冷卻塔用竹制網(wǎng)格填料的研究,冷卻塔網(wǎng)格填料規(guī)格

由于其良好的耐熱性、環(huán)境友好性和低成本優(yōu)勢，竹格填料（BGP）已成為一種很有前途的新型冷卻填料。它在中國越來越多地用于工業(yè)冷卻塔，以取代由聚氯乙烯、水泥和玻璃纖維增??強塑料制成的冷卻填料。然而，機械性能和抗真菌性是所有竹子應(yīng)用的關(guān)注點。在這項研究中，比較了新鮮 BGP 和已經(jīng)冷卻 9 年的 BGP 的斷裂模量 (MOR)、彈性模量 (MOE)、密度、結(jié)晶度和環(huán)境掃描電子顯微鏡 (ESEM) 特性。塔。結(jié)果表明，所用BGP的MOR、MOE、密度、結(jié)晶度和晶體尺寸均有所降低，但仍能滿足冷卻塔正常使用的要求。 ESEM 觀察表明，所使用的 BGP 未被真菌感染。力學性能的下降可能是由于竹子的密度、結(jié)晶度下降和化學成分分解引起的，而不是真菌感染造成的。

1.簡介

雙曲線冷卻塔以其散熱性好、節(jié)能等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、鋼鐵廠、煉油廠和石化廠。雙曲線冷卻塔的尺寸通常比模塊化冷卻塔大得多，并且需要更多的冷卻填料。冷卻填料是冷卻塔的核心部件，占冷卻塔散熱量的60%~70%[1,2,3,4]。

冷卻塔填料的類型起著重要作用，因為它為從熱水到周圍空氣的蒸發(fā)熱和質(zhì)量傳遞提供了更大的表面積，并增加了兩者之間的接觸時間 [5 ].聚氯乙烯 (PVC)、水泥和玻璃纖維增??強塑料等不同材料已被用作冷卻填料。目前，最流行的散熱填充材料是PVC，在中國的市場占有率超過70%[6]。然而，PVC 填料行業(yè)正面臨重大挑戰(zhàn)，例如石化資源供應(yīng)減少、價格上漲以及 PVC 在環(huán)境中的殘留超過其功能壽命 [7]。在中國，發(fā)電廠、鋼鐵廠、煉油廠和石化廠眾多，廢棄的冷卻填料可能造成嚴重的環(huán)境污染。此外，PVC填料使用壽命短，防污性能差。因此，研究人員和企業(yè)家一直在尋找環(huán)保且更持久的 PVC 替代品。

近期，國內(nèi)一些雙曲線冷卻塔開始使用竹填料。竹子是生長最快、用途最廣的植物之一，廣泛生長于氣候潮濕的熱帶和溫帶地區(qū)。它是一種自古以來就被使用的具有重要經(jīng)濟意義的原料。竹林約占世界森林總面積的1%[9]，竹子總面積達3150萬公頃，其中60%集中在中國、印度、巴西等快速發(fā)展的國家[10] .竹子在世界一些地區(qū)也是一種入侵植物[11]，其擴張往往會減少當?shù)丨h(huán)境的生物多樣性，影響土壤理化性質(zhì)和微生物組成，削弱生態(tài)系統(tǒng)功能，改變森林景觀[12]。然而，由于生長快、生命周期短、機械強度高和能耗低[13]，竹子還具有作為填充材料的極好的天然潛力，這可能有助于控制竹林的擴張。，減少溫室氣體，并提供碳封存。與PVC填料相比，竹格填料（BGP）在溫度適應(yīng)性、防污性能[6,8]和良好的降溫性能[14,15,16,17]等方面也具有一定的優(yōu)勢。然而，對于竹材料的任何應(yīng)用，耐用性一直是一個問題。連續(xù)暴露在冷卻塔中的熱水流中導致的機械性能下降可能是一個問題。此外，由于竹子含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，容易受到真菌感染。真菌感染可能是致命的，因為它會降低竹子的機械強度，從而縮短 BGP 的使用壽命。缺乏這方面的研究阻礙了BGP在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展。

為了填補這一空白，研究了冷卻塔中使用了9年的BGP的斷裂模量（MOR）和彈性模量（MOE）等力學性能，并與未使用的BGP進行了比較。比較對照樣品的性能。還研究了密度和結(jié)晶度，并在環(huán)境掃描電子顯微鏡 (ESEM) 下觀察樣品，以更好地了解機械性能的變化以及 BGP 的抗真菌性能。

