NO_2对烟气除尘用聚苯硫醚滤料机械性能的影响.pdf

收稿日期 2009- 11- 05 基金项目 国家高技术研究发展计划项目 2007AA06Z346; 2007AA061804 作者简介 柳静献 1966- , 男, 河北元氏人, 东北大学副教授, 博士; 孙熙 1945- , 男, 辽宁本溪人, 东北大学教授 第31卷第7期 2010 年 7 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol131, No. 7 Jul.2 01 0 NO2对烟气除尘用聚苯硫醚滤料机械性能的影响 柳静献, 张海燕, 常德强, 孙 熙 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004 摘 要 燃煤锅炉烟气除尘中, 发现烟气组分对滤料机械性能有影响模拟烟气条件, 研究了在 NO2气 体环境下聚苯硫醚滤料性能随 NO2浓度、 作用时间和温度的变化结果表明 随着 NO2浓度增大、 作用时间 延长、 温度升高, 滤料强度下降明显, 在 3 mL/L , 190 e , 120 h 时滤料经向和纬向强度保持率仅为 5518 和 4817通过电镜扫描发现在 NO2作用下, PPS 纤维出现明显断裂; 由于 NO2的氧化性, 在聚苯硫醚分子链上 加入氧元素后, 使其颜色加深, 脆性显著增加烟气中 NO2是导致滤料寿命降低的原因之一, 现场应用时, 应 通过生产工艺降低其含量 关 键 词 NO2; 烟气; 聚苯硫醚; 滤料; 机械性能 中图分类号 X 513 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026201007 -1030 -05 Effect of NO2on Mechanical Properties of Polyphenylene Sulfide Filter for Smoke Dust Removal LIU Jing -xian, ZHANG Hai-yan, CHANG De -qiang, SUN Xi School of Resources flue gas; polyphenylene sulfide; filter; mechanical properties 国内外的应用证明, 燃煤电站锅炉产生大量 微细 PM10, PM2. 5 颗粒, 袋式除尘器已经成为 控制工业烟尘和微细粒子的有效设备[1- 2]对袋 式除尘器而言, 滤料是设备的核心, 其性能决定着 除尘器性能的发挥聚苯 硫醚 polyphenylene sulfide, PPS 树脂具有良好的热稳定性、 化学稳 定性、 耐腐蚀性及电性能, 以该树脂纤维制作成的 PPS 针刺毡滤料, 由于其优越的性能被认为是电 厂锅炉烟尘捕集的首选滤料[ 3- 5] 现场数据也表明, PPS 树脂的抗氧化性欠佳, 因此 PPS 滤料需要在弱氧化环境下使用[6- 7]燃 煤电厂锅炉烟气成分复杂, 燃烧时空气和燃料中 的氮在高温下会被氧化生成氮氧化物, 其中 NO 含量较大, 约占氮氧化物的 95 体积分数但 NO 对 PPS 的影响较小, 而烟气中少量的 NO2由 于具有很强的氧化性, 对抗氧化性较差的 PPS 具 有破坏性, 从而使 PPS 滤袋寿命缩短, 极大地增 加了烟气除尘的现场运行成本研究 PPS 在 NO2 作用下的性能变化, 对优化滤料现场应用环境, 延 长滤料使用寿命有重要意义 1 实验方法和样品 实验试图模拟滤料在现场烟气应用中的环境 条件, 研究 NO2浓度、 接触时间、 烟气温度三因素 对 PPS 滤料机械性能的影响根据 PPS 滤料现 场使用的情况, 设计出实验条件如表 1 所示, 即 固定温度 190 e 和时间 24 h , 改变 NO2浓度; 固定温度 190 e 和NO2浓度 3mL/ L , 改变接 触时间; 固定时间 24 h 和 NO2浓度 3 mL/ L , 改变温度实验装置如图 1 所示 表 1 实验条件 Table 1 Experimental parameters 环境温度/ e接触时间/ hU NO2/ mLL- 1 190241, 1. 5, 2. 0, 2. 5, 3. 0, 250 19024, 48, 72, 96, 1203. 0 130, 150, 170, 190, 210243. 