对燃煤电厂中SF6脱毒技术的研究：处理工艺、设备安全、能量效率及环境效益

《Process Safety and Environmental Protection》：An investigation of SF 6 Detoxification in Coal-Fired Power Plants: treatment process, equipment safety, exergy performance, environmental benefit

六氟化硫热分解在燃煤电厂中应用，利用锅炉高温环境实现SF6分解为SO2和HF，通过现有脱硫设备处理副产物。660MW电厂模拟显示完全分解且处理能力超300kg/h，生命周期评估表明可减排8000万吨碳。热力学和火用效率分析表明工艺对电厂效率影响较小，腐蚀风险可控。

　　

郑汉晓|赵博文|卢建毅|郑飞|周志勇

中国华北电力大学环境科学与工程系，河北省电厂烟气多污染物控制重点实验室，保定，071003

摘要

本文提出了一种可行的六氟化硫（SF₆）解毒策略：将其引入燃煤电厂炉膛中，通过热分解处理SF₆，并利用现有的空气污染物控制设备去除其副产物。在一家660 MW燃煤电厂中，建立了一个SF₆无害化处理的过程模型，进行了热力学性能计算，以评估在基准运行条件下SF₆处理过程对电厂热效率和能量效率的影响，同时明确考虑了与HF副产物相关的腐蚀风险。通过生命周期评估量化了该策略的碳排放减少潜力。结果表明，SF₆的热分解并未显著影响电厂的热力学性能。在假设的炉膛内HF浓度范围内，SF₆完全分解为SO₂和HF，在正常锅炉运行条件下处理能力超过300 kg/h。生命周期评估显示，该策略最多可减少近800万吨的碳排放。

引言

六氟化硫（SF₆）因其优异的介电强度和灭弧性能而被广泛应用于电力系统，包括断路器、气体绝缘开关设备（GIS）和变压器（Shi等人，2023年）。尽管具有这些技术优势，SF₆仍被认为是最具温室效应的气体之一，其100年全球变暖潜能值（GWP）为23,500，远高于CO₂（Zhang等人，2017年）。仅2018年，全球SF₆排放量就超过了9,000公吨，其中电力行业占比约为80%（Siddiqui等人，2022年）。这些排放主要来源于设备泄漏、维护不当以及报废后的气体处理不当。鉴于日益严格的监管要求和全球对碳中和的承诺，迫切需要有效的、可持续的SF₆减排策略。然而，许多现有系统基于过时的标准，难以满足现代电力基础设施的环境要求（Zhang等人，2016年）。目前，气体回收和净化是主要的治疗方法。Ding等人探索了混合气体的使用（例如SF₆与CF₃I/N₂或CF₃I/CO₂、c-C₄F₈的混合物），但这些方法往往增加了运营复杂性和成本（Ding等人，2022年；Zhang等人，2015年）。这凸显了现有方法的局限性，强调了需要创新的替代技术，特别是基于降解或分解的技术，这些技术有望实现SF₆的永久性和环境友好型消除。在脱碳的世界中，开发此类策略对于确保电力系统的长期可持续性至关重要。

