℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)試分離膜對(duì)混合氣體中2種成分的滲透速率,并計(jì)算其分離選擇性。

根據(jù)壓力、濃度以及膜分離器的有效滲透面積,可通過(guò)公式(1)計(jì)算某一氣體的混合氣滲透速率。

式中:J i為滲透速率;QP為滲透流量;y i,P為滲透氣體中物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);PF為原料側(cè)壓力;PP為滲透?jìng)?cè)壓力;x i,F為原料氣中物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);x i,R為滲余氣體中物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);A為膜的有效滲透面積。

通過(guò)公式(2)對(duì)不同氣體滲透速率進(jìn)行比較,即可得到分離選擇性。

P3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜在不同溫度和不同壓力下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 P 3010型氣體分離膜的測(cè)試結(jié)果

由圖2可知:隨著溫度的升高,玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜分離選擇性略有下降,而氣體滲透速率上升明顯。在可行的溫度和壓力范圍內(nèi),P-3010型分離膜的N2/SF6分離選擇性可以達(dá)到39以上,而在操作溫度為60 ℃時(shí),N2的滲透速率可以達(dá)到2.73 GPU 以上。

對(duì)比文獻(xiàn)[27]研究的Cu MOF OMe有機(jī)骨架材料和文獻(xiàn)[28]研究的COF 6等材料,相同壓力0.6 MPa和溫度60 ℃條件下,N2/SF6分離選擇性、SF6的滲透速率、N2的滲透速率如表1所示。P 3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜的各項(xiàng)參數(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)。

表1 不同材料分離選擇性、滲透速率對(duì)比

1.3 分離效果測(cè)試

為滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求,實(shí)現(xiàn)分離后SF6氣體液化灌裝、N2直接無(wú)害排放,分離后SF6純度需達(dá)到95%以上,排放尾氣中SF6體積分?jǐn)?shù)不得超過(guò)0.05%(簡(jiǎn)稱(chēng)“分離要求”)。由于在操作溫度為60 ℃時(shí),N2的滲透速率可以達(dá)到2.73 GPU 以上,因此選擇分離SF6/N2混合氣體的工作溫度為60 ℃。為滿(mǎn)足以上分離后氣體含量的需求,結(jié)合實(shí)際工作條件,需要測(cè)試不同壓力(1.00~3.00 MPaG)下SF6/N2混合氣體的分離效果,檢測(cè)分離后滲透?jìng)?cè)和滲余側(cè)的SF6氣體體積分?jǐn)?shù),選擇最佳的工作壓力。以初壓3.5 MPaG、SF6氣體體積分?jǐn)?shù)30%的SF6/N2混合氣體為氣源,連接混合氣滲透測(cè)試平臺(tái),調(diào)節(jié)調(diào)壓閥,開(kāi)啟水浴加熱系統(tǒng),使進(jìn)入分離膜的氣體壓力PF分別在1.00 MPaG、1.25 MPaG、1.50 MPaG、1.75 MPaG、2.00 MPaG、2.25 MPaG 下,維持溫度T在60 ℃,對(duì)P-3010單級(jí)分離膜分離效果進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單級(jí)分離膜分離效果

從表2中的測(cè)試結(jié)果可以看出,使用單級(jí)分離膜分離流程,隨著壓力的升高,滲余側(cè)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)呈逐漸上升趨勢(shì),滲透?jìng)?cè)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)先上升后下降,在壓力達(dá)到2.00 MPaG 時(shí)達(dá)到最高值,為最佳工作壓力。但是經(jīng)單級(jí)分離膜分離后的氣體,并不能滿(mǎn)足分離要求。

2 三級(jí)循環(huán)分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)單級(jí)分離膜分離測(cè)試結(jié)果,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件,選擇進(jìn)入分離膜的氣體壓力P F為2.00 MPaG、溫度T為60 ℃。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,設(shè)計(jì)三級(jí)循環(huán)分離系統(tǒng),來(lái)實(shí)現(xiàn)分離要求。三級(jí)循環(huán)膜分離系統(tǒng)主要由預(yù)處理模塊、分離模塊、灌裝模塊、尾氣處理模塊四部分組成,工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 分離系統(tǒng)工藝流程

2.1 預(yù)處理模塊

預(yù)處理模塊的主要作用是將氣源氣體調(diào)節(jié)到合適的壓力和溫度,主要由緩沖罐、壓縮機(jī)、精密過(guò)濾器、水浴加熱系統(tǒng)等部分組成。SF6/N2混合氣體首先進(jìn)入緩沖罐,為壓縮機(jī)提供壓力穩(wěn)定的氣體來(lái)源。然后經(jīng)無(wú)油壓縮機(jī)加壓至2.0 MPaG,然后進(jìn)入精密過(guò)濾器,去除混合氣體中的粉塵和固體顆粒物。最后進(jìn)入水浴加熱系統(tǒng),將氣體加熱至分離模塊運(yùn)行所需溫度60 ℃。

