捕捉隱形的“碳”
——六氟化硫氣體回收再利用為電網(wǎng)節(jié)能減排提供新范本
（六氟化硫氣體回收處理中心。 國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院供圖）
無論工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是日常生活,都離不開最基礎(chǔ)的能源——電力。眾所周知，在電力領(lǐng)域，火力發(fā)電廠通過燃燒煤炭發(fā)電的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體二氧化碳，但很少有人知道，這一生產(chǎn)過程中還有一個(gè)毫不起眼的環(huán)節(jié)，產(chǎn)生和排放另一種溫室氣體——六氟化硫。
六氟化硫作為一種理想的絕緣介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備上，但也是《聯(lián)合國氣候變化框架公約》中重點(diǎn)控制特氣網(wǎng)的溫室氣體之一。有關(guān)研究顯示，六氟化硫造成的溫室效應(yīng)相比二氧化碳大得多，由于不如二氧化碳為人們所熟知，因此被稱為隱形的“碳”，在所有溫室氣體中破壞程度最高、存在時(shí)間最久，會(huì)造成大陸氣溫升高和海洋溫差變小，進(jìn)而導(dǎo)致空氣流動(dòng)減慢，霧霾無法短時(shí)間被化解，影響人類健康。
從上世紀(jì)開始，世界各國競相開展六氟化硫的回收和重復(fù)使用工作。前不久，國網(wǎng)河北省電力公司六氟化硫氣體回收處理中心建成投運(yùn)，捕捉隱形的“碳”喜見成效，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行計(jì)算，預(yù)計(jì)年回收、凈化處理六氟化硫氣體可達(dá)百噸。
（工作人員正在進(jìn)行六氟化硫氣體質(zhì)量檢測。 國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院供圖）
“電”與“氣”的“恩怨情仇”
氟被稱為反應(yīng)性最強(qiáng)的元素，它看似危險(xiǎn)，卻被化學(xué)工作者們變成了安全物質(zhì)，出現(xiàn)在我們的身邊。
1900年，法國化學(xué)家便用氟制取了六氟化硫?！斑@是一種很重的氣體，比空氣重四倍多，如果將這種氣體儲(chǔ)存在容器內(nèi)，它也不會(huì)‘逃竄’出來?！眹W(wǎng)河北省電力公司六氟化硫氣體回收處理中心運(yùn)維負(fù)責(zé)人劉克成說，如果在上面放一張薄的錫箔紙，紙會(huì)漂浮在氣體上，不會(huì)掉下去，就像變魔術(shù)一樣。
但六氟化硫真正有用的地方并不在于“變魔術(shù)”，而是與電力行業(yè)的“相遇”“相戀”。
故事要從這出劇目的關(guān)鍵道具——開關(guān)設(shè)備說起
“輸電網(wǎng)絡(luò)就像我們家里的電路一樣，需要開關(guān)設(shè)備根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令接通或者切斷電路?！眲⒖顺烧f，開關(guān)擔(dān)負(fù)著“保險(xiǎn)絲”的功能，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障的時(shí)候，迅速切斷故障部位與其他部分的連接，防止故障擴(kuò)大。
“電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的作用雖然與家用開關(guān)相似，但是技術(shù)要求更加苛刻?！眲⒖顺山榻B，前者的工作電壓可能高達(dá)百萬伏，超出家庭用電的幾百倍甚至上千倍。在這種環(huán)境下，帶電部件即便已經(jīng)分離，相互之間仍然可能發(fā)生放電，從而導(dǎo)致開關(guān)失靈等故障，威脅人員和財(cái)產(chǎn)安全。
經(jīng)過仔細(xì)研究，致力于解決這個(gè)問題的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在六氟化硫氣體中，帶電部件即便接近也不容易發(fā)生放電。
“六氟化硫氣體具有良好的電氣絕緣性能及優(yōu)異的消除電弧的能力，其耐電強(qiáng)度為同一壓力下氮?dú)獾?.5倍，擊穿電壓是空氣的2.5倍，滅弧能力是空氣的100倍，是一種優(yōu)于空氣和油之間的優(yōu)異超高壓絕緣介質(zhì)材料?！眲⒖顺烧f，不僅如此，在常溫大氣壓下六氟化硫氣體具有非常高的化學(xué)穩(wěn)定度。在大氣中，3200年也不會(huì)分解，并且無毒、無臭、不易燃燒。
憑借著得天獨(dú)厚的絕緣性和穩(wěn)定度，從1960年開始，六氟化硫氣體在電力設(shè)備領(lǐng)域大放光彩。
英國卡迪夫大學(xué)的一項(xiàng)研究指出，英國的電力網(wǎng)絡(luò)和變電所目前使用的六氟化硫達(dá)1000公噸，而且以每年30至40公噸的速度增加。
