沈恒根1 許明珠1，2
（1 東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院；2 上海特安綸纖維有限公司）
摘 要 燃燒氣體是評(píng)價(jià)耐高溫纖維耐阻燃性能指標(biāo)之一，本文通過設(shè)計(jì)燃燒試驗(yàn)裝置對(duì)幾種常用袋式除塵器用高溫濾料纖維進(jìn)行高溫燃燒，利用煙氣分析儀器測(cè)定其燃燒產(chǎn)生的CO、NOx、SO2等有害氣體成分及其含量。結(jié)果顯示，燃燒氣體成分及與纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)與燃燒溫度有關(guān)。CO氣體含量隨溫度的變化曲線近似于正態(tài)分布，其含量最大值從高到底分別為間位芳綸纖維、聚酰亞胺纖維、芳砜綸纖維、PPS纖維；NOx氣體含量隨溫度升高呈階梯狀變化；芳砜綸和PPS纖維燃燒氣體中含有SO2。
關(guān)鍵詞 袋式除塵器 過濾材料 耐高溫纖維 阻燃性能 燃燒氣體
1 引言
近幾年，袋式除塵器在高溫?zé)煔獬龎m領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，濾袋是袋式除塵器的關(guān)鍵技術(shù)之一，2006年袋式除塵器用過濾材料總生產(chǎn)量初步估算約達(dá)5 000萬m2之多[1]。制作濾料的纖維原料的性能決定其濾料的性能，具有耐高溫性及阻燃性的纖維是作為耐高溫濾料原料的基本要求。
現(xiàn)在濾料的使用量逐年上升，濾料在使用過程中，如果使用不當(dāng)，過高的煙氣中的未燃盡顆粒物在來不及降至濾料的最高使用溫度之下，直接間進(jìn)行過濾，造成“燒袋”現(xiàn)象；另一方面，濾料的使用壽命有限，需要定期更換濾袋來保證袋式除塵器的正常工作。在正常使用下，濾料的要求使用壽命一般為2～3年，如果使用過程中出現(xiàn)異常，濾料往往一年不到或幾個(gè)月就需要進(jìn)行更換。大量廢棄的濾料的處理，大部分作為工業(yè)廢棄物直接進(jìn)行焚燒處理。這些濾料實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的情況，都使得濾料燃燒而產(chǎn)生煙及燃燒氣。這些有毒有害氣體不僅對(duì)維護(hù)、檢修的工作人員身體有害，而且每年幾萬噸的濾料在使用及處理過程中產(chǎn)生的煙及氣體進(jìn)入大氣中，將會(huì)給大氣環(huán)境帶來一定的污染危害。
目前國(guó)內(nèi)在評(píng)價(jià)耐高溫纖維的阻燃性能時(shí)主要考慮纖維的持續(xù)使用溫度、最高使用溫度、碳化溫度及氧極限指數(shù)等指標(biāo)，而纖維發(fā)煙量及燃燒氣體的毒性也是評(píng)價(jià)阻燃纖維的另外兩項(xiàng)重要指標(biāo)。日本紡織品的燃燒性能評(píng)定項(xiàng)目就包含了發(fā)煙性和燃燒氣兩項(xiàng)[2]。一些國(guó)外大型的濾料纖維生產(chǎn)廠家，在評(píng)價(jià)纖維的阻燃特性時(shí)往往也引入煙排放濃度和燃燒有害氣體這兩項(xiàng)指標(biāo)，有關(guān)這方面的相關(guān)研究和測(cè)試值得我們重視。
2 幾種常見高溫纖維的耐溫特性
除塵工程中把大于130℃的煙氣稱為高溫?zé)煔?SUP>[3]。這類煙氣的除塵對(duì)過濾材料的耐溫性能及阻燃性能要求較高，濾料性能的優(yōu)劣主要取決于所采用的纖維的性能。目前常用的耐高溫濾料用纖維多為化學(xué)合成纖維，有聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、芳砜綸纖維、芳香族聚酰胺纖維、PTFE纖維等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同的使用場(chǎng)合要求，選用適合煙氣特性的濾料用纖維原料。
2.1 高溫纖維的耐溫性能比較
目前國(guó)內(nèi)在評(píng)價(jià)濾料用纖維阻燃性能指標(biāo)時(shí)，主要側(cè)重于纖維的持續(xù)工作溫度、最高使用溫度、碳化溫度、極限氧指數(shù)LOI等指標(biāo)，表1列出了目前常用的幾種高溫濾料用纖維的耐溫特性指標(biāo)的比較[4-6]。
