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垃圾焚烧炉用耐火材料的使用及发展趋势

      城市垃圾和工业废物的数量急剧增多对地球环境造成严重污染,危害人类和动植物的环境。因而城市垃圾和产业废弃物的处理是一个亟待解决的问题。 
    目前,世界各国为实现“综合的垃圾经济”所做的努力越来越多,这一概念的主要内容是避免产生垃圾和重新利用垃圾。西方一些国家对垃圾处理所做的努力取得了显著成绩,研究开发了各种处理垃圾的方法:生物处理、热处理以及生物处理和热处理相结合。比较研究各种垃圾处理的方法后表明,目前还没有哪一种技术能够代替焚烧法,该法具有减容量大、处理及时、无害化程度高且可以回收热能等一系列优点而倍受关注,已成为发达国家处理垃圾的主要方式。 
    为满足焚烧炉的需要,世界各国开发使用了各种优质耐火材料,并取得了显著的使用效果,因而继续研究开发性能优异的耐火材料已成为当务之举。

 

垃圾焚烧炉用耐火材料一般要求 :
   
当焚烧的垃圾为不同组成的非均匀性混合物时,其类型、数量和热含量方面也有很大不同。为此内衬的物理和化学性能应适应操作期间不同阶段的要求。垃圾焚烧炉的工作温度一般不超过1400但复杂的工作环境(如气体的侵蚀、垃圾在高温移动过程中对炉体内部的磨损和冲击)要求优质耐火材料内衬,而且需求量也将不断增加。通常要求耐火材料有如下特点:①良好的体积稳定性;②良好的高温强度和耐磨性;③良好的耐酸性;④良好的抗震稳定性;⑤良好的抗侵蚀性(COCl2SO2HCl、碱金属蒸汽等);⑥良好的施工性(不定形);⑦良好的耐热、隔热性。 
耐火材料的选择依据 
不同的焚烧炉其操作条件不同,内部使用温度不同所需耐火材料的性能也不同,因而应根据其工作环境和使用温度选择不同性能的耐火材料。

1.根据工作环境选择耐火材料 
在焚烧炉的投入部位,由于废弃物的投入和落下都需与材料接触,同时投入口的温度经常变化,因而要求耐火材料有良好的耐磨性和耐热震稳定性,可选用粘土砖;在干燥室和燃烧室内,废弃物与炉衬在高温下直接接触,一方面炉渣会附着在炉衬上,另一方面杂质也会侵入炉衬,同时废弃物的投入必然引起温度的变化,因而要求耐火材料不仅耐磨、耐蚀、难附着,而且还要抗碱、抗氧化性,一般选用粘土砖、高铝砖、SiC砖、浇注料和可塑料;在管道和气体冷却部位,由于喷水、杂质人侵和温度变化,所以要求耐火材料抗碱、耐水、耐热震性,可选浇注料;在流动床式焚烧炉的流动床部位,高温沸腾沙与废弃物的混合过程中,不仅对炉衬有冲刷,而且有杂质侵入,因而所选炉衬要耐磨、抗碱,常用粘土砖和浇注料;在回转窑式焚烧炉的回转窑部位,废弃物需不停回转且废弃物的加入引起温度的变化,因而要求材料耐磨、耐热震性,一般选用粘土砖、高铝砖、SiC砖或浇注料。 
总之,垃圾焚烧炉用耐火材料大致分为耐火砖和不定形耐火材料,前者包括粘土砖、高铝砖、碳化硅砖,后者以粘土质、高铝质、碳化硅质浇注料和粘土质、高铝质可塑料为主。 
2.根据使用温度选择耐火材料 
不同的焚烧炉,不同的使用部位,使用温度不同:燃烧室的室顶、侧壁、烧嘴其使用温度为1000-1400℃,可选用耐火度为1750-1790℃的高铝砖及粘土砖,也可选用耐火度为1750-1790℃的可塑料;炉箅侧的上部、中部、下部其使用温度为1000-1200℃,可选用碳化硅砖或耐火度为1710-1750℃的粘土砖,也可选用耐磨浇注料;二次燃烧室的室顶、侧壁其使用温度为800-1000℃,可选用耐火度低于1750℃的粘土砖或粘土质浇注料;热交换室的室顶、侧壁,喷射室的室顶、侧壁、室底其使用温度低于600℃,可选用耐火度低于1710℃的粘土砖或粘土质浇注料;调整烟道和烟道的使用温度为600℃,可选用耐火度低于1670℃的粘土砖或粘土质浇注料。 
以上焚烧炉用耐火材料的选择依据应视具体情况而论,对不同类型的焚烧炉应结合多方面的因素由设备操作期间出现的最苛刻的情况决定。
 