0 图 1 实验原理图 Fig. 1 Schematic of experimental setup 1 吸收瓶; 2 阀门; 3 温度计; 4 安全阀; 5 压力表; 6 老化实验器; 7 恒温箱; 8 流量计; 9 氮气瓶; 10 NO2气瓶; 11 阀门; 12 气体检定管; 13 气体采样器 滤料的机械性能直接决定了滤袋在现场使用 中寿命的长短, 常用滤料的经向、 纬向断裂强力和 伸长率来表示断裂强力表征滤料的机械强度, 通 常该值越大滤袋寿命越长; 断裂伸长率表征滤料 的拉伸韧性, 过大或过小都对滤袋的使用有影响, 滤袋在现场使用的整个生命周期内, 该值不应有 太大的变化 实验前后滤料强力性能的变化可用断裂强力 保持率和断裂伸长保持率来表示, 分别定义为实 验后滤料断裂强力或断裂伸长率与参照试样的断 裂强力或断裂伸长率之比实验在一定温度下进 行, 得到的断裂数值为温度和 NO2两因素共同作 用的结果为消除单纯温度因素对实验结果的影 响, 实验时在实验老化器内部和外部 烘箱内 分 别放置样品, 实验老化器内部的样品作为实验样 品, 外部的样品作为参照试样断裂强力保持率实 际上是实验老化器内部样品和外部样品的断裂强 力之比 滤料样品的制备、 测试和计算按GB3923 97 进行, 试样样条的剪取采用平行法从 PPS 针刺 毡滤料批量样品中随机剪下至少 1 m 长的全幅作 为实验原料, 每组实验需在原料上剪取 400 mm 50 mm 的条样, 经向和纬向各取 5 个样品, 并以 J 或W 标于其上区分经向和纬向样品, 如图 2所示 图 2 样品裁剪 Fig.2 Sample cutting 实验时把所有滤料样品放置于老化实验器 内, 打开 N2和 NO2气体, 调节流量, NO2气体浓 度用 NO2气体浓度检定管来测量, 当老化器内的 浓度达到指定的浓度后, 打开烘箱电源, 调整电热 鼓风干燥箱的温度控制, 当温度上升至预定值时 1031第 7 期 柳静献等 NO2对烟气除尘用聚苯硫醚滤料机械性能的影响 开始计时每隔 1 h 检定一次 NO2气体浓度, 到预 定时间后关闭所有装置, 并取出样品进行断裂强 力测试断裂强力取 5 个样品断裂强力的平均值, 并计算出断裂强力和断裂伸长保持率 2 结果与讨论 2. 1 NO2浓度对 PPS滤料的影响 PPS 树脂的熔点大约为 280 e , 分解温度大 约为 400 e现场应用时, 其使用温度建议不超过 190 e 实验时, 设置烘箱温度 190 e , 调整 NO2 浓度为预定值, 实验样品和参照样品分别置于老 化实验器内外, 实验 24 h 后, 进行实验组和参照 组样品的断裂强力测试, 计算强力保持率分别对 样品进行 1. 0, 1. 5, 2. 0, 2. 5, 3. 0, 250 mL/ L 的实 验, 断裂强力保持率和断裂伸长保持率结果如图 3所示 图 3 滤料机械性能随 NO2浓度变化 Fig. 3 Relationship between mechanic strength of PPS filter and NO2concentration 190 e , 24 h a 滤料断裂强力保持率; b 滤料断裂伸长保持率 由图 3 可以看出, 在 NO2浓度小于 215 mL/ L 的范围内, 滤料的强力变化不大; 从 310 mL/ L 开始, 经、 纬向强力都有所下降; 当增加到 250 mL/ L 时, 经向和纬向强力保持率都大幅度地下 降, 分别降到 5818和 6812说明 NO2对 PPS 滤料强力具有明显的破坏作用, 浓度越高作用越 强断裂伸长保持率呈现与断裂强力保持率相似 的规律, 在 250 mL/ L, 190 e , 24 h 时, 经、 纬向数 值分别为 6311 , 6712, 说明滤料的韧性变小、 脆性增加 2. 2 作用时间对 PPS滤料的影响 NO2浓度调整为 310 mL/ L, 温度设置为 190 e , 分别对样品进行 24, 48, 72, 96, 120 h 的 NO2作用时间实验, 测试、 计算样品经、 纬向断裂 强力保持率和断裂伸长保持率, 如图 4 所示 图 4 滤料机械性能随作用时间的变化 Fig.4 Relationship between mechanic strength of PPS filter and fu nctioning time a 滤料断裂强力保持率; b 滤料断裂伸长保持率 可以看出, PPS 滤料经向断裂强力和纬向断 裂强力都随臭氧作用时间的延长而明显减小, 190 e , 310 mL/ L, 24h, 经向、 纬向的断裂强力保 持率分别为 9710 , 9013; 时间延长到 120 h 时, 数值分别下降到 5518 , 4817说明 NO2 对PPS 滤料具有明显的腐蚀作用, 作用时间越长 破坏性越强, 在现场表现为 PPS 滤袋寿命明显缩 短滤料的脆性同样随作用时间的延长而增大, 在310 mL/ L, 190 e , 120 h 时, 经、 纬向断裂伸长 保持率仅为 4610和 5115 2. 