冷却塔用竹制网格填料的研究
作者：晶杰冷却塔 时间：2021-05-19 08:42 阅读：
由于其良好的耐热性，环境友好性和低成本优势，竹制网格填料（BGP）已成为一种有前途的新型冷却填料。它越来越多地用于中国的工业冷却塔中，以代替由聚氯乙烯，水泥和玻璃纤维增强塑料制成的冷却填料。然而，机械性能和抗真菌性是所有竹子应用所关注的。在这项研究中，比较了新鲜BGP和在冷却中使用了9年的BGP的断裂模量（MOR），弹性模量（MOE），密度，结晶度和环境扫描电子显微镜（ESEM）特性。塔。结果表明，所用BGP的MOR，MOE，密度，结晶度和晶体尺寸有所降低，但仍满足冷却塔正常使用的要求。 ESEM观察表明，使用过的BGP没有被真菌感染。机械性能的下降可能是由密度，结晶度的降低和竹子化学成分的分解引起的，而不是由真菌感染引起的。1.简介
双曲线冷却塔由于具有很高的散热和节能能力，因此广泛安装在发电厂，钢铁厂，炼油厂和石化厂。与组件式冷却塔相比，双曲线冷却塔的尺寸通常要大得多，并且需要更多的冷却填料。冷却填料是冷却塔的核心组件，占冷却塔散热的60％–70％[1,2,3,4]。冷却塔填料的类型起着重要的作用，因为它为蒸发热和从热水到周围空气的质量传递提供了较大的表面积，并增加了两者之间的接触时间[5]。诸如聚氯乙烯（PVC），水泥和玻璃纤维增强塑料之类的不同材料已被用作冷却填料。当前，最流行的冷却填料材料是PVC，在中国的市场份额超过70％[6]。然而，PVC填料工业正面临重大挑战，例如石化资源的供应减少，价格上涨以及超过其功能寿命的环境中的PVC残留物[7]。在中国，有许多发电厂，钢铁厂，炼油厂和石化厂，废弃的冷却填料可能会造成严重的环境污染。此外，PVC填料的使用寿命短且防污性能差。因此，研究人员和企业家一直在寻找PVC的环保且使用寿命更长的替代品。
最近，竹制填料材料已在中国的一些双曲线冷却塔中使用。竹子是生长最快，用途最广泛的植物之一，在气候潮湿的热带和温带地区广泛生长。它是自古以来就一直使用的具有重要经济意义的原材料。竹林约占世界森林总面积的1％[9]，总竹木面积为3150万公顷，其中60％集中在快速发展的国家，例如中国，印度和巴西[10]。竹子在世界某些地方也是一种入侵植物[11]，其扩展往往会减少当地环境中的生物多样性，影响土壤的理化特性和微生物组成，削弱生态系统功能，并改变森林景观[12]。但是，由于结合了生长快，生命周期短，机械强度高和能耗低的优点[13]，竹子也具有用作填料材料的出色自然潜力，这可能有助于控制竹林的扩张。 ，减少温室气体，并提供碳固存。与PVC填料相比，竹网格填料（BGP）在温度适应性，防污性能[6,8]和良好的冷却性能[14,15,16,17]方面也具有一定优势。然而，对于竹材料的任何应用来说，耐久性一直是一个问题。连续暴露在冷却塔中的热水流中导致的机械性能下降可能是个问题。此外，由于竹子营养丰富，容易受到真菌感染。真菌感染可能致命，因为它会降低竹子的机械强度，从而缩短BGP的使用寿命。缺乏这方面的研究阻碍了BGP在工业应用中的发展。
为了填补这一空白，研究了在冷却塔中使用了9年的BGP的机械性能，例如断裂模量（MOR）和弹性模量（MOE），并将其与未使用的对照样品的性能进行了比较。还研究了密度和结晶度，并在环境扫描电子显微镜（ESEM）下观察样品，以更好地了解机械性能的变化以及BGP的抗真菌性。
2。材料和方法
2.1。用料
