CN106093257A - 变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统及其工艺，其系统包括依次连接的泵体(1)、冷凝器(2)、催化反应器(3)、硅胶管(5)和3A分子筛管(6)，所述泵体(1)将空气输送至冷凝器(2)中，所述冷凝器(2)去除空气中的水蒸汽，所述催化反应器(3)通过催化燃烧去除空气中的可燃气体，所述硅胶和3A分子筛管(6)去除空气中残余的水分和催化氧化反应产生的水分。本发明通过对空气进行净化处理，满足了载气的需求，可以利用免费的空气，大大降低了成本。整个净化系统可满足设备在无需更换任何耗材的情况下不间断使用一年或以上，完全除去对于载气瓶的需求，从而减少耗材费用和人工维护费用。
Description
技术领域
本发明涉及一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统及其工艺。
背景技术
气相色谱中的流动相是载气，在变压器溶解气体在线监测设备中，常用的载气为氮气。载气带着组分进入色谱柱，用检测器检测流出柱后的气体，并用记录器记录信号随时间变化的曲线，当待测组分流出色谱柱时，检测器就可检测到其组分的浓度。
如何解决环境温、湿度的影响问题一直是气体传感器领域的研究难点之一，当环境温、湿度发生变化时，传感器的输出信号会发生漂移，空气中温湿度越高，电阻比值向下漂移越小，说明在温湿度升高的情况下，被测气体的阻值比应有的阻值小，相应测量出气体浓度会变小从而造成测量误差。
现有的变压器溶解气体在线监测设备的载气使用的是氮气载气瓶，作为耗材维护成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统及其工艺，其对空气进行净化处理，满足了载气的需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统，包括依次连接的泵体、冷凝器、催化反应器、硅胶管和3A分子筛管，所述泵体将空气输送至冷凝器中，所述冷凝器去除空气中的水蒸汽，所述催化反应器通过催化燃烧去除空气中的可燃气体，所述硅胶和3A分子筛管去除空气中残余的水分和催化反应产生的水分。
上述方案中，所述催化反应器包括外壳和设置在所述外壳内的催化管，所述催化管内装填催化剂，所述催化管外侧设有加热器，所述加热器外侧设有隔热层，所述催化管的一端与进气管连接，另一端与出气管连接。
上述方案中，所述催化管的一端设有密封盖，所述密封盖与催化管螺纹连接，所述催化管与密封盖的螺纹连接处分别由热膨胀系数不同的两种材料制成。
上述方案中，所述催化剂的载体为氧化铈，催化剂的活性成分为0.5-5wt％Pd。
上述方案中，所述催化管表面设有温度传感器，所述温度传感器与温度保护开关电连接。
本发明还提供了一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化工艺，包括以下步骤：
S1、通过冷凝器去除空气中的部分水蒸汽；
S2、通过催化燃烧去除空气中的H2、CO和碳氢化合物；
S3、通过硅胶和3A分子筛管彻底去除空气中残余的水分和催化反应生成的水分。
上述方案中，所述催化燃烧采用的催化剂的载体为氧化铈，催化剂的活性成分为0.5-5wt％Pd。
上述方案中，经过所述步骤S1处理后的空气中的湿度不大于20％。
实施本发明的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统及其工艺，具有以下有益效果：
1、本发明采用冷凝器去除空气中的大部分水蒸汽，可以节省硅胶管和分子筛管的用量，同时起到保护催化剂的作用。
2、催化燃烧是典型的气固相催化反应，借助催化剂降低了反应的活化能，使其在较低的起燃温度下进行无焰反应，CO、烃类等不完全燃烧产物发生氧化反应，产生CO2与H2O，并放出大量的热量，因其氧化反应温度低，所以大大地抑制了空气中的N2形成高温NOX。
3、通过硅胶管和3A分子筛管可以彻底去除空气中的水分和催化反应生成的水分。
4、本发明通过对空气进行净化处理，满足了载气的需求，可以利用免费的空气，大大降低了成本。整个净化系统可满足设备在无需更换任何耗材的情况下使用一年或以上，完全除去对于载气瓶的需求，从而减少耗材费用和人工维护费用。
5、经过空气过滤系统的空气在设备中不仅成功用作载气，更用在动态顶空脱气模块。通常脱气使用未经处理空气对绝缘油吹扫置换出油中溶解气体，脱出气体易受环境中甲烷等影响，而过滤装置解决这一问题。使用此过滤装置的空气作为载气与气瓶中人工合成气体作为载气进行测量分析，结果并无差异从而避免在线设备气瓶的使用，从而降低耗材成本和更换耗材的人工成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统及其工艺的示意图；
