垃圾焚燒爐用耐火材料的使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　作者: 云斯寧 蔣明學(xué) 高里存 唐仕英（西安建筑大學(xué)材料工程學(xué)院，陜西-西安）

　　摘要：簡要地介紹了垃圾焚燒爐的結(jié)構(gòu)、特征和使用技術(shù)，闡述了焚燒爐用耐火材料的種類、性能及其使用效果，并指出焚燒爐用耐火材料今后的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：垃圾焚燒爐；耐火材料；現(xiàn)狀與發(fā)展

　　隨著世界人口的不斷增加和經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市垃圾和工業(yè)廢物的數(shù)量急劇增多。垃圾的存在不僅占用大量的空間，而且對地球環(huán)境造成嚴(yán)重污染，危害人類和動植物的環(huán)境。因而城市垃圾和產(chǎn)業(yè)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(xiàn)“綜合的垃圾經(jīng)濟”所做的努力越來越多，這一概念的主要內(nèi)容是避免產(chǎn)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(fā)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(jié)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(shù)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(yōu)點而倍受關(guān)注，已成為發(fā)達國家處理垃圾的主要方式。

　　為適應(yīng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，滿足焚燒爐的需要，世界各國開發(fā)使用了各種優(yōu)質(zhì)耐火材料，并取得了顯著的使用效果，因而繼續(xù)研究開發(fā)性能優(yōu)異的耐火材料已成為當(dāng)務(wù)之舉。

　　1垃圾焚燒爐的類型和特點

　　常見的焚燒爐有：間歇式焚燒爐、爐箅式焚燒爐、CAO焚燒系統(tǒng)、流化床式焚燒爐、回轉(zhuǎn)爐式焚燒爐等。圖1是垃圾焚燒設(shè)備的流程圖。

圖1垃圾焚燒設(shè)備流程圖

　　1.平臺；2.垃圾裝入門；3.垃圾坑；4.垃圾吊車；5.垃圾料斗；6.焚燒爐；7.鍋爐；8.反應(yīng)塔；9.除塵裝置；10.抽風(fēng)機；11.煙囪；12.強制鼓風(fēng)機；13.蒸汽式空氣預(yù)熱器；14.運灰機；15.磁選機；16.灰坑；17.灰吊車；18.金屬運送機；19.金屬坑；20.除塵粉塵運送機；21.反應(yīng)塔下粉塵運送機；22.集中粉塵運送機；23.飛灰處理裝置；24.飛灰坑；25.防止白煙用鼓風(fēng)機；26.蒸汽式空氣加熱器；27.垃圾污水槽；28.垃圾水中間槽；29.高壓蒸汽儲汽器；30.蒸汽汽輪機；31.中央控制室；32.控制傳感器室；33.受電變電室；34.鍋爐副機室；35.閘門操作室

　　1.1間歇式焚燒爐

　　間歇式焚燒爐一般分為小型爐和大型爐，目前使用的焚燒爐多半是小型爐，一次性投入垃圾，焚燒結(jié)束后，再次投入垃圾，日處理垃圾量在25t以下，一般按規(guī)定的時間出灰。爐下部設(shè)有爐箅、氣體冷卻、廢氣排出和送風(fēng)裝置；若是大型爐，常設(shè)有垃圾投入和排灰裝置。無論是大型爐還是小型爐，其特點為：結(jié)構(gòu)簡單，建設(shè)費用少、使用時間長；但氣體量和氣體溫度波動大，熱量有效利用差，灰份殘渣多等。

　　1.2爐箅式焚燒爐

　　爐箅式焚燒爐也稱爐排式焚燒爐，是一種連續(xù)式焚燒爐，因其優(yōu)良的使用性能而逐漸取代了間歇式焚燒爐。目前城市垃圾焚燒爐大多數(shù)為這種焚燒爐(約占70%)，其日處理量為80～200t,大型爐為300～600t。爐箅式焚燒爐底部設(shè)有多段爐算，爐箅上堆放用料斗供給的垃圾，在移動爐箅的同時，在其下部吹入燃燒空氣，進行干燥、燃燒。爐箅式焚燒爐的特點是：爐身高大，造價較高；只有一個燃燒室，對進入爐內(nèi)的垃圾不必分選、破碎；固體垃圾在爐內(nèi)停留約1～3h，氣體停留約幾秒種；垃圾的表層溫度為800℃，煙氣溫度為800～1000℃；要求爐排耐高溫、耐腐蝕、機械性能好。

　　為減少焚燒爐產(chǎn)生的有害氣體(如二惡英、NO、NO₂、CO等)，日本鋼管公司采用NKK技術(shù)開發(fā)了雙回流爐箅式焚燒爐，使來自副煙道的還原性氣體與主煙道的燃燒氣體進行再燃燒，從而抑制NOx氣體的發(fā)生，促進燃氣的完全燃燒，減少二惡英的發(fā)生。

