捕捉隐形的“碳”
——六氟化硫气体回收再利用为电网节能减排提供新范本
（六氟化硫气体回收处理中心。 国网河北省电力公司电力科学研究院供图）
无论工业、农业还是日常生活,都离不开最基础的能源——电力。众所周知，在电力领域，火力发电厂通过燃烧煤炭发电的过程中，会产生大量的温室气体二氧化碳，但很少有人知道，这一生产过程中还有一个毫不起眼的环节，产生和排放另一种温室气体——六氟化硫。
六氟化硫作为一种理想的绝缘介质，被广泛应用于电气设备上，但也是《联合国气候变化框架公约》中重点控制特气网的温室气体之一。有关研究显示，六氟化硫造成的温室效应相比二氧化碳大得多，由于不如二氧化碳为人们所熟知，因此被称为隐形的“碳”，在所有温室气体中破坏程度最高、存在时间最久，会造成大陆气温升高和海洋温差变小，进而导致空气流动减慢，雾霾无法短时间被化解，影响人类健康。
从上世纪开始，世界各国竞相开展六氟化硫的回收和重复使用工作。前不久，国网河北省电力公司六氟化硫气体回收处理中心建成投运，捕捉隐形的“碳”喜见成效，经过实际运行计算，预计年回收、净化处理六氟化硫气体可达百吨。
（工作人员正在进行六氟化硫气体质量检测。 国网河北省电力公司电力科学研究院供图）
“电”与“气”的“恩怨情仇”
氟被称为反应性最强的元素，它看似危险，却被化学工作者们变成了安全物质，出现在我们的身边。
1900年，法国化学家便用氟制取了六氟化硫。“这是一种很重的气体，比空气重四倍多，如果将这种气体储存在容器内，它也不会‘逃窜’出来。”国网河北省电力公司六氟化硫气体回收处理中心运维负责人刘克成说，如果在上面放一张薄的锡箔纸，纸会漂浮在气体上，不会掉下去，就像变魔术一样。
但六氟化硫真正有用的地方并不在于“变魔术”，而是与电力行业的“相遇”“相恋”。
故事要从这出剧目的关键道具——开关设备说起
“输电网络就像我们家里的电路一样，需要开关设备根据电网调度指令接通或者切断电路。”刘克成说，开关担负着“保险丝”的功能，当电网发生故障的时候，迅速切断故障部位与其他部分的连接，防止故障扩大。
“电网开关设备的作用虽然与家用开关相似，但是技术要求更加苛刻。”刘克成介绍，前者的工作电压可能高达百万伏，超出家庭用电的几百倍甚至上千倍。在这种环境下，带电部件即便已经分离，相互之间仍然可能发生放电，从而导致开关失灵等故障，威胁人员和财产安全。
经过仔细研究，致力于解决这个问题的科学家们发现，在六氟化硫气体中，带电部件即便接近也不容易发生放电。
“六氟化硫气体具有良好的电气绝缘性能及优异的消除电弧的能力，其耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的优异超高压绝缘介质材料。”刘克成说，不仅如此，在常温大气压下六氟化硫气体具有非常高的化学稳定度。在大气中，3200年也不会分解，并且无毒、无臭、不易燃烧。
凭借着得天独厚的绝缘性和稳定度，从1960年开始，六氟化硫气体在电力设备领域大放光彩。
英国卡迪夫大学的一项研究指出，英国的电力网络和变电所目前使用的六氟化硫达1000公吨，而且以每年30至40公吨的速度增加。
但世界上没有完美的物品，六氟化硫气体也不是那么“清白”。
“要说六氟化硫气体最大的缺点，那就是它会造成地球变暖，是地球变暖系数很高的污染物。”刘克成说，六氟化硫气体的温室效应是等量二氧化碳气体的23900倍。
欧盟调查发现，2017年，28个成员国境内排放的六氟化硫总量，其暖化威力相当于673万公吨二氧化碳，也等同于130万辆汽车连续行驶一整年。
据介绍，虽然目前大气层中，六氟化硫含量远远不及二氧化碳，但等到2030年全球用量估计将大幅提高75%，且人工合成的六氟化硫不会自然分解，人们必须加强电力行业六氟化硫气体的监督管理，发展利用再生净化设备，减少六氟化硫气体的大气排放量。
捕捉隐形的“碳”，把气体管起来
每天，废旧的六氟化硫气体由四面八方汇集至检测中心。进入车间之后，每瓶气体都会拥有一个独一无二的身份信息，通过条形码识别后被记录到计算机中。气体从哪座站来，目前是什么状态，内部的组分是什么，净化后被用到哪台设备……都能实时在电脑中查到。这就是国网河北电科院针对六氟化硫气体回收再利用开发的六氟化硫气体回收中心。
国网河北省电力公司电力科学研究院院长夏彦卫表示，在建成六氟化硫气体回收处理中心以前，六氟化硫主要依靠各地市公司、检修公司自行回收，在人员、技术、装备等方面存在诸多短板，基本达不到理想的回收效果。
为减少温室气体排放，国网河北省电力有限公司开展专项治理研究，建设了六氟化硫气体回收处理中心，并以中心为依托，面向电网六氟化硫近零排放，完成了电网六氟化硫全寿命精益化管理创新
