基于化学吸附原理的除酸过滤系统在电力设备中的应用

一、引言：电力设备运行中酸性物质的危害

在现代电力系统中，绝缘油作为变压器、断路器等关键电气设备的重要组成部分，其性能直接影响到设备的安全稳定运行。然而，在长期运行过程中，由于氧化反应、水分侵入以及局部放电等因素，绝缘油会逐渐产生有机酸、无机酸及其他腐蚀性物质，这些酸性物质不仅降低了油品的绝缘性能，还可能对金属部件造成严重腐蚀，进而引发设备故障甚至事故。

为了解决这一问题，近年来基于化学吸附原理的除酸过滤系统（Acid Removal Filtration System Based on Chemical Adsorption）被广泛应用于电力设备维护领域。该系统通过高效吸附剂材料选择性地去除油中酸性成分，显著延长了设备寿命，并提升了系统的运行可靠性。

本文将从化学吸附的基本原理出发，结合国内外研究进展，详细分析该技术在电力设备中的具体应用、产品参数、实际案例及未来发展趋势，并引用多篇权威文献以增强论述的科学性和参考价值。

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二、化学吸附的基本原理与机制

2.1 吸附的分类

吸附是固体表面捕获气体或液体分子的过程，主要分为物理吸附和化学吸附两种类型：

类型	特点	结合力	可逆性
物理吸附	分子间作用力（范德华力）	弱	易脱附
化学吸附	形成化学键	强	难脱附

在除酸系统中，通常采用的是具有强亲和力的碱性吸附剂，如活性氧化铝、硅胶、氢氧化钙等，它们能与酸性物质发生化学反应并形成稳定的盐类，从而实现酸性物质的永久去除。

2.2 化学吸附过程模型

常见的化学吸附过程包括以下几个阶段：

1. 扩散：酸性物质从油体扩散至吸附剂表面；
2. 表面反应：酸性物质与吸附剂表面活性位点发生化学反应；
3. 产物生成：形成不溶性盐类或其他稳定化合物；
4. 内扩散：反应产物进入吸附剂内部孔隙结构。

此过程可由Langmuir吸附等温式或Freundlich模型进行描述：

• Langmuir公式：
  $$
  qe = frac{q{text{max}} K C_e}{1 + K C_e}
  $$
  其中，$ qe $ 为平衡吸附量，$ q{text{max}} $ 为大吸附容量，$ K $ 为吸附常数，$ C_e $ 为平衡浓度。

• Freundlich公式：
  $$
  q_e = K_f C_e^{1/n}
  $$

上述模型已被广泛用于评估吸附剂对酸性物质的吸附性能（Liu et al., 2018；Zhang et al., 2020）。

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三、除酸过滤系统的组成与工作原理

3.1 系统组成

基于化学吸附原理的除酸过滤系统一般由以下几部分构成：

组成模块	功能描述
吸附滤芯	核心组件，填充碱性吸附剂材料
油循环泵	推动绝缘油在系统中循环流动
控制单元	监测温度、压力、酸值等参数
安全阀	防止过压损坏系统
冷却装置	控制油温，防止高温影响吸附效率

3.2 工作流程

1. 绝缘油从设备中抽出；
2. 通过吸附滤芯时，酸性物质与吸附剂发生化学反应；
3. 被净化的油返回设备；
4. 控制单元实时监测油质变化；
5. 达到设定条件后自动报警或更换滤芯。

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四、常用吸附剂材料及其性能比较

吸附剂材料的选择直接影响系统的除酸效率和使用寿命。目前常用的吸附剂包括活性氧化铝、硅胶、氢氧化镁、氢氧化钙、天然沸石等。

吸附剂类型	主要成分	pH范围	吸附容量（mg/g）	优点	缺点
活性氧化铝	Al₂O₃	9–10	10–20	吸附能力强，稳定性好	成本较高
硅胶	SiO₂	7–8	5–10	吸附速度快	易受潮失效
氢氧化钙	Ca(OH)₂	12–13	15–25	成本低，来源广	易结块，流动性差
氢氧化镁	Mg(OH)₂	10–11	10–18	环保无毒	吸附速率较慢
天然沸石	硅铝酸盐矿物	8–9	8–15	孔隙结构丰富	吸附选择性较低

研究表明，复合型吸附剂（如Al₂O₃-CaO混合物）在提高吸附容量和降低再生难度方面表现出良好前景（Wang et al., 2021）。

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五、典型产品参数与选型指南

以下为几种市场上主流的除酸过滤系统的技术参数对比：

型号	制造商	大处理流量（L/min）	吸附剂种类	酸值降低率（%）	运行温度范围（℃）	适用设备类型
ARFS-200	ABB	200	活性氧化铝	≥85	40–80	变压器、GIS
ERF-TX	Siemens	150	硅胶+Ca(OH)₂	≥80	30–70	断路器
Puraclean 300	Hydac	300	复合吸附剂	≥90	50–90	高压套管
OilPure ACID	Pall	100	改性硅胶	≥75	40–60	中小型变压器
Filtrex AC	Parker	250	沸石+Mg(OH)₂	≥82	45–75	电抗器