3 温度对 PPS滤料的影响 调整 NO2浓度为 310 mL/ L, 在 130, 150, 170, 190, 210 e 下分别对样品进行实验, 作用时 间24 h经、 纬向的断裂强力保持率和断裂伸长保 持率如图 5 所示 在一定范围内, 随温度升高, PPS 会发生晶体 化作用, 其结果导致强力上升, 表现为断裂强力保 持率超过 100; 另外, NO2又对 PPS 起到破坏作 用, 使其强力降低由于滤料样品个体的差异, 在 130 e 断 裂 强 力 保 持 率 规 律 性 不 明 显, 从 1032东北大学学报 自然科学版 第 31 卷 150 e 开始, 随温度的升高, 断裂强力保持率显著 下降, 210 e 时, 经、 纬向的值分别为 9316 和 8812说明温度的升高, 加剧了 NO2对 PPS 滤 料的破坏断裂伸长保持率显示出相似的规律, 随 温度的升高, 脆性同样增加 图 5 滤料机械性能随温度的变化 Fig.5 Relationship between mechanic strength of PPS filter and temperature a 滤料断裂强力保持率; b 滤料断裂伸长保持率 2. 4 实验样品微观分析 为进一步分析环境因素对 PPS 的影响, 找出 强力下降的原因, 针对实验后的滤料进行了微观 电镜扫描, 不同条件下滤料样品的电镜扫描图像 见图 6 从图 6a 可以看出, 原始的 PPS 针刺毡滤料 的纤维表面光滑, 相互交织, 纤维未出现断裂, 偶 尔有纤维直径不均匀; 而经过 NO2实验后样品, 其纤维表面变得粗糙, 部分纤维出现断裂说明 NO2与纤维间发生了反应, 纤维的表面和整体都受 到破坏随着 NO2浓度的增大, 作用时间的延长, 纤维被破坏的程度加大,从而导致了强力的下降 图 6 不同条件下滤料样品的电镜扫描图像 Fig.6 SEM image of PPS filter under different conditions a 未经任何处理的 PPS 滤料; b 190 e , 96h, 3. 0 mL/ L NO2条件下; c 190 e , 120 h, 3. 0mL/L NO2条件下; d 190 e , 24h, 250 mL/ L NO2条件下 3 化学反应分析 PPS 滤料是一种半晶体聚合物, 受热后会产 生晶体化作用[5,8- 9], 在高温及氧化环境中, PPS 中的硫醚在热氧化环境下很容易被氧化成亚砜或 砜[10]晶体化作用使 PPS 滤料的分子链发生交 联, 拉伸强度增加, 因此在一定的温度范围内, 温 度的升高会导致 PPS 滤料强力的增加PPS 被氧 化的过程发生在苯环上, 表现为自由基被氧化的 反应[ 11], 其化学反应为 该反应会使 PPS 链变异, 从而导致其强力下 降现场应用中, PPS 滤料表现出的是交联所致强 力上升和氧化所致强力下降综合作用的结果在 NO2与 PPS 反应中, 来自 NO2的氧原子参与聚 苯硫醚的分子结构后, PPS 的外观也发生一些变 化, 其颜色加深, 成为深棕色, 而且 NO2浓度越 大, 作用时间越长, 温度越高, 滤料颜色越深; 断裂 强力拉伸实验时, 样品的拉伸变形越来越小, 拉伸 断裂部位区域性平整, 并且随着 NO2浓度增大, 作用时间越长, 温度越高而愈加明显表明 PPS 滤料在 NO2作用后韧性越来越小, 脆性越来越明 显 4 结 论 1 NO2对 PPS 滤料强力性能有明显的影 响, 随着 NO2浓度增大、 作用时间延长、 温度升 高, PPS 滤料的断裂强力呈现出显著的下降趋势 例如在 NO2为 250 mL/ L, 190 e , 放置 24 h 时, 其经、 纬向强力保持率 分别降低到 5818 和 6812; 在 310 mL/ L, 190 e , 120 h 时经、 纬向强 力保持率仅为 5518 和 4817 2 在 NO2作用下, PPS 滤料韧性下降、 脆性 显著增加当 NO2浓度增大、 作用时间延长、 温度 1033第 7 期 柳静献等 NO2对烟气除尘用聚苯硫醚滤料机械性能的影响 升高时, 断裂伸长率呈现出明显的下降趋势在 310 mL/ L, 190 e , 120 h 时, 经、 纬向断裂伸长保 持率仅为 4610 和 5115 3 滤料的扫描电镜显示, 经过 NO2作用后 的PPS 滤料, 纤维的表面遭到破坏, 部分纤维发 生断裂, 从而导致了 PPS 滤料整体断裂强力的降 低 4 NO2与 PPS 的反应主要发生在带负电的 S 原子上, 分子链上氧的加入导致了纤维强力的 下降、 颜色的加深和脆性增加 5 在电厂锅炉烟气除尘中, 要尽可能降低烟 气中 NO2的浓度, 保证烟气在露点以上较低的温 度条件下使用, 从而延长 PPS 滤袋的使用寿命 参考文献 [ 1 ]Buhre B J P, Hinkley J T.Fine ash ation during combustion of pulverised coa- l coal property impacts [ J ] . 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