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电袋复合锅炉除尘器内烟气对PPS除尘滤袋的影响
产品简介:通过元素分析和红外光谱等手段探讨了电袋复合锅炉除尘器中聚苯硫醚(PPS)除尘布袋失效的可能原因。结果表明,除尘布袋失效的主要原因是PPS被结露生成的酸所氧化。因此,降低烟气酸露点和烟气中NOx的含量是防止PPS除尘滤袋被腐蚀破坏的关键。
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        摘要:通过元素分析和红外光谱等手段探讨了电袋复合锅炉除尘器中聚苯硫醚(PPS)除尘布袋失效的可能原因,并估算了烟气中NO2、SO3酸性气体在低温结露时生成的酸溶液的浓度,进而选用质量分数为0%~5%的硝酸和20%~35%的硫酸模拟结露生成的酸溶液对PPS除尘滤袋进行耐腐蚀测试。结果表明,除尘布袋失效的主要原因是PPS被结露生成的酸所氧化;相对于H2SO4和HCl溶液,HNO3溶液具有更强的氧化作用;老化168h后PPS的断裂强度保持率最大可能降至新除尘布袋的20%。因此,降低烟气酸露点和烟气中NOx的含量是防止PPS除尘滤袋被腐蚀破坏的关键。

电袋复合锅炉除尘器是一种有机结合静电除尘和布袋除尘优点的复合型锅炉除尘器,具有超低排放、多污染物协同处理、节能和易维护等特点。除尘布袋是这种除尘技术的关键部件,其主要材料为聚苯硫醚(PPS)针刺毡。研究电袋复合锅炉除尘器的除尘布袋性能并延长其使用寿命,具有非常现实的经济和社会意义。PPS除尘滤袋是燃煤电厂烟气处理的除尘布袋之一,抗酸效果很好,现有约80%的PPS除尘滤袋使用于燃煤锅炉除尘器。PPS具有优异的耐腐蚀性能、耐高温性能、电学性能以及均衡的力学性能和阻燃性能等。
与常温烟气相比,高温烟气温度高,对烟气的密度、体积、气体分子运动等性能的影响较大。酸性腐蚀性气体的高温烟气冷却后容易在除尘布袋上结露,除尘布袋逐渐被腐蚀,造成其强度会迅速下降,进而造成除尘布袋的失效。实际工程运用中,氧化和酸碱腐蚀是化学损伤中破坏除尘布袋纤维的主要方式。分析除尘布袋失效原因主要是针对除尘布袋进行研究。除尘布袋失效尤其是化学性失效最主要还是由除尘布袋纤维的损害引起。本文章研究了高温下NO和O2对PPS除尘滤袋的影响,认为除尘布袋的强度主要由PPS的结晶度所决定,但也受到结晶区与非结晶区结构的影响。
本文针对新旧PPS除尘滤袋进行元素和红外分析,推断PPS除尘滤袋失效的主要原因,并研究烟气成分中酸性物质的种类和浓度对PPS除尘滤袋强度的影响规律。
1 实验部分
1.1 实验药品及设备
98%浓硫酸:分析纯;36%浓盐酸:分析纯;65%浓硝酸:分析纯。德国ElementarVarioMICRO元素分析仪;荷兰XL30ESEM-TMP型扫描电镜(ESEM)Philips-FEI;美国尼高力360智能型红外光谱仪(IR);英国EdinburgFLS920荧光谱仪;KQ-250B型超声波清洗仪;万能拉伸强度试验机。
1.2 实验方法
(1)收集和测定了华能福州电厂,福州可门电厂和福建大唐宁德发电厂烟气中的SO2和NOx的含量。
(2)从PPS新旧除尘布袋的不同部位上剪取滤料,然后将剪取的小除尘滤料用去离子水浸泡至少6h以上,再将除尘滤料边揉洗边冲水5min后将其放在盛有去离子水的烧杯中,用超声波清洗仪超声清洗PPS新旧除尘布袋。将清洗干净后的除尘布袋放在60℃的恒温干燥箱内干燥12h。
(3)将PPS纤维丝和洗净干燥后的PPS新旧除尘布袋进行元素分析、红外光谱分析。
(4)在带有磨口玻璃塞的250mL锥形瓶上编号,按照实验设计分别加入不同浓度的硝酸、硫酸和盐酸或混酸,然后放入备用PPS除尘滤袋块,密封,置于保持在设定老化温度95℃的恒温箱内。
