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        垃圾焚燒爐用耐火材料的使用及發展趨勢

              城市垃圾和工業廢物的數量急劇增多對地球環境造成嚴重污染,危害人類和動植物的環境。因而城市垃圾和產業廢棄物的處理是一個亟待解決的問題。 
            目前,世界各國為實現“綜合的垃圾經濟”所做的努力越來越多,這一概念的主要內容是避免產生垃圾和重新利用垃圾。西方一些國家對垃圾處理所做的努力取得了顯著成績,研究開發了各種處理垃圾的方法:生物處理、熱處理以及生物處理和熱處理相結合。比較研究各種垃圾處理的方法后表明,目前還沒有哪一種技術能夠代替焚燒法,該法具有減容量大、處理及時、無害化程度高且可以回收熱能等一系列優點而倍受關注,已成為發達國家處理垃圾的主要方式。 
            為滿足焚燒爐的需要,世界各國開發使用了各種優質耐火材料,并取得了顯著的使用效果,因而繼續研究開發性能優異的耐火材料已成為當務之舉。

         

        垃圾焚燒爐用耐火材料一般要求 :
           
        當焚燒的垃圾為不同組成的非均勻性混合物時,其類型、數量和熱含量方面也有很大不同。為此內襯的物理和化學性能應適應操作期間不同階段的要求。垃圾焚燒爐的工作溫度一般不超過1400,但復雜的工作環境(如氣體的侵蝕、垃圾在高溫移動過程中對爐體內部的磨損和沖擊)要求優質耐火材料內襯,而且需求量也將不斷增加。通常要求耐火材料有如下特點:①良好的體積穩定性;②良好的高溫強度和耐磨性;③良好的耐酸性;④良好的抗震穩定性;⑤良好的抗侵蝕性(CO、Cl2、SO2、HCl、堿金屬蒸汽等);⑥良好的施工性(不定形);⑦良好的耐熱、隔熱性。 
        耐火材料的選擇依據 
        不同的焚燒爐其操作條件不同,內部使用溫度不同所需耐火材料的性能也不同,因而應根據其工作環境和使用溫度選擇不同性能的耐火材料。

        1.根據工作環境選擇耐火材料 
        在焚燒爐的投入部位,由于廢棄物的投入和落下都需與材料接觸,同時投入口的溫度經常變化,因而要求耐火材料有良好的耐磨性和耐熱震穩定性,可選用粘土磚;在干燥室和燃燒室內,廢棄物與爐襯在高溫下直接接觸,一方面爐渣會附著在爐襯上,另一方面雜質也會侵入爐襯,同時廢棄物的投入必然引起溫度的變化,因而要求耐火材料不僅耐磨、耐蝕、難附著,而且還要抗堿、抗氧化性,一般選用粘土磚、高鋁磚、SiC磚、澆注料和可塑料;在管道和氣體冷卻部位,由于噴水、雜質人侵和溫度變化,所以要求耐火材料抗堿、耐水、耐熱震性,可選澆注料;在流動床式焚燒爐的流動床部位,高溫沸騰沙與廢棄物的混合過程中,不僅對爐襯有沖刷,而且有雜質侵入,因而所選爐襯要耐磨、抗堿,常用粘土磚和澆注料;在回轉窯式焚燒爐的回轉窯部位,廢棄物需不;剞D且廢棄物的加入引起溫度的變化,因而要求材料耐磨、耐熱震性,一般選用粘土磚、高鋁磚、SiC磚或澆注料。 
        總之,垃圾焚燒爐用耐火材料大致分為耐火磚和不定形耐火材料,前者包括粘土磚、高鋁磚、碳化硅磚,后者以粘土質、高鋁質、碳化硅質澆注料和粘土質、高鋁質可塑料為主。 
        2.根據使用溫度選擇耐火材料 
        不同的焚燒爐,不同的使用部位,使用溫度不同:燃燒室的室頂、側壁、燒嘴其使用溫度為1000-1400℃,可選用耐火度為1750-1790℃的高鋁磚及粘土磚,也可選用耐火度為1750-1790℃的可塑料;爐箅側的上部、中部、下部其使用溫度為1000-1200℃,可選用碳化硅磚或耐火度為1710-1750℃的粘土磚,也可選用耐磨澆注料;二次燃燒室的室頂、側壁其使用溫度為800-1000℃,可選用耐火度低于1750℃的粘土磚或粘土質澆注料;熱交換室的室頂、側壁,噴射室的室頂、側壁、室底其使用溫度低于600℃,可選用耐火度低于1710℃的粘土磚或粘土質澆注料;調整煙道和煙道的使用溫度為600℃,可選用耐火度低于1670℃的粘土磚或粘土質澆注料。 
        以上焚燒爐用耐火材料的選擇依據應視具體情況而論,對不同類型的焚燒爐應結合多方面的因素由設備操作期間出現的最苛刻的情況決定。
         