　　1.3CAO(Controlled Air Oxidation控制空氣燃燒)焚燒系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是一種新型垃圾焚燒爐，采用的是垃圾熱氧化分解技術(shù)，其特點是：垃圾在燃燒前要經(jīng)過熱解、氣化；對垃圾的熱值沒有嚴(yán)格要求(不像其他類型的焚燒爐)；有兩個燃燒室，固體垃圾在第一燃室，氣體在第二燃室，前者溫度為600～800℃，停留時間約3～6h，后者溫度為800～1000℃，停留時間約為1～3s；整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，爐排固定，造價低。

　　1.4流化床式焚燒爐

　　流化床式焚燒爐其關(guān)鍵技術(shù)為鼓風(fēng)機和空氣輸送裝置，爐體有圓形和方形，垃圾在進入爐內(nèi)須進行粉碎(10-30cm)，氣體冷卻方式有鍋爐式和噴水式，全連續(xù)燃燒式大型爐采用鍋爐式冷卻方式。爐內(nèi)沸騰化的載體沙子(600～800℃)不僅使垃圾懸浮燃燒，而且使沸騰層溫度均勻。其特點是：爐內(nèi)熱容量大，可燃燒熱值較低的垃圾；爐內(nèi)溫度均勻，燃燒充分，垃圾停留時間長，日處理量小(約2000t)。

　　1.5回轉(zhuǎn)窯式工業(yè)垃圾焚燒爐

　　回轉(zhuǎn)窯式工業(yè)垃圾焚燒爐由回轉(zhuǎn)窯本體、廢棄物供給裝置、驅(qū)動裝置、燒嘴、二次燃燒爐等組成，在其后部設(shè)有焚燒爐箅，并配有出灰運輸機，頂部有二次燃燒氣體鼓入裝置。其特點是：適合處理大型垃圾和產(chǎn)業(yè)廢棄物(如污泥、燃油、瀝青、涂料渣和塑料等)；垃圾在回轉(zhuǎn)窯中回轉(zhuǎn)燃燒，溫度約為900℃，二次燃燒爐溫度為1100～1200℃。

　　2垃圾焚燒爐用耐火材料

　　2.1一般要求

　　當(dāng)焚燒的垃圾為不同組成的非均勻性混合物時，其類型、數(shù)量和熱含量方面也有很大不同。為此內(nèi)襯的物理和化學(xué)性能應(yīng)適應(yīng)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(fù)雜的工作環(huán)境(如氣體的侵蝕、垃圾在高溫移動過程中對爐體內(nèi)部的磨損和沖擊)要求優(yōu)質(zhì)耐火材料內(nèi)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(wěn)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(wěn)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。

　　2.2耐火材料的選擇依據(jù)

　　不同的焚燒爐其操作條件不同，內(nèi)部使用溫度不同所需耐火材料的性能也不同，因而應(yīng)根據(jù)其工作環(huán)境和使用溫度選擇不同性能的耐火材料。表1給出了焚燒爐用耐火材料的典型性能。

表1焚燒爐用耐火材料的典型性能

　　2.2.1根據(jù)工作環(huán)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(jīng)常變化，因而要求耐火材料有良好的耐磨性和耐熱震穩(wěn)定性，可選用粘土磚；在干燥室和燃燒室內(nèi)，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(zhì)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(zhì)入侵和溫度變化，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(zhì)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(zhuǎn)窯式焚燒爐的回轉(zhuǎn)窯部位，廢棄物需不?；剞D(zhuǎn)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(zhì)、高鋁質(zhì)、碳化硅質(zhì)澆注料和粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)可塑料為主。

　　2.2.2根據(jù)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhì)澆注料；熱交換室的室頂、側(cè)壁，噴射室的室頂、側(cè)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(zhì)澆注料；調(diào)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(zhì)澆注料。

　　以上焚燒爐用耐火材料的選擇依據(jù)應(yīng)視具體情況而論，對不同類型的焚燒爐應(yīng)結(jié)合多方面的因素由設(shè)備操作期間出現(xiàn)的最苛刻的情況決定。

　　2.2.3垃圾焚燒爐耐火材料的應(yīng)用

　　隨著垃圾焚燒爐的連續(xù)化、資源化、自動化，焚燒爐耐火材料的使用也發(fā)生了巨大的變化，目前以不定形耐火材料的使用占多數(shù)，日本約占75%左右。我國焚燒爐耐火材料以洛陽耐火材料廠和洛陽耐火材料研究院(以下簡稱洛耐院)生產(chǎn)的為主，根據(jù)實際情況開發(fā)不同性能的耐火材料產(chǎn)品：深圳環(huán)衛(wèi)綜合處理廠焚燒爐爐襯采用洛耐院開發(fā)的SiC制品；深圳龍崗引進加拿大CAO垃圾焚燒爐，其全套耐火材料(包括耐火澆注料)均由耐研院設(shè)計、生產(chǎn)、施工和參與調(diào)試；天津鋼管公司引進英國Davy公司的回轉(zhuǎn)窯，其耐火澆注料也由耐研院研制、生產(chǎn)。就焚燒爐耐火材料的開發(fā)技術(shù)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(jié)合和輕質(zhì)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(xué)侵蝕強、施工后不用養(yǎng)護、可直接加熱而不發(fā)生爆炸、價格也比耐火度相同的澆注料便宜等優(yōu)點，因而得到普遍的推廣應(yīng)用。據(jù)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(tài)。