该创新采用“统一回收、统一净化、统一检测、精益化管理”的“3+1”新模式，基于实物ID实现各类六氟化硫设备及气体数量、废气回收、净化及再利用信息的精确统计，通过在线处理和高性能回收回充技术，大幅提高六氟化硫废气回收率并缩短检修时间，借助智能终端实现回收处理中心和各作业现场的实时管控和信息交互，以六氟化硫全寿命精益化管理系统实现对设备检修、退役全过程和六氟化硫全寿命周期数量及质量高效管控。
每一项新技术的诞生和应用，都伴随着无数次的创新尝试和反复实践。
“循环再利用的难点主要集中在气体净化这个环节。”刘克成说，检修、退役设备中六氟化硫气体成分十分复杂，包含多类酸性分解产物、固体颗粒、水分、空气组分等各种杂质，要将废气处理至纯度达到99.9%且各类杂质低于限值的国家标准，技术难度很高。
研究人员进行了反复的试验，设计了碱洗法、吸附法、深度冷凝法、固化分离等一系列纯化工艺，建立了由分子筛、六氟化硫气体压缩机、空气压缩机、制冷机组、净化罐和存储罐组成气体回收处理装置系统。
“六氟化硫气体进入系统以后，首先会通过分子筛。”刘克成介绍，分子筛的主要作用是对六氟化硫气体进行净化，将水分、分解产物等杂质除去，经过初步除杂的六氟化硫气体随后就会经过冷凝器。
“回收装置的基本工作原理是采用冷冻液化法。”刘克成说，在回收时，系统利用压缩机的抽吸性和压缩性把六氟化硫气体吸入，并压缩至某一较高的压力。同时利用制冷剂的低蒸发温度特性，将较高温度的六氟化硫气体冷却至冷凝温度进行液化，贮存到净化罐中，再在净化罐中通过冷媒的作用对液态六氟化硫进行温度和压力控制，深度冷却。
“深度冷却后的液态六氟化硫已经被固化提纯，除去了空气等杂质，最后利用空气压缩机将贮存在净化罐中的六氟化硫回充入钢瓶中进行检测实验。”刘克成说。
“中心去年9月建成投运，经过实际运行观察计算，年度回收、净化处理六氟化硫能力可达到100吨，回收率将超过96.5%。”刘克成说。
寻找六氟化硫气体替代物
有业内人士指出，除了促进六氟化硫气体安全使用和清洁回收再利用，控制六氟化硫气体向大气排放等手段外，开发和研制新型绿色气体来替代六氟化硫气体在电网设备中使用，才能釜底抽薪，解决六氟化硫气体污染问题。
美国国家标准研究员认为，为适应环保需求，比较实际的解决方案是在气体绝缘开关（GIS）中使用六氟化硫混合气体代替纯六氟化硫气体。
“目前，已有一些企业研发出在电气绝缘气体领域六氟化硫气体的替代物。”刘克成说，其中包括日本东芝株式会社和AE帕瓦株式会社的专利——用含三氟碘甲烷（CF3I）的混合气体替代六氟化硫作为GIS用绝缘气体。
据介绍，三氟碘甲烷是一种温室系数比二氧化碳还小的无毒无色的气体，对大气的污染为零，现在一般用于灭火剂，但研究表明，三氟碘甲烷的电气绝缘性能比六氟化硫更加优异。生产绝缘开关等电力设备时，如果用三氟碘甲烷气体来替代六氟化硫气体，气体的用量、成本只有六氟化硫的1%。
事实上，早在2014年ABB集团就宣布开发出新型绝缘气体混合物用于替代六氟化硫，在开关技术领域实现重大突破。
ABB首席执行官史毕福表示，该公司研发的环保型气体绝缘环网柜产品使用了绿色环保气体代替传统的绝缘气体六氟化硫，在其整个生命周期可以将二氧化碳排放量减少50%，极大降低对环境的影响。全新一代气体绝缘金属封闭开关设备可用于超高压交流输电以及特高压直流输电换流站，具有同等级产品中目前最高的绝缘水平和开断性能。另外，该产品还降低了温室气体的用量和泄漏的可能性。
这一新技术率先应用于瑞士苏黎世奥尔里克的一个变电站，并应用于瑞士电力公司的试点项目中。除了170千伏高压气体绝缘开关设备以外，ABB还将在中压气体绝缘开关设备中应用这种新气体混合物。
不难看出，用新型的电气绝缘气体来代替传统的六氟化硫气体，有着巨大的推广前景。
但在业内人士看来，新型的电气绝缘气体的优点主要表现在其环保价值方面，并不能产生立竿见影的经济价值，进入实际应用阶段还需一个过程。
“现有的传统六氟化硫绝缘气体已有数十年的应用，从生产、运输、保存、灌装等环节已形成一条完整的产业链，技术趋于成熟。而且六氟化硫的生产有规模效应，可以大幅度摊薄成本。”刘克成说，投资新型的电气绝缘气体，需要从零开始，安全性验证、政策审批、建新的生产线、技术可靠性论证、形成新的技术规模等，需要不菲的资金、技术、人力的投入。
“国家电网拥有众多的电力研究院，有技术实力和动力将最新的科研成果转化成生产力和产品。”刘克成说，有理由相信，新型电气绝缘气体的大规模推广已不再遥远。
文章来源：河北新闻网