2.2 高溫纖維的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)及燃燒產(chǎn)物
目前廣泛應(yīng)用于高溫?zé)煔膺^濾領(lǐng)域的袋式除塵器濾料多為合成化學(xué)纖維制成，濾料燃燒性能與組成織物的纖維高分子化合物結(jié)構(gòu)有關(guān)[2]。這些合成化纖的主要化學(xué)元素是C、H、N、S等，這些元素與空氣在高溫燃燒狀態(tài)下，經(jīng)過一系列的熱分解、氧化等反應(yīng)后，生成相應(yīng)的氣態(tài)污染物。
氮氧化物是指燃料與空氣在高溫燃燒中產(chǎn)生的NO經(jīng)過各種各樣的氣相反應(yīng)所生成的。燃燒產(chǎn)生的NOx幾乎就是NO，在大氣中會(huì)很快被O3(10～100pbb)氧化為毒性很強(qiáng)的NO2。合成化纖中的有機(jī)硫在高溫燃燒下主要被氧化成SO2，SO2氣體無論對(duì)環(huán)境還是人體健康的危害都是很大的。以上兩種氣體都列為大氣污染治理的重點(diǎn)控制對(duì)象。有機(jī)合成纖維燃燒產(chǎn)生的另外一種主要的有害氣體就是CO，生成的原因是碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵蜔岱纸狻?SPAN lang=EN-US>CO是對(duì)人體有毒的有害物質(zhì)[7]。幾種常用耐高溫纖維的分子結(jié)構(gòu)式及其燃燒產(chǎn)生的主要?dú)鈶B(tài)污染物如表2 所示。
表1 幾種常用耐高溫纖維的耐高溫性能指標(biāo)比較
|
纖維名稱
耐溫特性 |
PPS |
間位芳綸 |
芳砜綸 |
酰亞胺 |
|
持續(xù)使用溫度 /℃ |
190 |
204 |
230 |
240 |
|
最高使用溫度 /℃ |
230 |
240 |
250 |
260 |
|
玻璃化溫度/℃ |
— |
270 |
367 |
— |
|
碳化溫度/℃（熱分解溫度） |
280 |
400 |
422 |
550 |
|
極限氧指數(shù)LOI(%) |
35 |
29 |
33 |
38 |
注：聚苯硫醚纖維，英文簡(jiǎn)寫PPS，注冊(cè)商品名有普抗PROCON、特康Torcon等；間位芳綸，化學(xué)名為芳香族聚酰胺纖維，英文簡(jiǎn)寫PMIA，注冊(cè)商品名有Nomex、Conex、紐士達(dá)等；聚酰亞胺纖維，英文簡(jiǎn)寫PI，注冊(cè)商品名有p84、Kermel等；芳砜綸纖維，英文簡(jiǎn)寫PSA，注冊(cè)商品名有Tanlon。
由各種纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)式可以看出，目前應(yīng)用較廣泛的耐高溫化學(xué)合成纖維高分子化合物中，碳?xì)湓卣即蟛糠?，另外因?yàn)閹в胁煌谋搅蚧Ⅴ０坊?、砜基等官能團(tuán)而含有氮、硫等元素。所以燃燒產(chǎn)物以碳氧化物為主，其中CO為有害氣體，對(duì)環(huán)境和人體健康危害較大，另外還有兩種主要?dú)鈶B(tài)污染物就是氮氧化物和硫化物，主要以NOx和SO2的形式存在，都是造成大氣污染的重要污染物。所以該實(shí)驗(yàn)把上述三種污染物作為主要的測(cè)定對(duì)象。
表2 幾種常用耐高溫濾料用纖維的化學(xué)分子式及主要燃燒產(chǎn)物
3 試驗(yàn)裝置及方法
3.1 試驗(yàn)方法
本試驗(yàn)選取幾種常見的不同種類的耐高溫纖維進(jìn)行高溫燃燒，測(cè)試其燃燒氣體的成分和含量，具體的試驗(yàn)操作步驟如下：
稱取200mg的測(cè)試?yán)w維樣品，置于螺旋燃燒夾中，再放入燃燒裝置加熱段的加熱爐腔中。將煙氣分析儀的煙氣探頭插進(jìn)測(cè)試口中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)為1Nm3/min，打開電源，加熱套管開始加熱升溫。在不同的加熱溫度下，測(cè)定并記錄纖維燃燒產(chǎn)生的氣體的成分及其含量。