(5)将除尘布袋块取出,冲洗干净,干燥后用万能拉伸强度试验机测试除尘布袋的拉伸断裂力。
2 结果与讨论
2.1 元素分析
实验测定了PPS旧除尘布袋、PPS新除尘布袋和PPS纤维丝中碳C、氢H、氧O、硫S的含量, PPS除尘滤袋使用后,不仅C、H、S的含量都低于理论值,而且还含有5.29%的氧。这说明PPS除尘滤袋的分子组成已发生变化。PPS新除尘布袋含有4.83%的氧,低于PPS旧除尘布袋的含氧量,而PPS纤维丝不含氧元素,其中C、H、S的含量与PPS理论值非常接近。
因此,引起旧PPS除尘滤袋材料氧含量增加的原因是除尘布袋在实际应用中在烟气作用下发生了化学腐蚀,PPS分子结构中引入了含氧的新基团,使得C、H、S这3种元素的总含量降低,O含量增加。
2.2 X射线荧光XRF分析
电袋复合锅炉除尘器使用PPS除尘滤袋,若受锅炉除尘器内气氛的影响,PPS除尘滤袋发生化学腐蚀作用,那么首先应该在气氛接触面上发生,因为接触面的气氛浓度最高。因此,通过对除尘布袋表面进行XRF分析能够为破袋机理研究提供基础数据。在旧除尘布袋表面,氧与硫的含量明显高于新除尘布袋,与元素分析结果相符,说明旧除尘布袋表面受到烟气中化学成分的氧化腐蚀。
2.3 红外光谱分析
分别对PPS旧除尘布袋、PPS新除尘布袋和PPS纤维丝进行红外光谱检测(IR),结果PPS纤维丝与PPS新除尘布袋的红外光谱图相似,但在1380cm-1吸收强度不同:PPS旧除尘布袋>PPS新除尘布袋>PPS纤维丝。从元素分析结果可知,新旧除尘布袋都含有氧O,对比官能团C=O和S=O双键的吸收峰,谱图上只有S=O键在1380cm-1位置的吸收峰与之吻合,说明除尘布袋的腐蚀中可能发生了化学的反应,即除尘布袋中的硫被氧化生成亚砜,形成了S=O双键。S=O双键与苯环上的C=C双键会形成共轭双键。受共轭双键影响,苯环上对位取代质子的面外弯曲振动吸收峰会出现红移。从PPS旧除尘布袋的红外光谱图可以看出,原本在810cm-1的吸收峰往左移。这验证了PPS除尘滤袋被氧化,形成S=O双键的推断。旧除尘布袋分子结构中含有S=O双键,所以酸对材料的氧化作用可能是除尘布袋失效的主要原因,在后续的研究中将利用对酸气结露的模拟进一步论证除尘布袋失效的主要原因。
2.4 烟气酸露点
收集部分电厂烟气,并测定其主要成分,估算出烟气中的主要酸性物质SO2和NOx冷凝时所形成的酸的浓度。不同电厂烟气中SO2含量的水平约为1500mg/m3~2000mg/m3。烟气的酸露点主要决定于烟气中水分和SO3的含量。荷兰学者Okkes提出了计算烟气酸露点的经验公式。根据烟气成分数据,计算出相应的烟气酸露点温度。烟气酸露点温度随着水分含量和SO3含量的增加而增高。烟气SO3含量分布于10mg/m3~130mg/m3,在SO3含量相同的情况下,水蒸气含量从3%增加到6%,酸露点温度提高十多度,可见烟气水分含量对于露点温度的影响较大。根据福建大唐宁德发电厂所测得的数据,电除尘出口烟气SO2的质量浓度为1996.3mg/m3,NOx的质量浓度为345mg/m3,120℃饱和水蒸气的密度为1119.9mg/m3。由此估算酸性气体在布袋上冷凝而形成酸的质量分数为:硫酸21%,硝酸3.9%,并以此为基础,确定模拟实验中所用的酸溶液的浓度。实验过程中,如果温度过高,水蒸气蒸发过快,会造成酸的浓度发生变化,因此实验温度设定为95℃。
2.5 PPS除尘滤袋在单一酸中的耐腐蚀性能