2.2 分離模塊

分離模塊的主要作用是將混合氣進(jìn)行分離,得到純度為95%以上SF6氣體,主要由兩級(jí)分離膜組成。恒溫恒壓的混合氣體進(jìn)入一級(jí)分離膜進(jìn)行分離,在滲透?jìng)?cè)得到一級(jí)N2富集氣,在滲余側(cè)得到一級(jí)SF6富集氣。一級(jí)N2富集氣中仍含有一定的SF6氣體,達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn),所以需進(jìn)入尾氣處理模塊進(jìn)行再次處理。而一級(jí)SF6富集氣內(nèi)仍含有大量的N2,不能直接灌瓶,故需進(jìn)行二次分離。一級(jí)SF6富集氣進(jìn)入二級(jí)分離膜進(jìn)行再次分離,在滲透?jìng)?cè)得到二級(jí)N2富集氣,在滲余側(cè)得到二級(jí)SF6富集氣。二級(jí)N2富集氣仍然含有少量SF6氣體,需返回預(yù)處理模塊再次循環(huán)分離。二級(jí)SF6富集氣中SF6體積分?jǐn)?shù)達(dá)到灌瓶要求,進(jìn)入灌裝模塊進(jìn)行灌裝。

2.3 灌裝模塊

灌裝模塊的主要作用是將得到的SF6富集氣加壓、降溫、液化,灌裝至儲(chǔ)罐或鋼瓶中,主要由壓縮機(jī)、散熱系統(tǒng)和儲(chǔ)罐組成。二級(jí)SF6富集氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入散熱系統(tǒng),降溫至10 ℃以下,達(dá)到SF6氣體液化儲(chǔ)存要求,灌裝至儲(chǔ)罐或鋼瓶。

2.4 尾氣處理模塊

尾氣處理模塊的主要作用是對(duì)一級(jí)N2富集氣進(jìn)行再次分離,得到SF6體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.05%N2富集氣,主要由三級(jí)分離膜組成。一級(jí)N2富集氣進(jìn)入三級(jí)分離膜進(jìn)行再次分離,在滲透?jìng)?cè)得到滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)的N2富集氣,直接排放到大氣中。在滲余側(cè)得到三級(jí)SF6富集氣,需返回預(yù)處理模塊再次循環(huán)分離。

3 三級(jí)循環(huán)分離系統(tǒng)效果測(cè)試

為驗(yàn)證三級(jí)循環(huán)分離系統(tǒng)的分離效果,準(zhǔn)備了容積為5 m3、初壓為0.7 MPaG、SF6氣體體積分?jǐn)?shù)30%的SF6/N2混合氣體氣源,使用三級(jí)循環(huán)膜分離系統(tǒng)進(jìn)行氣體分離回收,檢測(cè)各級(jí)分離膜滲透?jìng)?cè)和滲余側(cè)的SF6氣體體積分?jǐn)?shù),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三級(jí)循環(huán)膜分離系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出,經(jīng)三級(jí)循環(huán)膜分離系統(tǒng)處理后,得到的富集SF6氣體(二級(jí)分離膜滲余側(cè))純度可以達(dá)到98.63%,排放尾氣(三級(jí)分離膜滲透?jìng)?cè))中SF6體積分?jǐn)?shù)為0.026%,滿(mǎn)足分離實(shí)際應(yīng)用中分離要求。

4 結(jié)論

針對(duì)SF6/N2混合氣體現(xiàn)場(chǎng)難以液化、回收、儲(chǔ)存的問(wèn)題,開(kāi)展了基于高分子膜的分離技術(shù)研究,通過(guò)搭建三級(jí)循環(huán)分離膜系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了SF6/N2混合氣體的有效分離,為SF6/N2混合氣體在電力系統(tǒng)大規(guī)模推廣應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

1)玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜的N2/SF6分離選擇性可以達(dá)到39以上,在操作溫度為60 ℃時(shí),N2的滲透速率可以達(dá)到2.73 GPU 以上,具備將SF6和N2分離的能力。

2)使用單級(jí)玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜分離SF6/N2混合氣體,在操作溫度為60 ℃時(shí),隨著壓力的升高,滲余側(cè)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)呈逐漸上升趨勢(shì),滲透?jìng)?cè)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)先上升后下降,在壓力達(dá)到2.00 MPaG 時(shí)達(dá)到最高值。

3)使用三級(jí)循環(huán)膜分離工藝,能夠?qū)F6/N2混合氣體有效分離,滿(mǎn)足分離要求。