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垃圾焚烧炉耐火材料的应用 
随着垃圾焚烧炉的连续化、资源化、自动化,焚烧炉耐火材料的使用也发生了巨大的变化,目前以不定形耐火材料的使用占多数,日本约占75%左右。就焚烧炉耐火材料的开发技术而言,日本走在了前列,不仅有使用温度从低温到1800℃的各种喷涂可塑料,而且有高强度磷酸盐结合和轻质隔热可塑料,与浇注料相比喷涂可塑料具有抗热震性好、抗化学侵蚀强、施工后不用养护、可直接加热而不发生爆炸、价格也比耐火度相同的浇注料便宜等优点,因而得到普遍的推广应用。据文献(《耐火信息》,1999,Mar15)报道:在日本,喷涂可塑料在炉箅式焚烧炉上使用七年后,炉壁仍保持完好状态。 
影响垃圾焚烧炉使用寿命的因素 
垃圾焚烧炉的技术性能和经济效益主要受到炉衬用耐火材料的影响,而炉内气氛、使用温度、熔融物的侵蚀以及应力在不同程度上影响了耐火材料的使用寿命,从而影响了整个焚烧炉的使用寿命。因此,分析探讨其影响因素显得尤为重要。

(1)炉内气氛的影响 
不同的炉内气氛对耐火材料的侵蚀程度不同,垃圾焚烧炉多为氧化气氛,在选择材质之际,很难对非氧化物系耐火材料(如SiC)的使用气氛界限加以定义,这不仅由于某些气体(包括碱金属蒸汽)的浓度,而且由于温度、压强等也将发生微妙的变化。研究表明:SiC砖的耐蚀性在氧化气氛下比在还原气氛下约大10倍。 
(2)使用温度的影响 
焚烧炉的最高温度为1400℃,一般随温度的增加侵蚀率急剧增加。当温度超出1400℃时,情况更为如此,特别是粘土、高铝质耐火材料更容易受温度的影响。 
(3)CaO/SiO2的影响 
炉渣作为焚烧炉焚烧产生的残余物,其主要成分是Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3以及碱性氧化物、碳酸盐和碱土金属。CaO/SiO2成为其主要影响因素。相比之下Al2O3-Cr2O3等中性耐火材料比碱性耐火材料更易受其影响,随着CaO/SiO2的增大,侵蚀程度加大,一般C-SiC砖比SiC砖更难受CaO/SiO2的影响。通常CaO/SiO2=1.0为临界点,高于此点,可选用MgO、尖晶石、C系耐火材料;低于此点,选用Al2O3、Cr2O3、SiC系耐火材料最佳。 
(4)应力的影响 
焚烧炉所承受的应力主要有以下几种:①温度梯度所引起的热应力;②金属框架和耐火材料膨胀差在接触部位产生的机械应力(包括摩擦);③氧化、腐蚀(HCl、Cl2)、外来成分引起的化学变化和结晶转移等引发的构造应力;④腐蚀、支柱先行遭到破坏引起的支撑应力丧失。 
经验表明,焚烧炉的数个应力区域内其应力基本均衡,应力的大小取决于工艺过程。随着焚烧炉用耐火材料内衬栅要求的稳步提高,抵抗应力的方法有如下几种: 
①优化焚烧炉的操作工艺,如通过调节过剩的空气系数以及垃圾混合物;②改进耐火材料以提高内衬寿命;③使用优质耐火材料。 