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        垃圾焚燒爐耐火材料的應用 
        隨著垃圾焚燒爐的連續化、資源化、自動化,焚燒爐耐火材料的使用也發生了巨大的變化,目前以不定形耐火材料的使用占多數,日本約占75%左右。就焚燒爐耐火材料的開發技術而言,日本走在了前列,不僅有使用溫度從低溫到1800℃的各種噴涂可塑料,而且有高強度磷酸鹽結合和輕質隔熱可塑料,與澆注料相比噴涂可塑料具有抗熱震性好、抗化學侵蝕強、施工后不用養護、可直接加熱而不發生爆炸、價格也比耐火度相同的澆注料便宜等優點,因而得到普遍的推廣應用。據文獻(《耐火信息》,1999,Mar15)報道:在日本,噴涂可塑料在爐箅式焚燒爐上使用七年后,爐壁仍保持完好狀態。 
        影響垃圾焚燒爐使用壽命的因素 
        垃圾焚燒爐的技術性能和經濟效益主要受到爐襯用耐火材料的影響,而爐內氣氛、使用溫度、熔融物的侵蝕以及應力在不同程度上影響了耐火材料的使用壽命,從而影響了整個焚燒爐的使用壽命。因此,分析探討其影響因素顯得尤為重要。

        (1)爐內氣氛的影響 
        不同的爐內氣氛對耐火材料的侵蝕程度不同,垃圾焚燒爐多為氧化氣氛,在選擇材質之際,很難對非氧化物系耐火材料(如SiC)的使用氣氛界限加以定義,這不僅由于某些氣體(包括堿金屬蒸汽)的濃度,而且由于溫度、壓強等也將發生微妙的變化。研究表明:SiC磚的耐蝕性在氧化氣氛下比在還原氣氛下約大10倍。 
        (2)使用溫度的影響 
        焚燒爐的最高溫度為1400℃,一般隨溫度的增加侵蝕率急劇增加。當溫度超出1400℃時,情況更為如此,特別是粘土、高鋁質耐火材料更容易受溫度的影響。 
        (3)CaO/SiO2的影響 
        爐渣作為焚燒爐焚燒產生的殘余物,其主要成分是Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3以及堿性氧化物、碳酸鹽和堿土金屬。CaO/SiO2成為其主要影響因素。相比之下Al2O3-Cr2O3等中性耐火材料比堿性耐火材料更易受其影響,隨著CaO/SiO2的增大,侵蝕程度加大,一般C-SiC磚比SiC磚更難受CaO/SiO2的影響。通常CaO/SiO2=1.0為臨界點,高于此點,可選用MgO、尖晶石、C系耐火材料;低于此點,選用Al2O3、Cr2O3、SiC系耐火材料最佳。 
        (4)應力的影響 
        焚燒爐所承受的應力主要有以下幾種:①溫度梯度所引起的熱應力;②金屬框架和耐火材料膨脹差在接觸部位產生的機械應力(包括摩擦);③氧化、腐蝕(HCl、Cl2)、外來成分引起的化學變化和結晶轉移等引發的構造應力;④腐蝕、支柱先行遭到破壞引起的支撐應力喪失。 
        經驗表明,焚燒爐的數個應力區域內其應力基本均衡,應力的大小取決于工藝過程。隨著焚燒爐用耐火材料內襯柵要求的穩步提高,抵抗應力的方法有如下幾種: 
        ①優化焚燒爐的操作工藝,如通過調節過剩的空氣系數以及垃圾混合物;②改進耐火材料以提高內襯壽命;③使用優質耐火材料。 