PPS除尘滤袋分别用不同质量分数的H2SO4和HNO3浸泡后的力学强度,老化温度95℃,老化时间分别为672h和168h后,PPS力学强度的衰减情况。PPS除尘滤袋的强度衰减情况采用断裂强度保持率来衡量。结果显示,仅H2SO4溶液浸泡时,PPS的力学强度基本没有变化,最大拉伸断裂力反而大于新的PPS除尘滤袋,这可能是由于制造PPS纤维时喷丝速度太快,部分纤维尚未充分钝化。而在耐酸腐蚀实验过程中,PPS纤维在硫酸氧化作用下得到充分钝化,从而使强力略有增加。而且PPS除尘滤袋是一种半晶体聚合物,受热后会产生晶体化作用,PPS中的硫醚在热氧化环境下可能被氧化成亚砜或砜。晶体化作用使PPS除尘滤袋的分子链发生交联,拉伸强度增加,因此导致PPS除尘滤袋强度的增加,但随着H2SO4浓度增大,断裂伸长断裂强力保持率显著下降。Fig.4与Fig.5相比,HNO3溶液对PPS纤维的力学性能影响较大,且随着HNO3浓度增大,断裂强度保持率显著下降。
2.6 PPS除尘滤袋在混酸中的耐腐蚀性能
在21%的H2SO4溶度中分别加入HCl和HNO3,在2种溶液中浸泡PPS除尘滤袋168h后,考察PPS除尘滤袋力学性能所受的影响,结果如Fig.6所示。从Fig.6可以直观看出,HCl对PPS纤维的力学性能基本不产生影响,PPS除尘滤袋的断裂强度保持率仍然是100%左右。而加入HNO3对PPS纤维的力学性能影响显著,PPS除尘滤袋的断裂强度保持率下降至60%左右。单独的HCl或H2SO4溶液对除尘布袋强度影响均很小,因此接下来主要研究HNO3对PPS纤维的力学性能的影响。
在质量分数为2%、3%、5%的HNO3中加入硫酸与不加入硫酸,老化时间为168h,对比PPS力学性能结果如Fig.7所示。在HNO3与H2SO4混合溶液的协同作用下,PPS纤维断裂强度保持率明显下降。随着HNO3浓度增加,PPS的断裂强力度保持率急剧下降。
在21%的H2SO4溶度中加入不同浓度的HNO3,PPS在168h后的力学强度如Fig.8所示,可以看出,随着混酸溶液中HNO3含量增加,PPS除尘滤袋的断裂伸长保持率显著下降。通过Fig.9可看出,随着老化时间延长,PPS除尘滤袋的断裂强度保持率有明显下降的趋势。
2.7 烟气成分对PPS除尘滤袋的影响
从上述的实验结果可以看出,烟气的水蒸气和SO3含量的增加均会提高烟气的露点温度,从而造成在较低温度下容易形成结露;在烟气结露后,烟气中的SO3和NOx将会形成酸溶液,其中HNO3对PPS除尘滤袋的腐蚀起到了关键作用,H2SO4起到了协同作用,因此加速了除尘布袋的失效速度;实验中的酸腐蚀实验温度为95℃,而电袋复合锅炉除尘器中的温度为130℃左右,可
以预见其腐蚀能力更为强烈。因此,避免烟气在除尘布袋的迎尘面上结露以及降低烟气中NOx的浓度是提高PPS除尘滤袋寿命的关键,比如可以在除尘前增加脱硝装置等措施。
3 结论
(1)通过元素分析和红外光谱的检测结果进行推测,除尘布袋失效的主要原因为烟气中的酸性气体结露导致PPS除尘滤袋氧化。
(2)烟气中水蒸气和SO3的含量越高,烟气的酸露点也越高,同时凝结形成的H2SO4含量也越高,腐蚀性越强。
(3)通过PPS除尘滤袋的耐腐蚀性实验可以看出,在本试验条件下,单一的H2SO4溶液对PPS除尘滤袋的力学性能影响较小。而当酸性溶液中含有HNO3溶液时,即使HNO3浓度很低,酸性溶液对PPS纤维的氧化腐蚀性也很强,造成PPS除尘滤袋的强度急剧下降。HNO3和H2SO4、HCl等酸溶液混合则对PPS腐蚀性更大。
(4)综上所述,HNO3对PPS的腐蚀性更为显著,因此烟气中的酸性气体NOx在PPS除尘滤袋上结露是急需解决的一个重要问题,降低烟气酸露点和烟气中NOx的含量是防止PPS除尘滤袋被氧化腐蚀失效的关键。

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