2.材料與方法

2.1．材料

原料取自中國福建省邵武市的毛竹（Phyllostachys edulis (Carrière) J. Houz）。將竹竿切成條狀（縱向 1200 毫米，切向 40 毫米）。在條帶上打三個直徑為 10 毫米的孔。如圖1所示，將圓竹簽插入孔中，連接竹條。一塊BGP的尺寸為1200mm×600mm×40mm，竹條間距為50mm。 BGP 單元在雙曲線冷卻塔中堆疊至 1.5 m 的高度（圖 1）。對照樣品是從新鮮的 BGP 單位收集的。

Forest 09 00762 g001 550 圖 1. (a,d) 竹網(wǎng)格填充 (BGP) 在雙曲線冷卻塔中的應(yīng)用； (b,e) BGP 單元棧； (c,f) 用竹條組裝的 BGP。

從位于福建省和山東省的兩個雙曲線冷卻塔收集了九年的 BGP 安裝。從福建省收集的 BGP（FJBGP）用于熱電廠的雙曲線冷卻塔。從山東?。⊿DBGP）收集的用于鋼鐵廠的雙曲線冷卻塔。兩座冷卻塔進水溫度為45～50℃，水流量約為6500kg/(h*m2)。在實驗之前，所有樣品都在 21 ± 2°C 和相對濕度 65 ± 3% 的條件下進行調(diào)節(jié)，以達到平衡水分含量 (EMC)。

2.2.力學性能與密度試驗

按照GB/T 15780-1995進行三點靜態(tài)彎曲試驗，得到MOR和MOE[18]。由于在冷卻塔的實際工作環(huán)境中，BGP上的載荷主要是切向的，所以竹條的彎曲試驗也是在切向進行的。試樣尺寸為：縱向160mm×切線10mm×竹桿壁厚t。沿切線方向以 6 mm/min 的速度加載測試。彎曲試驗后測量水分。根據(jù)GB/T 1933-2009 [19]，樣品的密度采用排水法測量。對照組、FJBGP 和 SDBGP 用于測定力學性能和密度測試的試樣數(shù)量分別為 10、20 和 16。

2.3.結(jié)晶度測試

以80目竹粉為實驗材料。竹粉是通過磨機加工的，該方法涉及一種在遠低于導致微晶破裂的表面壓力下將不同長度的細纖維隨機混合并分布在各個方向的方法 [20]。使用 X 射線衍射儀（AV300，Panalytical Co.，Amsterdam，The Netherlands）在 0.154 nm 波長下進行 X 射線衍射 (XRD) 測量，以評估風干竹細胞壁的結(jié)晶特性。入射 X 射線輻射被測量為以 40 kV 和 40 mA 的功率通過鎳過濾器的特征 Cu X 射線。每個樣品的 XRD 光譜以 5–50° 的角度 (2θ) 記錄。本節(jié)測試了三個副本。纖維素結(jié)晶度的計算采用以下Segal方法[21]：

CrI = I002-IamI002×100%

(1) 其中CrI表示纖維素的結(jié)晶度(%) ，I002表示(002)面衍射的反射強度，Iam表示2θ角18°附近最小值的強度。

在 X 射線衍射和晶體學中，Scherrer 方程將固體中亞微米顆?；蛭⒕У某叽缗c衍射圖中峰的展寬聯(lián)系起來 [22]。本研究采用該方法測定纖維素中晶粒的大小。 Scherrer 方程用于計算有序（結(jié)晶）疇的平均尺寸，可以寫成 [23]：

D = Kλβcosθ

(2) 其中 D 表示平均值晶疇的大小 (nm)，K 表示無量綱形狀因子 (0.9)，λ 表示 X 射線波長，β 表示在最大強度的一半處加寬的線，θ 表示散射角。

2.4.微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM，XL30 FEG，F(xiàn)EI Co.）對竹條的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察。立方樣品 (5 mm × 5 mm × 5 mm) 以獲得整潔的表面。然后，在樣品表面鍍上一層金膜(8-10nm)，在掃描電鏡下觀察。

2.5．統(tǒng)計分析

< p>首先使用 SPSS 19.0 (IBM SPSS Corporation) 進行多重比較的方差分析 (ANOVA)，然后以 0.05 的顯著性水平進行 Duncan 檢驗以確定對照平均值與對照平均值之間的顯著差異BGP 標本使用。