原材料取自生长在中国福建省邵武市的毛竹（Phyllostachys edulis（Carrière）J.Houz）。将竹杆切成条状（纵向1200毫米，切向40毫米）。在条上制作三个直径为10毫米的孔。如图1所示，将圆形竹签插入孔中以连接竹条。一块BGP的尺寸为1200 mm×600 mm×40 mm，竹条之间的间距为50 mm。 BGP单元在双曲线冷却塔中堆叠到1.5 m的高度（图1）。从新鲜的BGP单元收集对照样品。
森林09 00762 g001 550图1.（a，d）竹网格填料（BGP）在双曲线冷却塔中的应用； （b，e）BGP单元堆栈； （c，f）用竹条组装的BGP。
从位于福建和山东省的两个双曲线冷却塔中收集了9年的BGP装置。从福建省收集的BGP（FJBGP）用于火力发电厂的双曲线冷却塔。从山东省（SDBGP）收集的一个被用于钢铁厂的双曲线冷却塔。在两个冷却塔中，进水温度为45至50°C，水质量通量约为6500 kg /（h * m2）。在实验之前，所有样品都在21±2°C的条件下进行处理，相对湿度为65±3％，以达到平衡水分含量（EMC）。
2.2。机械性能和密度测试
根据GB / T 15780-1995进行了三点静态弯曲试验，同时获得了MOR和MOE [18]。由于在冷却塔的实际工作环境中，BGP上的负载主要在切线方向上，因此竹带的弯曲测试也在切线方向上进行。试样的尺寸为：纵向160mm×切线10mm×竹茎壁的厚度t。沿切线方向以6 mm / min的速度加载测试。在弯曲试验后测量水分。根据GB / T 1933-2009 [19]，采用排水法测量样品密度。对照组，FJBGP和SDBGP中用于确定力学性能和密度测试的标本数量分别为10、20和16。
2.3。结晶度测试
使用八十目竹粉作为实验材料。竹粉由磨机加工而成，它包括一种在表面压力远低于引起微晶断裂的表面压力下将不同长度的细纤维随机混合并分布在各个方向的方法[20]。使用X射线衍射仪（AV300，Panalytical Co.，Amsterdam，The Netherlands）在0.154nm的波长下进行X射线衍射（XRD）测量以评估风干的竹细胞壁的晶体性质。将入射的X射线辐射测量为以40 kV和40 mA的功率通过镍滤光片的特征Cu X射线。每个样品的XRD光谱都以5-50°的角度（2θ）记录。在本节中测试了三个副本。纤维素的结晶度通过以下Segal方法计算[21]：
CrI = I002-IamI002×100％
（1）其中，CrI表示纤维素的结晶度（％），I002表示（002）面衍射的反射强度，Iam表示在2θ角的18°附近的最小值的强度。
在X射线衍射和晶体学中，Scherrer方程将固体中亚微米颗粒或微晶的大小与衍射图谱中峰的加宽相关[22]。这项研究使用这种方法来确定纤维素中晶体颗粒的大小。 Scherrer方程用于计算有序（晶体）域的平均大小，可以写为[23]：
D =Kλβcosθ
（2）其中D表示晶体区域的平均尺寸（nm），K表示无因次形状因子（0.9），λ表示X射线波长，β表示在最大强度的一半处加宽的线，θ表示散射角。
2.4。显微组织观察
使用环境扫描电子显微镜（ESEM，XL30 FEG，FEI Co.，观察竹条的微观结构。用剃须刀和切片机仔细准备了立方样品（5毫米×5毫米×5毫米），以获得整洁的表面。然后，在样品表面涂上金膜（8-10 nm），并在ESEM下观察。
2.5。统计分析
首先使用SPSS 19.0（IBM SPSS Corporation对多个比较进行方差分析（ANOVA），然后使用Duncan检验在0.05的显着性水平下确定对照平均值和使用的BGP标本之间的显着差异。