目前，常见的SF₆降解方法包括光催化分解、等离子体辅助热解和高温热分解（Park等人，2012年；Zhang等人，2013年；Zhang等人，2014年）。其中，光催化在温和条件下运行且产物选择性高，但其降解效率较低，难以大规模应用于工业（Huang等人，2008a；Huang等人，2008b；Song等人，2009年）。Hou等人在丙酮作为还原剂的存在下使用紫外光降解，在184.9 nm波长下照射55分钟后实现了SF₆的完全去除（Huang等人，2007年；Huang等人，2008a；Huang等人，2008b）。添加蒸汽后，降解效率提高了约6%。然而，有效的光降解需要高强度的紫外光源，这会导致显著的能耗，而紫外灯的寿命有限，增加了维护成本。基于等离子体的SF₆分解技术具有快速反应速率，但通常受高能耗和安全问题的限制（Ahmadi等人，2011年）。Kabouzi等人使用微波电源产生的等离子体在氮气气氛中分解了初始浓度为0.1%至2.4%的SF₆，结果表明增加微波放电功率显著提高了SF₆的降解效率，但较大的放电管直径和较高的气体流速会导致效率下降（Kabouzi等人，2003年）。在6 kW的微波功率和30 L/min的气体流速下，2.4% SF₆的分解效率超过了95%。然而，多千瓦微波系统的巨大能耗和高资本成本以及潜在的电磁辐射危害限制了其实际应用。热分解是在1100°C以上的温度下分解SF₆，通过加入过量的CaCO₃与SF₆反应生成硫酸钙（CaSO₄）和氟化钙（CaF₂，从而阻止分解产物重新结合成SF₆。过量的CaCO₃还与SF₆热分解过程中产生的有毒副产物（如SO₂和HF）反应（Dervos，Vassiliou，2000年）。Zhang等人（Zhang等人，2013年）探索了使用回收的电镀污泥作为热催化SF₆降解的催化剂，结果显示在600°C下污泥能有效去除SF₆。FTIR分析显示降解产物为SO₂、SiF₄和微量HF，未检测到高毒性的中间体（如SOF₄、SO₂F₂或SF₄）。然而，这种方法需要较高的温度（500-800°C），导致能耗高。此外，焚烧也是一种成熟的SF₆消除方法。早期研究表明SF₆可以在危险废物焚烧炉中有效销毁，尽管它主要用作性能监测的替代示踪剂而非主要处理目标（Taylor和Chadbourne，1987年；England等人，1986年）。最近，Lee等人（Lee等人，2022年）证实，如果温度保持在1200°C以上，燃烧系统中的SF₆降解效率可达99.9%。然而，正如Parthiban等人（Parthiban等人，2021年）在综合评估处置方法和排放法规时总结的那样，虽然热销毁在技术上是可行的，但大多数现有研究仅关注孤立的实验室规模反应器或专用焚烧装置。这些方法通常能耗高，且缺乏对SF₆分解如何影响大规模工业基础设施的系统级评估，特别是关于副产物处理和整体热效率方面。

为克服传统SF₆降解技术的局限性（如高能耗、处理能力有限和可扩展性差），本文提出了一种绿色且系统集成的策略，将SF₆热分解与燃煤电厂的运行相结合。与依赖专用反应器或外部高温热源的现有方法不同，该方法充分利用了锅炉固有的高温环境和现有的空气污染控制设备（APCDs）。这样，SF₆可以高效分解，同时去除其有毒副产物，而无需引入额外的高能耗装置或二次污染风险。从系统角度来看，这种方法显著扩展了SF₆减排技术的工程适用性。基于这一概念，开发了一个详细的660 MW燃煤电厂系统中SF₆无害化处理过程模型。进行了热力学和能量分析，以评估SF₆处理对电厂原始运行条件的影响，同时明确考虑了与HF副产物形成相关的过程安全问题。此外，还进行了生命周期评估（LCA），以量化该策略的潜在碳排放减少效益。这有助于实现可持续发展目标（SDG 9：工业、创新和基础设施；SDG 13：气候行动），提供了一种节能且可工业扩展的策略，以消除高全球变暖潜能的SF₆，同时实现显著的碳排放减少，而不降低电厂性能。

章节摘录

燃煤电厂中的SF₆处理过程

以一座660 MW超低排放燃煤电厂为例，整个系统配置如图1所示，目标是在电厂内实现SF₆的环境友好型处理。核心过程是将SF₆气体引入锅炉炉膛的高温区域，在那里进行热分解，可能产生HF、固体氟化物、SO₂和其他含氟和硫的化合物。

燃煤电厂中SF₆的热分解及设备安全

首先，通过将Aspen Plus模型的模拟结果与燃煤电厂的运行数据进行比较，评估了该模型的准确性。如表4所示，模拟值与实际测量值吻合良好，表明模型可靠地再现了实际系统的热力学和运行特性。

其次，作为一种强效的温室气体，SF₆在高温下会与水蒸气、氢气等物质发生反应

结论

六氟化硫（SF₆在电力行业中广泛应用，由于其化学稳定性以及现有技术的低效率和有限的处理能力，大规模中和一直是一个挑战。通过利用废热集成、过程强化、源头污染预防和现有基础设施原则，实现了一种绿色工程方法，无需额外能源输入或新设备即可实现SF₆的解毒。

未引用的参考文献

(ISO, 2018; Tontu, 2023; Zhang等人, 2013)

CRediT作者贡献声明

赵博文：撰写 – 审稿与编辑、资源收集、调查。卢建毅：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件开发、资源管理、项目协调、资金获取。郑飞：撰写 – 审稿与编辑、调查。周志勇：资源管理、调查。郑汉晓：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了北京市自然科学基金（项目编号3202029）和河北省自然科学基金（项目编号E2025502048）的支持。