3.結(jié)果與討論

3.1．力學性能與密度

BGP膠條的力學性能如表1所示，F(xiàn)JBGP和SDBGP的MOR分別為106.16 MPa和107.91 MPa，F(xiàn)JBGP和SDBGP的MOE分別為8869.66 MPa和8986.50 MPa ，分別。 FJBGP和SDBGP的力學性能無統(tǒng)計學差異。然而，F(xiàn)JBGP 和 SDBGP 的 MOE 和 MOR 明顯低于對照樣品。這些結(jié)果表明，冷卻塔中的濕熱條件對 BGP 的機械性能產(chǎn)生了負面影響。這可能與水流對竹子成分的降解有關(guān)，從而降低了竹子的密度和結(jié)晶度。

與對照樣品相比，F(xiàn)JBGP和SDBGP的MOR保留率為74.16%， 75.38%，F(xiàn)JBGP 和 SDBGP 的 MOE 保留率分別為 86.53% 和 87.67%。 MOE 的保留超過 MOR，這可歸因于半纖維素和纖維木質(zhì)素比木質(zhì)素更易降解 [24,25]。竹子主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。竹子細胞壁中的纖維素充當提供彈性和強度的框架，而木質(zhì)素充當堅硬的固體物質(zhì)，有助于硬度和剛度[26]。以半纖維素為基質(zhì)材料，保證了竹子的韌性、硬度和強度[24]。木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性優(yōu)于纖維素和半纖維素[26]。

根據(jù)《化石燃料發(fā)電廠冷卻塔用竹填料技術(shù)規(guī)范》[27]，MOR和MOR的正常要求MOE 分別為 100 MPa 和 8500 MPa。盡管所用BGP的力學性能有所下降，但盡管使用了9年后，仍能滿足要求。

平均密度和標準差如表1所示。FJBGP與FJBGP的密度差異SDBGP 在統(tǒng)計上不顯著。在0.05水平下，F(xiàn)JBGP、FJBGP和SDBGPT的密度明顯低于對照樣品。與對照樣品相比，F(xiàn)JBGP和SDBGP的密度保持率分別為92.06%和91.15%。密度的降低可能是由于循環(huán)水引起的竹細胞壁成分和細胞腔的降解引起的。水溶性淀粉的損失（見3.3節(jié)）解釋。然而，由于毛竹中淀粉含量的百分比僅為 0.1% 左右，因此淀粉損失對密度降低的影響可以忽略不計 [28]。密度的降低也可以解釋所用 BGP 的機械性能降低，因為密度和機械性能之間存在顯著相關(guān)性，如圖 2 所示，這與之前的研究一致 [29]。然而，對于 MOR，使用的 BGP 值低于具有相似密度的對照樣本（見圖 2 中的虛線圓圈），但對于 MOE 則不然。如上所述，原因可能是半纖維素和纖維素的降解和水解遠遠超過木質(zhì)素?；蛘?，纖維素結(jié)晶度的降低也可能是一個重要因素（參見第 3.2 節(jié)）。

Forest 09 00762 g002 550 圖 2. MOR/MOE 與密度的關(guān)系。虛線圓圈的細節(jié)在文中有解釋。 FJBGP：產(chǎn)自福建的竹格填料； SDBGP：采自山東的竹格填料。

3.2.結(jié)晶度

纖維素由非晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)組成。結(jié)晶纖維素緊密堆積且難以降解，而無定形區(qū)域往往在高溫下分解[30]。纖維素結(jié)晶度是指結(jié)晶纖維素占總纖維素的百分比，反映了纖維素在積累過程中發(fā)生結(jié)晶的程度。取向度和結(jié)晶域的相對含量對竹子的斷裂強度、韌性和彈性模量有重要影響[24]。纖維素在受到外力作用時，分子鏈會沿外力作用的方向排列，產(chǎn)生擇優(yōu)取向，分子間的相互作用大大增強。

三組樣品的XRD圖如圖3所示，可見纖維素衍射峰的位置沒有發(fā)生變化。然而，在冷卻塔中使用 BGP 九年后，纖維素衍射峰 (002) 的強度已顯著下降。樣品的結(jié)晶度和晶體尺寸如表2所示。與對照樣品相比，F(xiàn)JBGP和SDBGP的結(jié)晶度保留率分別為87.76%和89.77%，F(xiàn)JBGP和SDBGP的結(jié)晶度保留率為85.21%和分別為 86.88%。 .冷卻塔中的熱水可能會降解使用過的 BGP 的無定形基體，這可能會增加 CrI。然而，在這項研究中，F(xiàn)HBGP 和 SDBGP 的結(jié)晶度降低了。這可以用以下原因解釋：熱水使半纖維素側(cè)鏈上的乙酰基裂解，生成乙酸和糖醛酸[31]，從而催化纖維素水解。酸不僅降解了纖維素的無定形區(qū)域，還降解了結(jié)晶區(qū)域 [32]，這與晶體尺寸的減小一致（表 2）。細胞壁中結(jié)晶區(qū)的比例很低。當酸切斷結(jié)晶區(qū)的分子鏈時，部分結(jié)晶區(qū)會變成非晶區(qū)，導致SDBGP和FJBGP的結(jié)晶度降低，晶體尺寸變小。