3。结果与讨论
3.1。机械性能和密度
BGP条的力学性能如表1所示。FJBGP和SDBGP的MOR分别为106.16 MPa和107.91 MPa，FJBGP和SDBGP的MOE分别为8869.66 MPa和8986.50 MPa。 FJBGP和SDBGP的机械性能差异无统计学意义。但是，FJBGP和SDBGP的MOE和MOR均显着低于对照样品。这些结果表明，冷却塔中的湿热条件对BGP的机械性能产生了负面影响。这可能与水流对竹子成分的降解有关，从而降低了竹子的密度和结晶度。
与对照样品相比，FJBGP和SDBGP的MOR保留分别为74.16％和75.38％，FJBGP和SDBGP的MOE保留分别为86.53％和87.67％。 MOE的保留超过了MOR，这可以归因于在湿热条件下半纤维素和纤维素比木质素更易降解[24,25]。竹子主要由纤维素，半纤维素和木质素组成。竹的细胞壁中的纤维素充当提供弹性和强度的框架，而木质素充当坚硬而坚实的物质，有助于硬度和刚度[26]。半纤维素作为基质材料，可确保竹子的韧性，硬度和强度[24]。木质素的热稳定性优于纤维素和半纤维素[26]。
根据“化石燃料厂冷却塔的竹填料技术规范” [27]，MOR和MOE的正常要求分别为100 MPa和8500 MPa。尽管使用的BGP的机械性能下降了，但尽管使用了9年，它们仍然可以满足要求。
表1中显示了平均密度和标准偏差。FJBGP和SDBGP之间的密度差异在统计上并不显着。在0.05水平上，FJBGP和SDBGPT的密度显着低于对照样品。与对照样品相比，FJBGP和SDBGP的密度保留率分别为92.06％和91.15％。密度的降低可以用循环水引起的竹细胞壁成分的降解和细胞腔内水溶性淀粉的损失（见3.3节）来解释。但是，由于毛竹中淀粉含量的百分比仅为0.1％左右，淀粉损失对密度降低的影响可以忽略不计[28]。密度的降低也可以解释所使用的BGP的机械性能的降低，因为密度和机械性能之间存在显着的相关性，如图2所示，这与以前的研究一致[29]。但是，对于MOR，使用的BGP值低于具有相似密度的对照样品的值（请参见图2的虚线圆），而对于MOE则不然。如上所述，原因可能是半纤维素和纤维素的降解和水解远远超过木质素。另外，纤维素结晶度的降低也可能是一个重要因素（参见第3.2节）。
森林09 00762 g002 550图2. MOR / MOE与密度之间的关系。虚线圆圈的详细信息在文本中进行了说明。 FJBGP：从福建收集的竹格填料； SDBGP：从山东收集的竹格填料。
3.2。结晶度
纤维素由无定形和结晶区域组成。结晶纤维素紧密堆积且难以降解，而非晶区在高温下易于分解[30]。纤维素结晶度是指结晶纤维素在总纤维素中的百分比，反映了在纤维素积累过程中发生的结晶程度。取向程度和结晶区域的相对含量对竹子的断裂强度，韧性和弹性模量有重要影响[24]。当纤维素受到外力作用时，分子链将沿外力方向排列以产生优先取向，并且分子之间的相互作用将大大增强。
