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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)濾材料總生產(chǎn)量初步估算約達(dá)5 000萬(wàn)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(guò)程中，如果使用不當(dāng)，過(guò)高的煙氣中的未燃盡顆粒物在來(lái)不及降至濾料的最高使用溫度之下，直接間進(jìn)行過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(wàn)噸的濾料在使用及處理過(guò)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(lái)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(jiàn)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)煔鈁3]。這類煙氣的除塵對(duì)過(guò)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^(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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?。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。

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?、酰胺基、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。

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(jiàn)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(kāi)電源，加熱套管開(kāi)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(jiàn)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。

 
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。

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(wú)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(kāi)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。

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