耐火材料的技术水平和发展趋势 
碳化硅材料 

SiC耐火材料由于其良好的性能而常用于生活垃圾焚烧炉中,其优良性能主要表现在抗侵蚀性和抗冲刷能力强、抗热震性良好、抗磨损性较高。通常使用的SiC块或砖是以硅酸盐或氮化物结合的,其中SiC的含量各不相同,在温度和不同气氛的影响下,SiC>800℃时容易分解,这对易挥发SiC制品的开发极其不利,而在SiC表面形成的氧化硅层可以保护SiC晶粒免于进一步的侵蚀。氧化硅的形成受氧气化学作用的同时也受水蒸汽的促进作用,SiC>1000℃时,由于结晶和形成获得的鳞石英与方石英其表面有许多裂纹,从而使其抗侵蚀性减弱,降低了使用寿命,目前通常采用冷却燃烧室内衬,使燃烧室表面温度低于1000℃,从而抑制上述的不良影响。在焚烧炉内温度达到1100℃的区域内,采用硅质结合剂结合的特殊SiC制品,其优点是在局部形成封闭的玻璃状硅酸盐层以防侵蚀。在温度>1200℃的条件下,氮化物结合的SiC砖具有良好的抗侵蚀性。 
相比之下,在表面温度为550-1050℃的区域内,硅质结合剂结合的SiC材料因其最优化的稳定层而寿命高于氮化物结合的材料。研究表明:表面温度达到850℃时,SiC含量为50%-70%为佳,在850-1100℃的区域内,SiC的含量为90%则更加适宜,而当在熔融侵蚀条件下(1250-1350℃),铬刚玉质的高铝制品优于SiC质的制品。 
一些国家实验的Al2O3-SiC质自流低水泥浇注料焚烧炉内衬,不仅简单而且有利于保护反应器锚固件免受侵蚀;多功能双层防护系统其热传导可自由调节,但仍在探讨之中。 
高铝质材料 
氧化铝含量较高的材料主要用于特殊垃圾焚烧炉,不同的应力要求氧化铝的含量不同。实验证明,氧化铝含量>60%
的砖具有良好的抗侵蚀性,但要使氧化铝的含量高,基质结合需要特殊的条件,大量刚玉莫来石质晶体基质结合成为必然。通常含有5%Cr2O3的铬刚玉制品可通过添加氧化铬或应用预反应铬刚玉颗粒而实现。采用无二氧化硅的主要原料刚玉和基质中形成的较高的氧化铬区段可使制品具有较高的抗侵蚀性。通过添加斜锆石(一般采用ZrSiO4)以改进抗热震性,铬含量低于5%。 
高铝质材料(铬刚玉制品)的发展方向是把Cr2O3的含量增加到10%30%,把SiO2的含量降低到<2%以改进制品的抗侵蚀性,但随着Cr2O3含量的增加,大量3价稳定的铬在高温区域与渣中的CaONa2OK2O等碱类相反应,生成对人体有害的6价铬。因此从环保的观点出发,希望开发使用非铬系耐火材料,一般在氧化气氛下可选择Al2O3(熔点2050)ZrO2(熔点2950)MgO(熔点2800)等氧化物系耐火材料;在还原气氛下可选择CSiC等非氧化物系耐火材料。可以尝试选择含氧化锆的添加剂替代铬铁矿而提高其在高温下的抗侵蚀性。 

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     目前一些正在开发使垃圾形成玻璃化的设备以使污染的废弃物产生惰性,要求内衬材料具有良好的结合弹性和较低的抗温度变化性。研究表明:选择多晶型的ZrO2可产生抑制基质裂纹的结构,因而结构的弹性性能使制品具有较好的抗开裂性和良好的抗温度变化性。总之,焚烧炉的燃烧温度<1250℃时,SiC含量不同的材料均适于作其内衬,而硅质结合剂结合的SiC制品由于在应用中形成环绕SiC晶粒的致密永久惰性层而成为最优选择;燃烧温度>1250℃时,在较高应力区域,氮化物结合的SiC制品性能良好,也可选择高铝制品、铬刚玉制品。因而,开发优质SiC制品、高铝制品、铬刚玉制品以及含锆基质的高铝质刚玉制品成为今后发展的主要趋势。  


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