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 |
|
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。
表2 幾種常用耐高溫濾料用纖維的化學分子式及主要燃燒產物
3 試驗裝置及方法
3.1 試驗方法
本試驗選取幾種常見的不同種類的耐高溫纖維進行高溫燃燒，測試其燃燒氣體的成分和含量，具體的試驗操作步驟如下：
稱取200mg的測試纖維樣品，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測試口中，調節轉子流量計為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，測定并記錄纖維燃燒產生的氣體的成分及其含量。
3.2 試驗裝置
本實驗用燃燒裝置，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、測試段三部分，如圖1所示。
加熱段：3個功率為900瓦的加熱套管，加熱溫度可達到1000℃左右，纖維的碳化溫度一般在400℃~500℃之間，保證了試驗所需溫度的要求。
冷卻段：由于加熱段的爐腔溫度較高，為了保證后續煙氣分析儀器的溫度要求，需要對高溫煙氣進行冷卻。一般直接進行空氣冷卻，冷卻后氣體的溫度基本在50℃以下，能夠滿足測試要求。如果實驗條件需要，還可以進行水冷卻。該實驗采用的是空氣冷卻。
測試段：該段上方安置一個測試口，可供放置煙氣分析儀的測試探頭。如果需要收集測試氣體，也可以在該段的出口處進行收集。
3.3 主要試驗儀器
本試驗所采用的主要設備及儀器見表3所示。其中最主要的測試儀器是testo 350 XL煙氣分析儀。該儀器置于燃燒裝置的測試段測試口處，對燃燒產生的氣體成分及含量進行測試。
表3 燃燒實驗主要儀器
|
序號 |
儀器名稱 |
型號 |
量程 |
用途 |
|
1 |
熱電耦 |
WRN 130 K |
0~1000℃ |
測量爐腔加熱溫度 |
|
2 |
溫度控制調節儀 |
XMT-101 |
0~1300℃ |
顯示溫度數值 |
|
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 |
ACO-009D |
排氣量：100L/min；
壓力：0.04Mpa |
提供燃燒所需空氣量 |
|
5 |
玻璃轉子流量計 |
LZB-10 |
0.25~2.5Nm3/h |
控制進氣量 |
|
6 |
煙氣分析儀 |
testo 350 XL |
可測參數：O2、CO、NOx、SO2、H2S、HC |
測定纖維燃燒煙氣中的有害氣體成分及濃度 |
4 實驗數據及分析
耐高溫有機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，產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）測試樣品選取2種不同產地的間位芳綸纖維，為了避免涉及注冊商品名稱，故采用編號；
2） “—”表示無該氣體生成。
耐高溫纖維隨燃燒溫度的升高，其產生的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分布。
由CO的濃度變化曲線可以得出，燃燒產生的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在460℃左右，而Nomex和芳砜綸纖維的CO氣體濃度最高值則出現在500℃左右。不同的纖維出現的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在440℃左右；PPS纖維則在550℃高溫后才開始產生CO。
各種耐高溫纖維燃燒產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看，應該出現在580℃或更高的溫度。
間位芳綸-2#纖維燃燒產生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；
試驗的五種纖維樣品中，如表2中所列的各種纖維的化學分子結構式，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為燃燒測試的芳砜綸與PPS纖維樣品燃燒產生的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，燃燒產生的SO2氣體濃度達到最大值，為22ppm；而PPS在接近550℃時，SO2的含量才明顯上升，在600℃高溫時達到最大值，為64ppm。
5 結論與建議
5.1 結論
⑴ 耐高溫纖維在高溫燃燒產生的主要氣體為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SO2氣體，PPS纖維產生量高于芳砜綸纖維。
⑵ 不同的纖維燃燒產生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 本試驗在相同供氧量及溫度條件下進行，纖維燃燒產生的氣體成分及含量與纖維的組成有很大關系。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纖維因其化學分子結構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重要指標除了燃燒氣體外，還應包括煙排放濃度。本試驗由于測試儀器有限，未能對纖維的發煙性能進行測試。若滿足具有相關煙塵測試儀器的測試條件，可在在燃燒裝置的測試段的出氣口進行取樣，可以測出燃燒煙塵的排放濃度。
⑵ 本實驗由于實驗條件的限制，煙氣組分的測定主要對象為CO、NOx、SO2等，其他的有害氣體如HF、HCl、NH3、H2S、HCN等的測定均可以參照《空氣和大氣污染物監測》中相關污染物的測定或采用相關的監測儀器進行測用。
參考文獻
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[2] 楊彩云，楊俊霞. 北京：產業用紡織品.北京：中國紡織出版社[M]，1998.66.
[3] 張殿印，王純.除塵工程設計手冊[M].北京：化學工業出版社，年.408.
[4] 范曉玲，郭秉承.新型耐高溫濾料用纖維[J].北京紡織，22(4)：40.
[5] 汪曉峰，張玉華.芳砜綸的性能及其應用[J].紡織導報，2005，（1）：19.
[6] 班燕，任加榮，張玉華.芳砜綸在耐高溫濾料中的應用[J].產業用紡織品，2006， (12)：33~34.
[7] 新井紀男.，翻譯：趙黛青，趙哲石等.北京：科學出版社，2001. 33~37.
選自2009全國袋式除塵技術研討會論文集 | 