但世界上沒有完美的物品，六氟化硫氣體也不是那么“清白”。
“要說六氟化硫氣體最大的缺點(diǎn)，那就是它會(huì)造成地球變暖，是地球變暖系數(shù)很高的污染物。”劉克成說，六氟化硫氣體的溫室效應(yīng)是等量二氧化碳?xì)怏w的23900倍。
歐盟調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2017年，28個(gè)成員國境內(nèi)排放的六氟化硫總量，其暖化威力相當(dāng)于673萬公噸二氧化碳，也等同于130萬輛汽車連續(xù)行駛一整年。
據(jù)介紹，雖然目前大氣層中，六氟化硫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及二氧化碳，但等到2030年全球用量估計(jì)將大幅提高75%，且人工合成的六氟化硫不會(huì)自然分解，人們必須加強(qiáng)電力行業(yè)六氟化硫氣體的監(jiān)督管理，發(fā)展利用再生凈化設(shè)備，減少六氟化硫氣體的大氣排放量。
捕捉隱形的“碳”，把氣體管起來
每天，廢舊的六氟化硫氣體由四面八方匯集至檢測中心。進(jìn)入車間之后，每瓶氣體都會(huì)擁有一個(gè)獨(dú)一無二的身份信息，通過條形碼識(shí)別后被記錄到計(jì)算機(jī)中。氣體從哪座站來，目前是什么狀態(tài)，內(nèi)部的組分是什么，凈化后被用到哪臺(tái)設(shè)備……都能實(shí)時(shí)在電腦中查到。這就是國網(wǎng)河北電科院針對(duì)六氟化硫氣體回收再利用開發(fā)的六氟化硫氣體回收中心。
國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院院長夏彥衛(wèi)表示，在建成六氟化硫氣體回收處理中心以前，六氟化硫主要依靠各地市公司、檢修公司自行回收，在人員、技術(shù)、裝備等方面存在諸多短板，基本達(dá)不到理想的回收效果。
為減少溫室氣體排放，國網(wǎng)河北省電力有限公司開展專項(xiàng)治理研究，建設(shè)了六氟化硫氣體回收處理中心，并以中心為依托，面向電網(wǎng)六氟化硫近零排放，完成了電網(wǎng)六氟化硫全壽命精益化管理創(chuàng)新
該創(chuàng)新采用“統(tǒng)一回收、統(tǒng)一凈化、統(tǒng)一檢測、精益化管理”的“3+1”新模式，基于實(shí)物ID實(shí)現(xiàn)各類六氟化硫設(shè)備及氣體數(shù)量、廢氣回收、凈化及再利用信息的精確統(tǒng)計(jì)，通過在線處理和高性能回收回充技術(shù)，大幅提高六氟化硫廢氣回收率并縮短檢修時(shí)間，借助智能終端實(shí)現(xiàn)回收處理中心和各作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)管控和信息交互，以六氟化硫全壽命精益化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備檢修、退役全過程和六氟化硫全壽命周期數(shù)量及質(zhì)量高效管控。
每一項(xiàng)新技術(shù)的誕生和應(yīng)用，都伴隨著無數(shù)次的創(chuàng)新嘗試和反復(fù)實(shí)踐。
“循環(huán)再利用的難點(diǎn)主要集中在氣體凈化這個(gè)環(huán)節(jié)。”劉克成說，檢修、退役設(shè)備中六氟化硫氣體成分十分復(fù)雜，包含多類酸性分解產(chǎn)物、固體顆粒、水分、空氣組分等各種雜質(zhì)，要將廢氣處理至純度達(dá)到99.9%且各類雜質(zhì)低于限值的國家標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)難度很高。
研究人員進(jìn)行了反復(fù)的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了堿洗法、吸附法、深度冷凝法、固化分離等一系列純化工藝，建立了由分子篩、六氟化硫氣體壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、制冷機(jī)組、凈化罐和存儲(chǔ)罐組成氣體回收處理裝置系統(tǒng)。
“六氟化硫氣體進(jìn)入系統(tǒng)以后，首先會(huì)通過分子篩?！眲⒖顺山榻B，分子篩的主要作用是對(duì)六氟化硫氣體進(jìn)行凈化，將水分、分解產(chǎn)物等雜質(zhì)除去，經(jīng)過初步除雜的六氟化硫氣體隨后就會(huì)經(jīng)過冷凝器。
“回收裝置的基本工作原理是采用冷凍液化法?！眲⒖顺烧f，在回收時(shí)，系統(tǒng)利用壓縮機(jī)的抽吸性和壓縮性把六氟化硫氣體吸入，并壓縮至某一較高的壓力。同時(shí)利用制冷劑的低蒸發(fā)溫度特性，將較高溫度的六氟化硫氣體冷卻至冷凝溫度進(jìn)行液化，貯存到凈化罐中，再在凈化罐中通過冷媒的作用對(duì)液態(tài)六氟化硫進(jìn)行溫度和壓力控制，深度冷卻。