三组样品的XRD图谱如图3所示。很明显，纤维素衍射峰的位置没有变化。但是，在冷却塔中使用BGP九年之后，纤维素衍射峰（002）的强度明显下降。样品的结晶度和晶体尺寸如表2所示。与对照样品相比，FJBGP和SDBGP的结晶度保持率分别为87.76％和89.77％，FJBGP和SDBGP的晶体度保持率分别为85.21％和86.88％。 。冷却塔中的热水可能会使使用过的BGP的非晶态基质降解，从而可能增加CrI。但是，在这项研究中，FHBGP和SDBGP的结晶度降低了。这可以由以下原因解释：热水将半纤维素侧链上的乙酰基裂解，生成乙酸和糖醛酸[31]，从而催化了纤维素的水解。酸不仅降解了纤维素的无定形区域，而且还降解了晶体区域[32]，这与晶体尺寸的减小是一致的（表2）。细胞壁中结晶区域的比例低。当酸切割晶体区域中的分子链时，部分晶体区域将变成非晶区域，从而导致SDBGP和FJBGP的结晶度较低且晶体尺寸较小。
森林09 00762 g003 550图3.三个样品组的X射线衍射（XRD）图。
结晶度的降低导致BGP的断裂强度和弹性模量降低，这可以部分解释所使用BGP的MOR和MOE降低（表1）。
3.3。微观结构特征
竹子容易受到昆虫和真菌的侵扰，会改变竹子的微观结构并降低其机械性能。按照耐用性的分类，竹子属于三级（非耐用级）。通常，在室外环境中使用未经处理的竹子时，其使用寿命不超过7年[33]。竹子的耐用性差是由于其营养丰富，为昆虫和腐烂真菌提供了食物来源。被腐烂真菌感染后，竹子的微观结构发生变化，即，被腐烂真菌侵蚀的孔出现在细胞壁和细胞腔中的菌丝体中。
如图4a，b所示，对照标本的薄壁细胞含有许多淀粉颗粒，实际上有几个细胞充满了淀粉颗粒。此外，淀粉颗粒大。单元的内壁是光滑的。在分别进行了三周和十五周的腐烂试验后，薄壁组织细胞中的淀粉颗粒消失了，并已被腐烂真菌完全消化（图4c，d）[33]。细胞腔中存在大量的菌丝体，并且由于腐烂真菌的侵蚀，细胞的内壁形成了大孔。值得注意的是，在对SDBGP和FJBGP的研究中均观察到以下现象：在使用过的BGP的薄壁组织细胞中，大尺寸淀粉颗粒消失了（图4e，f），但仍存在一些小尺寸颗粒。所有细胞的内壁均保持光滑，无菌丝体。在细胞内壁观察到的孔不是腐烂真菌侵蚀的结果，而是凹坑。这些现象表明，使用9年后BGP并未受到真菌的攻击，这可以由以下原因解释：首先，由于连续不断，竹条的表面覆盖了0.1-0.5 mm厚的水膜。冷却塔中是否有水流[34]。竹腐烂菌主要是有氧真菌。水膜阻止他们获取氧气。其次，冷却塔中的水温通常超过40°C，高于真菌生长的合适温度（3〜38°C）[33]。此外，竹子中的淀粉颗粒被循环热水部分溶解，导致其数量和尺寸减小。
森林09 00762 g004 550图4.竹细胞的环境扫描电子显微镜（ESEM）图像。 （a，b）对照样品； （c，d）分别经过三个和15个星期的衰减后的样本（来自Qin [33]）； （e，f）所用BGP的样本。
综合所有发现和分析，可以得出结论，使用过的BGP的机械性能下降是由于密度和结晶度的下降而不是真菌的结晶引起的。尽管如此，对于大多数竹子而言，由真菌损害引起的耐久性下降是主要问题之一。
4。结论
研究了在两个工业冷却塔中使用了9年的BGP的性能，并将其与未使用的对照样品进行了比较。结果发现，MOR和MOE保留率分别约为75％和87％，仍然可以满足冷却塔的正常使用要求。密度下降，保留率超过91％。结晶度和晶体尺寸保留率分别为约89％和86％。竹子由于营养成分丰富，容易受到真菌感染。但是，使用过的BGP的细胞腔中仍然存在少量的小尺寸淀粉颗粒，竹细胞壁也没有菌丝体，这表明使用过的BGP没有被真菌感染。从条件相似的两个冷却塔收集的BGP的特性没有发现显着差异。
这项研究为工业冷却塔中使用的BGP提供了主要数据。进一步评估BGP的使用寿命至关重要，因为它可能有助于促进BGP作为竹子丰富的生物质资源的众多用途之一的应用。