　　3影響垃圾焚燒爐使用壽命的因素

　　垃圾焚燒爐的技術(shù)性能和經(jīng)濟效益主要受到爐襯用耐火材料的影響，而爐內(nèi)氣氛、使用溫度、熔融物的侵蝕以及應(yīng)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(nèi)氣氛的影響

　　不同的爐內(nèi)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(zhì)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(fā)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(dāng)溫度超出1400℃時，情況更為如此，特別是粘土、高鋁質(zhì)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(chǎn)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系耐火材料更佳。

　　(4)應(yīng)力的影響

　　焚燒爐所承受的應(yīng)力主要有以下幾種：①溫度梯度所引起的熱應(yīng)力；②金屬框架和耐火材料膨脹差在接觸部位產(chǎn)生的機械應(yīng)力(包括摩擦)；③氧化、腐蝕(HCl、Cl₂)、外來成分引起的化學(xué)變化和結(jié)晶轉(zhuǎn)移等引發(fā)的構(gòu)造應(yīng)力；④腐蝕、支柱先行遭到破壞引起的支撐應(yīng)力喪失。

　　經(jīng)驗表明，焚燒爐的數(shù)個應(yīng)力區(qū)域內(nèi)其應(yīng)力基本均衡，應(yīng)力的大小取決于工藝過程。隨著焚燒爐用耐火材料內(nèi)襯柵要求的穩(wěn)步提高，抵抗應(yīng)力的方法有如下幾種：

　?、賰?yōu)化焚燒爐的操作工藝，如通過調(diào)節(jié)過剩的空氣系數(shù)以及垃圾混合物；②改進耐火材料以提高內(nèi)襯壽命；③使用優(yōu)質(zhì)耐火材料。

　　4耐火材料的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢

　　4.1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(yōu)良性能主要表現(xiàn)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(jié)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(fā)SiC制品的開發(fā)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(xué)作用的同時也受水蒸汽的促進作用，SiC>1000℃時，由于結(jié)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(nèi)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(nèi)溫度達到1100℃的區(qū)域內(nèi)，采用硅質(zhì)結(jié)合劑結(jié)合的特殊SiC制品，其優(yōu)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(jié)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(qū)域內(nèi)，硅質(zhì)結(jié)合劑結(jié)合的SiC材料因其優(yōu)異的穩(wěn)定層而壽命高于氮化物結(jié)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(qū)域內(nèi)，SiC的含量為90%則更加適宜，而當(dāng)在熔融侵蝕條件下(1250-1350℃)，鉻剛玉質(zhì)的高鋁制品優(yōu)于SiC質(zhì)的制品。

　　一些國家實驗的Al₂O₃-SiC質(zhì)自流低水泥澆注料焚燒爐內(nèi)襯，不僅簡單而且有利于保護反應(yīng)器錨固件免受侵蝕；多功能雙層防護系統(tǒng)其熱傳導(dǎo)可自由調(diào)節(jié)，但仍在探討之中。

　　4.2高鋁質(zhì)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(yīng)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(zhì)結(jié)合需要特殊的條件，大量剛玉莫來石質(zhì)晶體基質(zhì)結(jié)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(yīng)用預(yù)反應(yīng)鉻剛玉顆粒而實現(xiàn)。采用無二氧化硅的主要原料剛玉和基質(zhì)中形成的較高的氧化鉻區(qū)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%。(《Interceram 》)。

　　高鋁質(zhì)材料(鉻剛玉制品)的發(fā)展方向是把Cr₂O₃的含量增加到10%和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(wěn)定的鉻在高溫區(qū)域與渣中的CaO、Na₂O、K₂O等堿類相反應(yīng)，生成對人體有害的6價鉻。因此從環(huán)保的觀點出發(fā)，希望開發(fā)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。

　　目前一些西方國家正在開發(fā)使垃圾形成玻璃化的設(shè)備以使污染的廢棄物產(chǎn)生惰性，要求內(nèi)襯材料具有良好的結(jié)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(chǎn)生抑制基質(zhì)裂紋的結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)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(nèi)襯，而硅質(zhì)結(jié)合劑結(jié)合的sic制品由于在應(yīng)用中形成環(huán)繞sic晶粒的致密永久惰性層而成為優(yōu)選；燃燒溫度>1250℃時，在較高應(yīng)力區(qū)域，氮化物結(jié)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(fā)優(yōu)質(zhì)SiC制品、高鋁制品、鉻剛玉制品以及含鋯基質(zhì)的高鋁質(zhì)剛玉制品成為今后發(fā)展的主要趨勢。

　　5結(jié)束語

　　隨著我國垃圾焚燒爐的發(fā)展，開發(fā)高效、經(jīng)濟的焚燒爐用耐火材料成為推廣垃圾焚燒技術(shù)的關(guān)鍵。耐火材料的研制要設(shè)法延長其壽命，降低其成本，提高其經(jīng)濟效益。此外，從環(huán)?？紤]，期望開發(fā)出無鉻的新型耐火材料。

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