3.2 試驗(yàn)裝置
本實(shí)驗(yàn)用燃燒裝置，整體采用直徑φ=65 mm鋼管制作而成，按其功能主要分成加熱段、冷卻段、測(cè)試段三部分，如圖1所示。
加熱段：3個(gè)功率為900瓦的加熱套管，加熱溫度可達(dá)到1000℃左右，纖維的碳化溫度一般在400℃~500℃之間，保證了試驗(yàn)所需溫度的要求。
冷卻段：由于加熱段的爐腔溫度較高，為了保證后續(xù)煙氣分析儀器的溫度要求，需要對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行冷卻。一般直接進(jìn)行空氣冷卻，冷卻后氣體的溫度基本在50℃以下，能夠滿足測(cè)試要求。如果實(shí)驗(yàn)條件需要，還可以進(jìn)行水冷卻。該實(shí)驗(yàn)采用的是空氣冷卻。
測(cè)試段：該段上方安置一個(gè)測(cè)試口，可供放置煙氣分析儀的測(cè)試探頭。如果需要收集測(cè)試氣體，也可以在該段的出口處進(jìn)行收集。
3.3 主要試驗(yàn)儀器
本試驗(yàn)所采用的主要設(shè)備及儀器見表3所示。其中最主要的測(cè)試儀器是testo 350 XL煙氣分析儀。該儀器置于燃燒裝置的測(cè)試段測(cè)試口處，對(duì)燃燒產(chǎn)生的氣體成分及含量進(jìn)行測(cè)試。
表3 燃燒實(shí)驗(yàn)主要儀器
|
序號(hào) |
儀器名稱 |
型號(hào) |
量程 |
用途 |
|
1 |
熱電耦 |
WRN 130 K |
0~1000℃ |
測(cè)量爐腔加熱溫度 |
|
2 |
溫度控制調(diào)節(jié)儀 |
XMT-101 |
0~1300℃ |
顯示溫度數(shù)值 |
|
3 |
電子分析天平 |
BS 224 S |
0~220g，d = 0.1mg |
稱取纖維樣品 |
|
4 |
空氣壓縮機(jī) |
ACO-009D |
排氣量：100L/min；
壓力：0.04Mpa |
提供燃燒所需空氣量 |
|
5 |
玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì) |
LZB-10 |
0.25~2.5Nm3/h |
控制進(jìn)氣量 |
|
6 |
煙氣分析儀 |
testo 350 XL |
可測(cè)參數(shù)：O2、CO、NOx、SO2、H2S、HC |
測(cè)定纖維燃燒煙氣中的有害氣體成分及濃度 |
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
耐高溫有機(jī)合成纖維的碳化溫度一般都在400℃以上，表4列出了幾種耐高溫纖維在加熱到500℃時(shí)，產(chǎn)生的燃燒氣體的成分和及其含量。
表4 幾種高溫纖維在500℃時(shí)的燃燒氣體成分及濃度比較
|
耐高溫濾料用纖維 |
濃度(ppm) |
|
CO |
NOx |
SO2 |
|
間位芳綸—1# 1） |
2734 |
5 |
—2） |
|
間位芳綸—2# 1） |
2391 |
1 |
— |
|
芳砜綸 |
1847 |
3 |
13 |
|
聚酰亞胺 |
2207 |
1 |
— |
|
PPS |
10 |
0 |
1 |
注：1）測(cè)試樣品選取2種不同產(chǎn)地的間位芳綸纖維，為了避免涉及注冊(cè)商品名稱，故采用編號(hào)；
2） “—”表示無該氣體生成。
耐高溫纖維隨燃燒溫度的升高，其產(chǎn)生的CO氣體濃度的變化情況如圖2所示。由圖2 可以很明顯地看出，CO的濃度隨著溫度變化曲線近似于正態(tài)分布。
由CO的濃度變化曲線可以得出，燃燒產(chǎn)生的CO氣體濃度方面，間位芳綸-2#纖維要高于其他纖維，其最大值約3200ppm，其他從高到低依次為間位芳綸-1#纖維、聚酰亞胺纖維、芳砜綸纖維、PPS纖維；
間位芳綸-2#和聚酰亞胺纖維的CO氣體濃度最高值出現(xiàn)在460℃左右，而Nomex和芳砜綸纖維的CO氣體濃度最高值則出現(xiàn)在500℃左右。不同的纖維出現(xiàn)的CO氣體濃度最大也各不相同。由圖2所示，濃度最大值從大到小依次是間位芳綸-2#纖維、間位芳綸-1#纖維、聚酰亞胺纖維、芳砜綸纖維、PPS纖維。
