氨气可有效提高六氟化硫的降解率

武汉加油共渡难关

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摘要

武汉大学电气与自动化学院、湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室、输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员李亚龙、张晓星、崔兆仑、肖焓艳、张国治，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文（论文题目为“NH3对DBD降解SF6影响的试验研究”）指出，NH3能够促进SF6分解，提高SF6的降解率和降解效率。

随着SF6在电力工业中的大量使用，气体绝缘设备产生的SF6废气急剧增加，未经处理的SF6废气会对环境产生严重影响，因此对SF6进行处理就显得尤为重要。本文基于介质阻挡放电（DBD）等离子体技术在NH3的协同作用下对SF6进行降解处理。其中，NH3和SF6的体积分数比为1:1时具有最好的协同促进作用，90W输入功率下可以使体积分数为2%的SF6在50mL/min的流速下降解率达到97.5%；同时NH3参与下也会使SF6分解更加彻底，析出固态S单质、[NH4]2SO4、NH4F和NH4HF2；气体产物主要有SiF4、SiH4、SO2F2、SO2、SOF4、SOF2、S2F10、SF4及氮氧化物（NOx）等。

SF6因其优良的绝缘和灭弧性能备受电力行业青睐，近年来得到了广泛的应用。同时，SF6具有稳定的化学性质，不易与其他物质发生反应，排放到大气的SF6大约需要3200年才能发生自然分解。SF6因其高温室效应潜在值（Global Warming Potential，GWP）在1997年的《京都议定书》中被列为温室气体行列，因近年来由于SF6气体在电力行业中大量使用，大气中的SF6气体含量急剧上升，对环境的影响也逐渐显现出来，因此，对废弃的SF6气体进行处理就显得尤为重要。

国内外学者针对SF6的处理进行了大量研究，目前的处理方式主要有回收循环再利用、光降解、热分解、等离子体降解等。其中回收循环再利用法主要是用回收装置将SF6气体压缩到储气罐中，然后通过一系列净化处理后才能被再次使用，回收装置价格昂贵且回收处理后的SF6气体无法达到新气的标准。

光降解主要采用苯乙烯、polyisoprene等光敏材料，在阳光或紫外光照射下与SF6发生反应，实现分解。光解的产物一般无毒，但是反应时间较长，处理效率较低。热降解主要是用金属氧化物和金属磷酸盐等材料，在800～1200K的高温条件下对SF6实现热分解，SF6经过热分解主要产生SO2、SO3、SO2F2和SiF4等产物，热分解的产物相对可控，但是需要的温度条件比较高，并且处理速度相对缓慢。

等离子体降解法主要利用等离子体区域中的活性物质与SF6分子作用，使其化学键断裂形成小的粒子碎片，并与其他粒子结合成稳定的化合物达到降解SF6的目的。常用的等离子体有射频（Radio Frequency，RF）等离子体、微波（microwave）等离子体、介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）等离子体等。

其中，微波放电和射频放电可以在放电环境内产生热等离子体，在短时间内可以对大量SF6进行分解，但是其设备相对复杂，且放电环境具有一定危险性，不太适合工业领域应用。近年来，介质阻挡放电作为一种低温等离子体放电，因其具有放电结构简单、放电密度大等特点，被广泛运用于VOCs等工业废气的处理中。

How等在2004年采用DBD放电对SF6进行分解处理，并研究了外加O2、H2O、C2H4对降解率的影响。Zhuang等在2014年改进了DBD放电反应器的结构，提高了SF6处理的效率。Zhang等研究了DBD放电处理SF6、CF4和SF5CF3三种气体，分析了载气类型和湿度对降解过程的影响。但目前关于NH3对DBD等离子体降解SF6的研究尚未见报道。

图1 DBD等离子体降解SF6试验平台示意图

图2 DBD等离子体降解装置简化图

图3 不同体积分数NH3对SF6降解率的影响

图4 不同体积分数NH3参与SF6降解时的能量效率

结论

NH3作为一种还原性气体，在降解SF6的过程中加入NH3，能够在放电区域内与SF6的初级降解产物结合，有效地阻断SF6初级分解产物复合生成SF6的过程。利用上述原理，本文设计了一套NH3协同DBD等离子体降解SF6的试验平台，研究了NH3对SF6降解率的影响。试验现象表明，NH3在参与SF6的降解过程中能有效提高SF6的降解率，并在反应器壁上析出白色晶体和黄色固体。

1）NH3对SF6的分解有促进作用，极大地提高SF6的降解率。其中，体积分数为2%的NH3参与下对体积分数为2%的SF6促进效果最好，在50mL/min流速下，输入功率为90W时降解率达到了97.5%，能量效率也最高。

2）NH3参与下使SF6降解更加彻底，能够把硫元素还原为硫单质。研究中产生的固体析出物检测结果表明固体中含有NH4F、NH4HF、[NH4]2SO4和S单质。

3）NH3参与下使SF6降解产物也更加复杂，对于调控分解产物的生成速率起很大作用。气体产物主要有SiF4、SiH4、SO2F2、SO2、SOF4、SOF2、S2F10、SF4以及氮氧化物（NOx）等。