Forest 09 00762 G003 550 圖 3. 三個樣品組的 X 射線衍射 (XRD) 圖。

結(jié)晶度的降低導致 BGP 的斷裂強度和彈性模量降低，這可以部分解釋所用 BGP 的 MOR 和 MOE 降低（表 1）。

3.3.微觀結(jié)構(gòu)特征

竹子易受昆蟲和真菌侵染，可改變竹子的微觀結(jié)構(gòu)，降低其力學性能。按耐用性分類，竹子屬于第三類（非耐用類）。通常，未經(jīng)處理的竹子在戶外使用時的使用壽命不超過 7 年 [33]。竹子的耐久性差是由于其營養(yǎng)成分高，為昆蟲和腐爛真菌提供了食物來源。竹子被腐爛真菌侵染后，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，即細胞壁出現(xiàn)被腐爛真菌侵染的氣孔，細胞腔內(nèi)出現(xiàn)菌絲體。

如圖4a、b所示，對照標本的薄壁細胞內(nèi)含有較多的淀粉顆粒，實際上數(shù)個細胞內(nèi)充滿了淀粉顆粒。另外，淀粉顆粒大。單元的內(nèi)壁是光滑的。經(jīng)過 3 周和 15 周的腐爛試驗后，薄壁細胞中的淀粉顆粒消失并被腐爛真菌完全消化（圖 4c、d）[33]。細胞腔內(nèi)有大量菌絲體，由于腐爛真菌的侵蝕，細胞內(nèi)壁形成大孔隙。值得注意的是，在 SDBGP 和 FJBGP 研究中均觀察到以下現(xiàn)象：在所用 BGP 的薄壁細胞中，大尺寸淀粉顆粒消失（圖 4e，f），但一些小尺寸顆粒消失。所有細胞的內(nèi)壁均保持光滑且無菌絲體。在細胞內(nèi)壁觀察到的孔不是腐爛真菌侵蝕的結(jié)果，而是凹坑。這些現(xiàn)象表明BGP在使用9年后沒有受到真菌的侵襲，這可以用以下原因解釋：首先，由于持續(xù)使用，竹篾表面覆蓋了一層0.1-0.5毫米厚的水膜。冷卻塔內(nèi)是否有水流[34]。竹腐真菌主要是好氧真菌。水膜阻止它們獲得氧氣。其次，冷卻塔中的水溫通常超過 40°C，高于真菌生長的適宜溫度（3~38°C）[33]。此外，竹子中的淀粉顆粒被循環(huán)熱水部分溶解，導致其數(shù)量和尺寸減少。

Forest 09 00762 G004 550 圖 4. 竹細胞的環(huán)境掃描電子顯微鏡 (ESEM) 圖像。 (a,b) 對照樣品； (c,d) 分別經(jīng)過 3 周和 15 周衰變后的樣本（來自 Qin [33]）； (e,f) 使用的 BGP 樣本。

結(jié)合所有發(fā)現(xiàn)和分析，可以得出結(jié)論，使用過的 BGP 的機械性能下降是由于密度和結(jié)晶度的下降，而不是真菌的結(jié)晶。盡管如此，對于大多數(shù)竹子來說，真菌破壞導致的耐用性損失是主要問題之一。

4.結(jié)論

研究了兩個工業(yè)冷卻塔中已使用 9 年的 BGP 的性能，并與未使用的對照樣品進行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MOR和MOE保留率分別約為75%和87%，仍能滿足冷卻塔的正常使用要求。密度下降和保留超過 91%。結(jié)晶度和晶體尺寸保留分別為約89%和86%。竹子由于其豐富的營養(yǎng)成分，容易受到真菌感染。但是，使用過的BGP細胞腔內(nèi)仍有少量的小淀粉顆粒，竹細胞壁內(nèi)無菌絲體，說明使用過的BGP沒有被真菌侵染。在類似條件下從兩個冷卻塔收集的 BGP 的特性沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。

這項研究為工業(yè)冷卻塔中使用的 BGP 提供了原始數(shù)據(jù)。進一步評估 BGP 的壽命至關(guān)重要，因為它可能有助于促進 BGP 的應(yīng)用，作為竹子豐富的生物質(zhì)資源的眾多用途之一。