        耐火材料的技術水平和發展趨勢 
        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燒爐中,其優良性能主要表現在抗侵蝕性和抗沖刷能力強、抗熱震性良好、抗磨損性較高。通常使用的SiC塊或磚是以硅酸鹽或氮化物結合的,其中SiC的含量各不相同,在溫度和不同氣氛的影響下,SiC>800℃時容易分解,這對易揮發SiC制品的開發極其不利,而在SiC表面形成的氧化硅層可以保護SiC晶粒免于進一步的侵蝕。氧化硅的形成受氧氣化學作用的同時也受水蒸汽的促進作用,SiC>1000℃時,由于結晶和形成獲得的鱗石英與方石英其表面有許多裂紋,從而使其抗侵蝕性減弱,降低了使用壽命,目前通常采用冷卻燃燒室內襯,使燃燒室表面溫度低于1000℃,從而抑制上述的不良影響。在焚燒爐內溫度達到1100℃的區域內,采用硅質結合劑結合的特殊SiC制品,其優點是在局部形成封閉的玻璃狀硅酸鹽層以防侵蝕。在溫度>1200℃的條件下,氮化物結合的SiC磚具有良好的抗侵蝕性。 
        相比之下,在表面溫度為550-1050℃的區域內,硅質結合劑結合的SiC材料因其最優化的穩定層而壽命高于氮化物結合的材料。研究表明:表面溫度達到850℃時,SiC含量為50%-70%為佳,在850-1100℃的區域內,SiC的含量為90%則更加適宜,而當在熔融侵蝕條件下(1250-1350℃),鉻剛玉質的高鋁制品優于SiC質的制品。 
        一些國家實驗的Al2O3-SiC質自流低水泥澆注料焚燒爐內襯,不僅簡單而且有利于保護反應器錨固件免受侵蝕;多功能雙層防護系統其熱傳導可自由調節,但仍在探討之中。 
        高鋁質材料 
        氧化鋁含量較高的材料主要用于特殊垃圾焚燒爐,不同的應力要求氧化鋁的含量不同。實驗證明,氧化鋁含量>60%
        的磚具有良好的抗侵蝕性,但要使氧化鋁的含量高,基質結合需要特殊的條件,大量剛玉莫來石質晶體基質結合成為必然。通常含有5%Cr2O3的鉻剛玉制品可通過添加氧化鉻或應用預反應鉻剛玉顆粒而實現。采用無二氧化硅的主要原料剛玉和基質中形成的較高的氧化鉻區段可使制品具有較高的抗侵蝕性。通過添加斜鋯石(一般采用ZrSiO4)以改進抗熱震性,鉻含量低于5%。 
        高鋁質材料(鉻剛玉制品)的發展方向是把Cr2O3的含量增加到10%30%,把SiO2的含量降低到<2%以改進制品的抗侵蝕性,但隨著Cr2O3含量的增加,大量3價穩定的鉻在高溫區域與渣中的CaO、Na2O、K2O等堿類相反應,生成對人體有害的6價鉻。因此從環保的觀點出發,希望開發使用非鉻系耐火材料,一般在氧化氣氛下可選擇Al2O3(熔點2050)、ZrO2(熔點2950)、MgO(熔點2800)等氧化物系耐火材料;在還原氣氛下可選擇C、SiC等非氧化物系耐火材料?梢試L試選擇含氧化鋯的添加劑替代鉻鐵礦而提高其在高溫下的抗侵蝕性。 

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             目前一些正在開發使垃圾形成玻璃化的設備以使污染的廢棄物產生惰性,要求內襯材料具有良好的結合彈性和較低的抗溫度變化性。研究表明:選擇多晶型的ZrO2可產生抑制基質裂紋的結構,因而結構的彈性性能使制品具有較好的抗開裂性和良好的抗溫度變化性?傊,焚燒爐的燃燒溫度<1250℃時,SiC含量不同的材料均適于作其內襯,而硅質結合劑結合的SiC制品由于在應用中形成環繞SiC晶粒的致密永久惰性層而成為最優選擇;燃燒溫度>1250℃時,在較高應力區域,氮化物結合的SiC制品性能良好,也可選擇高鋁制品、鉻剛玉制品。因而,開發優質SiC制品、高鋁制品、鉻剛玉制品以及含鋯基質的高鋁質剛玉制品成為今后發展的主要趨勢。  


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