另外不同纖維CO分解的起始溫度也不相同，最先分解的為聚酰亞胺和間位芳綸-2#纖維，約在330℃；間位芳綸-1#和芳砜綸纖維分解溫度出現(xiàn)在440℃左右；PPS纖維則在550℃高溫后才開始產(chǎn)生CO。
各種耐高溫纖維燃燒產(chǎn)生的另一種主要有害氣體NOx，其濃度隨溫度的變化情況如圖3所示。由圖3 所示，各種耐高溫纖維燃燒產(chǎn)生的NOx濃度變化曲線呈階梯狀變化。
由該變化曲線可以得出，燃燒產(chǎn)生NOx氣體的濃度方面，間位芳綸-1#纖維要高于其他纖維，濃度最大值為8ppm，然后依次是芳砜綸纖維、間位芳綸-2#纖維、聚酰亞胺纖維、PPS纖維。
間位芳綸-1#纖維和芳砜綸纖維在510℃左右達(dá)到了濃度峰值，而間位芳綸-2#纖維、聚酰亞胺纖維和PPS纖維的NOx濃度最大值有曲線變化趨勢(shì)看，應(yīng)該出現(xiàn)在580℃或更高的溫度。
間位芳綸-2#纖維燃燒產(chǎn)生NOx氣體的起始分解溫度較其他纖維低，約在400℃，其他依次是PPS纖維、間位芳綸-1#纖維、芳砜綸纖維和聚酰亞胺纖維；
試驗(yàn)的五種纖維樣品中，如表2中所列的各種纖維的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式，由于芳砜綸和PPS纖維的分子主鏈上分別還有砜基和苯硫基，因此這兩種纖維燃燒氣體中還有SO2氣體。圖4為燃燒測(cè)試的芳砜綸與PPS纖維樣品燃燒產(chǎn)生的SO2濃度的變化情況。由曲線變化情況可明顯得，芳砜綸纖維在500℃時(shí)，燃燒產(chǎn)生的SO2氣體濃度達(dá)到最大值，為22ppm；而PPS在接近550℃時(shí)，SO2的含量才明顯上升，在600℃高溫時(shí)達(dá)到最大值，為64ppm。
5 結(jié)論與建議
5.1 結(jié)論
⑴ 耐高溫纖維在高溫燃燒產(chǎn)生的主要?dú)怏w為CO，其次是NOx。CO含量從高到低依次為間位芳綸-2#纖維、間位芳綸-1#纖維、聚酰亞胺纖維、芳砜綸纖維、PPS纖維；NOx的含量從高到低依次是間位芳綸-1#纖維、間位芳綸-2#纖維和芳砜綸纖維、聚酰亞胺纖維。芳砜綸及PPS纖維燃燒氣體中出現(xiàn)SO2氣體，PPS纖維產(chǎn)生量高于芳砜綸纖維。
⑵ 不同的纖維燃燒產(chǎn)生CO的起始溫度也不同，溫度從高到底依次是聚酰亞胺纖維、間位芳綸-2#纖維、間位芳綸-1#纖維、芳砜綸纖維、PPS纖維；不同纖維燃燒產(chǎn)生的NOx氣體的起始分解溫度從低到高依次是間位芳綸-2#纖維、PPS纖維、間位芳綸-1#纖維、芳砜綸纖維和聚酰亞胺纖維。
⑶ 本試驗(yàn)在相同供氧量及溫度條件下進(jìn)行，纖維燃燒產(chǎn)生的氣體成分及含量與纖維的組成有很大關(guān)系。芳香族聚酰胺纖維及聚酰亞胺纖維的高溫燃燒氣體主要為CO和NOx。芳砜綸纖維和PPS纖維因其化學(xué)分子結(jié)構(gòu)式中含有砜鍵和苯硫基，其燃燒氣體中含有SO2成分。
5.2 建議
⑴ 耐高溫纖維的阻燃性能的另外兩項(xiàng)重要指標(biāo)除了燃燒氣體外，還應(yīng)包括煙排放濃度。本試驗(yàn)由于測(cè)試儀器有限，未能對(duì)纖維的發(fā)煙性能進(jìn)行測(cè)試。若滿足具有相關(guān)煙塵測(cè)試儀器的測(cè)試條件，可在在燃燒裝置的測(cè)試段的出氣口進(jìn)行取樣，可以測(cè)出燃燒煙塵的排放濃度。
⑵ 本實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，煙氣組分的測(cè)定主要對(duì)象為CO、NOx、SO2等，其他的有害氣體如HF、HCl、NH3、H2S、HCN等的測(cè)定均可以參照《空氣和大氣污染物監(jiān)測(cè)》中相關(guān)污染物的測(cè)定或采用相關(guān)的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)用。
參考文獻(xiàn)
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選自2009全國(guó)袋式除塵技術(shù)研討會(huì)論文集 | 