图2是催化反应器的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统包括依次连接的泵体1、冷凝器2、催化反应器3、硅胶管5和3A分子筛管6。
冷凝器2和催化反应器3之间设有截止阀。催化反应器3与硅胶管5之间设有三通阀4，三通阀4上设有取气口，通过取气口对催化反应器3出来的空气进行GC分析。3A分子筛管6的出气口与流量计7连接，流量计7与截止阀连接，截止阀连接出气口。
泵体1将空气输送至冷凝器2中，冷凝器2去除空气中的大部分水蒸汽，本实施例中去除至少80％。催化反应器3通过催化燃烧去除空气中的被测可燃气体，例如H2、CO和碳氢化合物，硅胶和3A分子筛管6可以完全去除空气中残余的水分和催化反应产生的水分。
使用冷凝器2降低气体温度从而降低湿度。气体进入冷凝器2经过一根长管，以便让热量散失到四周的空气中。为提高冷凝器2的效率经常在官道上附加散热片以加速散热。散热片是用优良导热金属铝制成的平板，再用风扇迫使空气经过散热片并把热带走。由于温度低时绝对湿度降低，饱和的水蒸气凝结成水从设备底部析出。
催化燃烧在提高能源利用效率和控制有害气体的排放方面扮演重要角色。它可以使燃料在较低的温度下实现无火焰完全燃烧，对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有极为重要的作用，是一个环境友好的过程。催化燃烧是典型的气固相催化反应，它借助催化剂降低了反应的活化能，使其在较低的起燃温度下进行无焰反应，CO、烃类等不完全燃烧产物的氧化发生在催化剂表面，同时产生CO2与H2O，并放出大量的热量，因其氧化反应温度低，所以大大地抑制了空气中的N2形成高温NOx。
如图2所示，本实施例的催化反应器3包括外壳301和设置在外壳301内的催化管305，催化管305内装填催化剂，催化管305外侧设有加热器303，加热器303外侧设有隔热层302。在常温使用下，内部催化管305温度达到400度以内，表面温升≤40度，隔热效率佳。该反应器实物体积小，隔热层302薄。包含外壳301，整个反应器长度为180毫米，宽度和高度为60毫米，隔热层302厚度为15毫米。
催化管305的一端与进气管307连接，另一端与出气管308连接，反应器内部完全气密。催化管305的一端设有密封盖306，打开密封盖306来填装催化剂。密封盖306与催化管305螺纹连接，催化管305和密封盖306在螺纹连接处由不同的两种材料制成，由于这两种材料热膨胀系数不同，从而在高温使用过程中达到完全气密。
催化管305表面设有温度传感器304，温度传感器304与温度保护开关电连接。温度传感器304内置于催化管305表层的加热丝隔热层302内，从而更准确地监测催化管305使用温度，使用温度保护开关，保证催化反应器3的使用安全。
本实施例中采用的催化剂的载体为氧化铈，催化剂的活性成分为0.5-5wt％Pd，即金属Pd的质量为催化剂质量的0.5-5％，其所需的反应温度为280℃，大大降低了反应温度。
经过实验，空气以一个稳定持续的流量(25ml/min)进入催化管305，由电阻丝对管道外部进行加热。在管道外部埋有一个微型温度传感器304PT100对管道外壁温度进行控制测量。在管道出口端，反应后的产物用针管抽出进入实验室GC内进行定性与定量分析。对在线监测而言，最适合的催化剂是在保有对烃一定转化率的同时能够降低反应温度。基于这个两个条件进行了大量实验。甲烷最难被氧化，一般室内空气中含有大约2.5ppm的CH4，这意味着在不使用催化管305的情况下，传感器将无法测量2.5ppm以下浓度的甲烷。一般超纯空气瓶中也含有少量的甲烷，大约在0.4ppm左右，在某个温度下出口气甲烷浓度小于0.4ppm，我们认为该温度达到除烃效果并满足要求。实验证明，在使用氧化铈CeO2的贵金属催化剂所需反应温度最低。由于氧化铈具有独特的4f电子层结构及元素可变价性，作为催化剂助剂不仅提高了氧化铝载体的热稳定性，并促进了贵金属的分散；并且由于Ce4+具有可变价性，CeO2具有一定的储养能力，提高了催化剂的活性。
通过实验证明在300℃左右催化剂对H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2处理能力极佳，用总烃为40ppm标气以30ml/min的流量通过催化反应器3并对处理前和处理后气体进行检测，其结果如表1所示，只有甲烷有极低残留，二氧化碳有明显增高，实验结果如下。
表1-实验室GC测量结果
3A分子筛是一种合成沸石，它的化学分子式为K12[(AlO2)12(SiO2)12]·xH2O，有效孔径为通过加热活化后，它变成一种非常亲水的多孔材料。3A分子筛的吸湿量可以达到大约20，这意味着每100g干燥分子筛可以吸附20g的水。
本发明还提供了变压器溶解气体在线监测设备的载气净化工艺包括以下步骤：
S1、通过冷凝器去除空气中的部分水蒸汽，去除至少80％的水蒸气。