选型时应考虑如下因素：

• 设备容量与油体积；
• 油中初始酸值；
• 运行环境温度；
• 是否需要在线连续处理；
• 吸附剂更换周期与成本。

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六、在电力设备中的应用实例

6.1 在变压器中的应用

变压器绝缘油在长期运行中易因氧化而产生羧酸类物质，导致酸值升高。某220kV变电站使用ABB的ARFS-200系统进行在线除酸处理，结果显示：

参数	处理前	处理后	改善幅度
酸值（mgKOH/g）	0.52	0.08	↓84.6%
击穿电压（kV）	38	52	↑36.8%
介质损耗角正切（tanδ）	0.012	0.006	↓50%

数据表明，除酸处理有效恢复了油的介电性能，提高了设备运行安全性。

6.2 在GIS（气体绝缘开关设备）中的应用

GIS设备中使用的SF₆气体在电弧作用下可能分解出HF、SO₂F₂等强酸性物质，腐蚀设备内部金属结构。某110kV GIS站采用Siemens的ERF-TX系统进行油中酸性物质清除，配合气体纯化装置，取得了良好的协同效果。

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七、除酸系统的运行与维护管理

7.1 运行监控指标

为了确保除酸系统的高效运行，需定期监测以下指标：

指标名称	推荐检测频率	正常范围
油中酸值	每月一次	≤0.1 mgKOH/g
吸附剂饱和度	每季度一次	≤80%
温度	实时监控	40–80℃
压力损失	实时监控	≤0.2 MPa
击穿电压	每半年一次	≥45 kV

7.2 吸附剂更换与再生

吸附剂在吸附一定量酸性物质后会达到饱和状态，需及时更换或再生。不同吸附剂的再生方式如下：

吸附剂类型	再生方法	效果评价
活性氧化铝	热风干燥法（200–300℃）	可恢复80%以上活性
氢氧化钙	酸洗+煅烧	成本高，再生困难
硅胶	烘干脱水	效果较好，但易碎裂
沸石	高温焙烧	可多次再生

建议根据厂家指导手册制定合理的更换周期，避免因吸附剂失效而导致除酸效率下降。

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八、国内外研究进展与技术创新

8.1 国外研究现状

国外在除酸过滤系统方面的研究起步较早，尤其以德国、美国和日本为代表。例如：

• ABB公司开发的Guardian系列除酸系统，采用模块化设计，支持远程监控；
• Siemens推出的Oil Guardian系统集成了pH值、酸值、含水量等多项监测功能；
• 美国Pall公司研发的NanoClear技术，利用纳米级吸附材料提升吸附效率。

8.2 国内研究进展

我国近年来在该领域的研究也取得长足进步：

• 华东电力试验研究院研制的DFJ-III型动态除酸装置已在多个500kV变电站投入使用；
• 中国电科院提出“吸附-催化联合除酸”新思路，提高了酸性物质的去除深度；
• 清华大学材料学院与南方电网合作开发了复合型改性吸附剂，在实验室条件下酸值去除率达95%以上（Li et al., 2022）。

8.3 技术创新方向

未来除酸系统的发展趋势主要包括：

• 开发更高比表面积、更强吸附能力的新型吸附材料；
• 实现智能化控制与远程诊断；
• 提高吸附剂再生效率，降低成本；
• 推动除酸与其他油处理技术（如脱水、脱气）一体化集成。

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九、经济效益与环境效益分析

9.1 经济效益

使用除酸系统可显著延长变压器等设备的检修周期，减少停电损失和维修费用。据国家电网测算：

项目	未使用除酸系统	使用除酸系统	差异
年均维修费用（万元）	12	6	↓50%
检修次数（次/年）	3	1	↓66.7%
设备寿命延长（年）	–	+5~8	+显著

9.2 环境效益

除酸系统有助于减少废油排放，降低环境污染风险。每台变压器每年可减少约10%的废油产生量，符合绿色电力发展的要求。

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十、结论与展望

随着电力系统向高电压、大容量、智能化方向发展，绝缘油的品质管理愈发重要。基于化学吸附原理的除酸过滤系统作为一种高效、环保、经济的技术手段，已在各类电力设备中展现出良好的应用前景。未来，随着新材料、新工艺和智能控制技术的不断融合，该系统将在保障电网安全、提升运维效率方面发挥更大作用。

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参考文献

1. Liu, Y., Zhang, J., & Wang, H. (2018). Adsorption behavior of organic acids in transformer oil by modified alumina. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(12), 4325–4332.

2. Zhang, L., Chen, X., & Li, M. (2020). Kinetic and thermodynamic studies on acid removal from insulating oil using silica gel. Journal of Colloid and Interface Science, 564, 152–160.

3. Wang, Q., Zhao, R., & Sun, Y. (2021). Development of composite adsorbents for acid removal in power equipment. Chinese Journal of Chemical Engineering, 29(3), 456–464.

4. Li, J., Hu, T., & Zhou, W. (2022). Performance evaluation of a novel acid removal system for high-voltage transformers. Electric Power Science and Engineering, 38(4), 23–29.

5. ABB. (2021). Technical Manual: Guardian Acid Removal Filtration System. Retrieved from https://new.abb.com

6. Siemens Energy. (2020). Oil Guardian – Transformer Oil Treatment Solutions. Retrieved from https://www.siemens-energy.com

7. 百度百科. (2023). 吸附原理. https://baike.baidu.com/item/吸附原理

8. 百度百科. (2022). 变压器绝缘油. https://baike.baidu.com/item/变压器绝缘油

9. 国家电网公司. (2021). 电力设备绝缘油运行维护导则. 北京：中国电力出版社.

10. IEEE C57.106-2019. Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Mineral Oil in Electrical Equipment. IEEE Standards Association.

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（全文共计约4200字）

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