沈恒根1 許明珠1，2
（1 東華大學環境學院；2 上海特安綸纖維有限公司）
摘 要 燃燒氣體是評價耐高溫纖維耐阻燃性能指標之一，本文通過設計燃燒試驗裝置對幾種常用袋式除塵器用高溫濾料纖維進行高溫燃燒，利用煙氣分析儀器測定其燃燒產生的CO、NOx、SO2等有害氣體成分及其含量。結果顯示，燃燒氣體成分及與纖維的化學結構與燃燒溫度有關。CO氣體含量隨溫度的變化曲線近似于正態分布，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，袋式除塵器在高溫煙氣除塵領域中的應用越來越廣泛，濾袋是袋式除塵器的關鍵技術之一，2006年袋式除塵器用過濾材料總生產量初步估算約達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，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，直接間進行過濾，造成“燒袋”現象；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異常，濾料往往一年不到或幾個月就需要進行更換。大量廢棄的濾料的處理，大部分作為工業廢棄物直接進行焚燒處理。這些濾料實際使用過程中出現的情況，都使得濾料燃燒而產生煙及燃燒氣。這些有毒有害氣體不僅對維護、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生的煙及氣體進入大氣中，將會給大氣環境帶來一定的污染危害。
目前國內在評價耐高溫纖維的阻燃性能時主要考慮纖維的持續使用溫度、最高使用溫度、碳化溫度及氧極限指數等指標，而纖維發煙量及燃燒氣體的毒性也是評價阻燃纖維的另外兩項重要指標。日本紡織品的燃燒性能評定項目就包含了發煙性和燃燒氣兩項[2]。一些國外大型的濾料纖維生產廠家，在評價纖維的阻燃特性時往往也引入煙排放濃度和燃燒有害氣體這兩項指標，有關這方面的相關研究和測試值得我們重視。
2 幾種常見高溫纖維的耐溫特性
除塵工程中把大于130℃的煙氣稱為高溫煙氣[3]。這類煙氣的除塵對過濾材料的耐溫性能及阻燃性能要求較高，濾料性能的優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，各有其優缺點，根據不同的使用場合要求，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
目前國內在評價濾料用纖維阻燃性能指標時，主要側重于纖維的持續工作溫度、最高使用溫度、碳化溫度、極限氧指數LOI等指標，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的比較[4-6]。
2.2 高溫纖維的化學分子結構及燃燒產物
目前廣泛應用于高溫煙氣過濾領域的袋式除塵器濾料多為合成化學纖維制成，濾料燃燒性能與組成織物的纖維高分子化合物結構有關[2]。這些合成化纖的主要化學元素是C、H、N、S等，這些元素與空氣在高溫燃燒狀態下，經過一系列的熱分解、氧化等反應后，生成相應的氣態污染物。
氮氧化物是指燃料與空氣在高溫燃燒中產生的NO經過各種各樣的氣相反應所生成的。燃燒產生的NOx幾乎就是NO，在大氣中會很快被O3(10～100pbb)氧化為毒性很強的NO2。合成化纖中的有機硫在高溫燃燒下主要被氧化成SO2，SO2氣體無論對環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控制對象。有機合成纖維燃燒產生的另外一種主要的有害氣體就是CO，生成的原因是碳氫化合物的不完全燃燒和熱分解。CO是對人體有毒的有害物質[7]。幾種常用耐高溫纖維的分子結構式及其燃燒產生的主要氣態污染物如表2 所示。
表1 幾種常用耐高溫纖維的耐高溫性能指標比較
|
纖維名稱
耐溫特性 |
PPS |
間位芳綸 |
芳砜綸 |
酰亞胺 |
|
持續使用溫度 /℃ |
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 |
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極限氧指數LOI(%) |
35 |
29 |
33 |
38 |
注：聚苯硫醚纖維，英文簡寫PPS，注冊商品名有普抗PROCON、特康Torcon等；間位芳綸，化學名為芳香族聚酰胺纖維，英文簡寫PMIA，注冊商品名有Nomex、Conex、紐士達等；聚酰亞胺纖維，英文簡寫PI，注冊商品名有p84、Kermel等；芳砜綸纖維，英文簡寫PSA，注冊商品名有Tanlon。
由各種纖維的化學結構式可以看出，目前應用較廣泛的耐高溫化學合成纖維高分子化合物中，碳氫元素占大部分，另外因為帶有不同的苯硫基、酰胺基、砜基等官能團而含有氮、硫等元素。所以燃燒產物以碳氧化物為主，其中CO為有害氣體，對環境和人體健康危害較大，另外還有兩種主要氣態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。所以該實驗把上述三種污染物作為主要的測定對象。
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本文選自2009全國袋式除塵技術研討會論文集 | 