S2、通过催化燃烧去除空气中的H2、CO和碳氢化合物，采用的催化剂的载体为氧化铈，催化剂的活性成分为0.5-5wt％Pd，即金属Pd的质量为催化剂质量的0.5-5％，其所需的反应温度为280℃，大大降低了反应温度。
S3、通过硅胶和3A分子筛管彻底去除空气中残余的水分和催化反应生成的水分。
本发明保证了气体分析测量精度，为气敏传感器提供一个稳定和“干净”的载气。被处理后的空气除甲烷有0.4ppm左右残留外，无其他可被气敏传感器测量气体(H2，CO，CH4，C2H6，C2H4和C2H2)，相对湿度被控制在ppm级别。
空气过滤系统由三部分组成。首先由冷凝器2或变温硅胶管5对室外抽取空气进行水分的预处理，相对湿度控制在20％以下。这个环节有两个目的，一是在任何湿度的环境下实现无需更换的方式，将湿度初步控制在一定范围内从而降低二级除湿材料使用量；另一个是起到保护催化剂的作用，催化剂在接触大量水分后可能引起中毒从而使其活性、选择性降低或丧失减少使用寿命。第二个部分为催化反应器3，实验对三种不同配比贵金属及不同载体进行对比，其中氧化铈为载体涂覆0.5％-5％钯有效在280度以上去除空气中所有可被氧化燃烧的气体，其中氧化铈的使用大大降低了反应温度。催化反应器3在此适合的原因在于需要处理的载气为空气，从而有取之不尽的氧气用于完全氧化燃烧；如若载气为氮气等的惰性气体则无法使用此种净化方法。第三个部分是对过滤后气体中的水蒸汽进行深度净化。此处使用的吸附剂为190ml的硅胶和140ml的3A分子筛，此部分吸附剂为消耗品，用量经过计算确保在载气流量为25ml/min的情况下使用一年，根据环境湿度的不同寿命或更长。
经过空气过滤系统的空气在设备中不仅成功用作载气，更用在动态顶空脱气模块。通常脱气使用未经处理空气对绝缘油吹扫置换出油中溶解气体，脱出气体易受环境中甲烷等影响，而过滤装置解决这一问题。使用此过滤装置的空气作为载气与气瓶中人工合成气体作为载气进行测量分析，结果并无差异从而避免在线设备气瓶的使用，从而降低耗材成本和更换耗材的人工成本。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统，其特征在于，包括依次连接的泵体(1)、冷凝器(2)、催化反应器(3)、硅胶管(5)和3A分子筛管(6)，所述泵体(1)将空气输送至冷凝器(2)中，所述冷凝器(2)去除空气中的水蒸汽，所述催化反应器(3)通过催化燃烧去除空气中的可燃气体，所述硅胶和3A分子筛管(6)去除空气中残余的水分和催化反应产生的水分。
2.根据权利要求1所述的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统，其特征在于，所述催化反应器(3)包括外壳(301)和设置在所述外壳(301)内的催化管(305)，所述催化管(305)内装填催化剂，所述催化管(305)外侧设有加热器(303)，所述加热器(303)外侧设有隔热层(302)，所述催化管(305)的一端与进气管(307)连接，另一端与出气管(308)连接。
3.根据权利要求2所述的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统，其特征在于，所述催化管(305)的一端设有密封盖(306)，所述密封盖(306)与催化管(305)螺纹连接，所述催化管(305)与密封盖(306)的螺纹连接处分别由热膨胀系数不同的两种材料制成。
4.根据权利要求2所述的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统，其特征在于，所述催化剂的载体为氧化铈，催化剂的活性成分为0.5-5wt％Pd。
5.根据权利要求2所述的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化系统，其特征在于，所述催化管(305)表面设有温度传感器(304)，所述温度传感器(304)与温度保护开关电连接。
6.一种变压器溶解气体在线监测设备的载气净化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过冷凝器去除空气中的部分水蒸汽；
S2、通过催化燃烧去除空气中的H2、CO和碳氢化合物；
S3、通过硅胶和3A分子筛管彻底去除空气中残余的水分和催化反应产生的水分。
7.根据权利要求6所述的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化工艺，其特征在于，所述催化燃烧采用的催化剂的载体为氧化铈，催化剂的活性成分为0.5-5wt％Pd。
8.根据权利要求6所述的变压器溶解气体在线监测设备的载气净化工艺，其特征在于，经过所述步骤S1处理后的空气中的湿度不大于20％。
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