“深度冷卻后的液態(tài)六氟化硫已經(jīng)被固化提純，除去了空氣等雜質(zhì)，最后利用空氣壓縮機(jī)將貯存在凈化罐中的六氟化硫回充入鋼瓶中進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)?！眲⒖顺烧f。
“中心去年9月建成投運(yùn)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行觀察計(jì)算，年度回收、凈化處理六氟化硫能力可達(dá)到100噸，回收率將超過96.5%。”劉克成說。
尋找六氟化硫氣體替代物
有業(yè)內(nèi)人士指出，除了促進(jìn)六氟化硫氣體安全使用和清潔回收再利用，控制六氟化硫氣體向大氣排放等手段外，開發(fā)和研制新型綠色氣體來替代六氟化硫氣體在電網(wǎng)設(shè)備中使用，才能釜底抽薪，解決六氟化硫氣體污染問題。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究員認(rèn)為，為適應(yīng)環(huán)保需求，比較實(shí)際的解決方案是在氣體絕緣開關(guān)（GIS）中使用六氟化硫混合氣體代替純六氟化硫氣體。
“目前，已有一些企業(yè)研發(fā)出在電氣絕緣氣體領(lǐng)域六氟化硫氣體的替代物?！眲⒖顺烧f，其中包括日本東芝株式會(huì)社和AE帕瓦株式會(huì)社的專利——用含三氟碘甲烷（CF3I）的混合氣體替代六氟化硫作為GIS用絕緣氣體。
據(jù)介紹，三氟碘甲烷是一種溫室系數(shù)比二氧化碳還小的無毒無色的氣體，對(duì)大氣的污染為零，現(xiàn)在一般用于滅火劑，但研究表明，三氟碘甲烷的電氣絕緣性能比六氟化硫更加優(yōu)異。生產(chǎn)絕緣開關(guān)等電力設(shè)備時(shí)，如果用三氟碘甲烷氣體來替代六氟化硫氣體，氣體的用量、成本只有六氟化硫的1%。
事實(shí)上，早在2014年ABB集團(tuán)就宣布開發(fā)出新型絕緣氣體混合物用于替代六氟化硫，在開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。
ABB首席執(zhí)行官史畢福表示，該公司研發(fā)的環(huán)保型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品使用了綠色環(huán)保氣體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣氣體六氟化硫，在其整個(gè)生命周期可以將二氧化碳排放量減少50%，極大降低對(duì)環(huán)境的影響。全新一代氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備可用于超高壓交流輸電以及特高壓直流輸電換流站，具有同等級(jí)產(chǎn)品中目前最高的絕緣水平和開斷性能。另外，該產(chǎn)品還降低了溫室氣體的用量和泄漏的可能性。
這一新技術(shù)率先應(yīng)用于瑞士蘇黎世奧爾里克的一個(gè)變電站，并應(yīng)用于瑞士電力公司的試點(diǎn)項(xiàng)目中。除了170千伏高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備以外，ABB還將在中壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中應(yīng)用這種新氣體混合物。
不難看出，用新型的電氣絕緣氣體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的六氟化硫氣體，有著巨大的推廣前景。
但在業(yè)內(nèi)人士看來，新型的電氣絕緣氣體的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在其環(huán)保價(jià)值方面，并不能產(chǎn)生立竿見影的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段還需一個(gè)過程。
“現(xiàn)有的傳統(tǒng)六氟化硫絕緣氣體已有數(shù)十年的應(yīng)用，從生產(chǎn)、運(yùn)輸、保存、灌裝等環(huán)節(jié)已形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)趨于成熟。而且六氟化硫的生產(chǎn)有規(guī)模效應(yīng)，可以大幅度攤薄成本?！眲⒖顺烧f，投資新型的電氣絕緣氣體，需要從零開始，安全性驗(yàn)證、政策審批、建新的生產(chǎn)線、技術(shù)可靠性論證、形成新的技術(shù)規(guī)模等，需要不菲的資金、技術(shù)、人力的投入。
“國家電網(wǎng)擁有眾多的電力研究院，有技術(shù)實(shí)力和動(dòng)力將最新的科研成果轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力和產(chǎn)品?！眲⒖顺烧f，有理由相信，新型電氣絕緣氣體的大規(guī)模推廣已不再遙遠(yuǎn)。
文章來源：河北新聞網(wǎng)
