垃圾焚燒爐用耐火材料的使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、維普資訊 第34卷第2期西 安 建 筑 科 技 大 學 學 報(自然科學版)2002年6月JXian UnivofArch& Tech(NaturalScienceEdition)Vo134 No2Jun 2002垃圾焚燒爐用耐火材料的使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢云斯寧，蔣明學，高里存 ，唐仕英(西安建筑科技大學材料工程學院，陜西 西安 710055)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)展中圖分類號：TB35文獻標識碼：A文章編

2、號：10067930(2002)02016505Current situation and developing trend of refractoriesfor waste incinerat0ry己，N Sining，JIAN G M ingxue，GAO LiCUIl，TAN G Siying(Schoo1ofM aterEng，Xian UnivofArch&Tech，Xian 710055，China)Abstract：The structure and characteristics of using technologies of waste incinerator were i

3、ntroduced in brief The varieties，properties and application situation of refractories for waste incinerator were reviewed ，and the developing trend of the refractories for incinerator was pointed outin the futureKeywords：wasteincinerator；refractories；currentsituationand development隨著世界人口的不斷增加和經(jīng)濟的高速發(fā)

4、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

5、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(工業(yè)加工，1996(6)收稿日期：20020225作者簡介：云斯寧 (1974一)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，主要從事無機非金屬材料教學與科研維普資訊 166西 安 建 筑 科 技 大 學 學 報(自然科學版)第 34卷11 間歇式焚燒爐間歇式焚燒爐一般分為小一型爐一和大型一爐，目前使用

6、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，灰份殘渣多等圖 1 垃圾焚燒設(shè)備流程圖1平臺；2垃裝入門；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抽風機；11煙囪；12強制鼓風機；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)

7、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12 爐算式焚燒爐爐算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 7O )，其日處理量為 8O200t，大型爐為 300 600t爐算式焚燒爐底部設(shè)有多段爐箅，爐箅上堆放用料斗供給的垃圾，在移動爐箅的同時，在其下部吹人燃燒空氣，進行干燥、燃燒爐算式焚

8、燒爐的特點是1：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 13h，氣 體停留約幾秒種；垃圾的表層溫度為800，煙氣溫度為 8OO1000；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(如二口惡英、NO、NO 、CO等)，日本鋼管公司采用 NKK技術(shù)開發(fā) 了雙回流爐算式焚燒爐，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 NO 氣體的發(fā)生，促進燃氣的完全燃燒，減少二口惡英的發(fā)生13 CAO(Controled AirOxidation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2，采用的是垃圾熱氧化分解技術(shù)，

9、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 600800C，停留時間約 36h，后者溫度為 8OO1000C，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14 流化床式焚燒爐流化床式焚燒爐其關(guān)鍵技術(shù)為鼓風機和空氣輸送裝置，爐體有圓形和方形，垃圾在進入爐內(nèi)須進行粉碎 (1030cm)，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 (600800C)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)熱容量維普資訊

10、 第 2期云斯寧等：垃圾焚燒爐用耐火材料的使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢大，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 200t)15 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人裝置其特點是：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 900C，二次燃燒爐溫度為 11O01200C2 垃圾焚燒爐用耐火材料21 一般要求當焚燒的垃圾為不同組成的非均勻性

11、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 1400C，但復雜的工作環(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： 良好的體積穩(wěn)定性； 良好的高溫強度和耐磨性； 良好的耐酸性； 良好的抗震穩(wěn)定性； 良好的抗侵蝕性 (CO、C1、SO 、HC1、堿金屬蒸汽等)； 良好的施工性(不定形 )； 良好的耐熱、隔熱性22 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

12、和使用溫度選擇不同性能的耐火材料表 113給出了焚燒爐用耐火材料的典型性能221 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，方面爐渣會附著在爐襯上，另方面雜質(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、抗表 1 焚燒爐用耐火材料的典型性能ABCD性能可塑料磚澆注料澆注料A12O36024845化學成分siO23284251SiC89一一最大水分145體積密度gm

13、250265200240顯氣孔率13080常溫耐壓強度MPa9201500500600抗折強度MPa25090140最高使用溫度C1 60015001500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，廢棄物需不停回轉(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

14、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222 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 1 400C，可選用耐火度為 17501790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 10001 200C，可選用碳化硅磚或耐火度為 1 7101維普資訊 168西 安 建 筑 科 技 大 學 學 報(自然科學版)第

15、34卷750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 1000C，可選用耐火度低于 1750。C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 600C，可選用耐火度低于 1710C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 1670C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223 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

16、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 1800C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

17、化學侵蝕強、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，Marl5)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 Si

18、C)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 1400C，一般隨溫度的增加侵蝕率急劇增加當溫度超出 1400C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)CaOSiO 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 AlO 、SiO 、CaO、FeO以及堿性氧化物、碳酸鹽和堿土金屬CaOSiO 成為其主要影響因素相比之下，Al0 一Cr0 等中性耐火材料比堿性耐火材料更易受其影響，隨著 CaOS

19、iO 的增大，侵蝕程度加大，一般 CSiC磚 比 SiC 磚更難受 CaOSiO 的影響通常 CaOSiO 一10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 AlO 、CrO 、SiC系耐火材料最佳(4)應(yīng)力的影響 焚燒爐所承受的應(yīng)力4主要有以下幾種：溫度梯度所引起的熱應(yīng)力；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 )；氧化、腐蝕 (HCl、C1) 、外來成分引起的化學變化和結(jié)晶轉(zhuǎn)移等引發(fā)的構(gòu)造應(yīng)力；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)襯刪要求的穩(wěn)

20、步提高，抵抗應(yīng)力的方法有如下幾種：優(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；改進耐火材料以提高內(nèi)襯壽命；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41 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)在抗侵蝕性和維普資訊 第 2期云斯寧等：垃圾焚燒爐用耐火材料的使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢抗沖刷能力強、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，SiC800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

21、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，SiC1000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 1000C，從而抑制上述的不良影響在焚燒爐內(nèi)溫度達到 1100C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1200C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 5501050C的區(qū)域內(nèi)，硅質(zhì)結(jié)合劑結(jié)合的 SiC材料因其最優(yōu)化的穩(wěn)定層而壽命高于氮化

22、物結(jié)合的材料研究表明：表面溫度達到 850C時，SiC含量為 50 70 為佳，在 850 1100C的區(qū)域內(nèi)，SiC的含量為 90 則更加適宜，而當在熔融侵蝕條件下 (12501350C)，鉻剛玉質(zhì)的高鋁制品優(yōu)于 SiC質(zhì) 的制品些國家實驗的 AI0。一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)其熱傳導可自由調(diào)節(jié)，但仍在探討之中42 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 CrO。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 ZrSiO )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 CrO。的含量增加到 10 和 30 ，把 SiO 的含量降低到2 以改進制品的抗侵蝕性，但隨著 CrO。含