第 29 卷第 2 期 工业炉Vol. 29 No. 2 2007 年 3 月Industrial FurnaceM ar. 2007灰熔融炉用耐火材料及使用吕春江, 赵俊国, 王文武, 刘春霞, 刘国华( 中钢集团洛阳耐火材料研究院, 河南洛阳 471039)摘 要: 对垃圾焚烧灰渣熔融炉的种类及其主要耐火材料进行介绍, 从炉内气氛、熔融灰种类、不同使用部位等方 面叙述了不同灰熔融炉用耐火材料的耐侵蚀性能, 同时从机理上对熔融温度、熔渣冲刷等工作条件的影响进行了分析, 指出了灰熔融炉对耐火材料品质的一般要求及今后需要解决的问题。
关键词: 垃圾焚烧灰渣熔融炉; 耐火材料 ; 耐侵蚀性能 中图分类号: TF065 1+1文献标识码: B文章编号: 1001- 6988( 2007) 02 0044 04Refractories for Ash Melting Furnace of Incineratorand Their ApplicationLV Chun jiang, ZHAO Jun guo, WANG Wen wu, LIU Chun xia, LIU Guo hua( Luoyang Institute of Ref ractories Research, Sinosteel Corporation, Luoyang 471039, China)Abstract: The type of ash melting furnaces and its main refractories are introduced. The erosion resistance of refractories for ash melting furnace of incinerator is described from different atmosphere, type of ash and using ar eas. The influence of operating conditions, such as melting temperture, the movement of slag etc is analyzed from the erosion mechanism. In the end, the general properties of refractories for ash melting furnace and some problems are pointed out.Key words: ash melting furnace of incinerator; refractories; erosion resistance用传统垃圾焚烧技术处理城市生活垃圾后产生 的炉渣和烟尘量一般分别为原垃圾重量的 10% ~ 20% 和 1%~ 5%, 如果再加上烟气净化处理及焚烧 过程中加入的各种药剂形成的总灰渣量占原垃圾量 的35% ~ 45%[ 1]。
又由于焚烧温度不是很高, 在这些灰渣中会含有一定量未燃尽可燃物、重金属和二 恶英类等物质, 如果对它们处理不当会对土壤、地下 水以及大气等造成严重污染。
目前对这些灰渣进行 熔融固化的方法是世界上普遍采用的一种比较安全 的方法。
熔融技术的主要优点: 对焚烧灰渣进一步 减容; 解决重金属的二次污染问题; 控制二恶英的形 成; 实现资源的再利用。
然而由于其能耗大、成本 高、系统结构复杂、规模庞大, 技术实现有一定难度。
我国在这方面的研究与应用相对其他发达国家而言 还有一定的差距, 因此有必要加强这方面的探索。
收稿日期: 2006- 11- 27作者简介: 吕春江( 1979 ) , 男, 硕士研究生, 从事碳化硅耐火材料的研究和应用工作.1 灰熔融炉的种类及其耐火材料废弃物熔融炉可分为垃圾焚烧灰渣熔融炉和气化熔融炉。
气化熔融是直接把废弃物进行热解与熔融的一种垃圾处理方法,是垃圾无害化处理的一个发展方向。
垃圾焚烧灰渣熔融炉,简称为灰熔融炉,是在垃圾焚烧炉的基础上对焚烧灰进行熔融处理,在国外特别是日本使用较为普遍。
灰熔融炉可根据加热方式分为燃料加热和电加热两种,其中电加热方式又可分为:电阻炉、等离子炉、电弧炉、感应炉等。
烧嘴加热方式可分为:表面熔融炉、旋转燃烧炉、回转窑式熔融炉等。
图1和图2 分别为典型电加热熔融炉和烧嘴加热熔融炉的结构示意图[ 2]。
根据各类熔融炉操作条件可选用不同种类的耐火材料。
按照材质的不同可把它们分为含碳耐火材料、碳化硅质耐火材料和氧化物耐火材料等3大类,44工业炉第29卷第2期2007 年 3 月表1为当前各类熔融炉用耐火材料的使用状况,表 2 为部分耐火材料的性能指标[ 3]。
图1 电加热灰熔融炉示意图图2烧嘴加热的灰熔融炉示意图表1灰熔融炉类型、工作气氛和典型耐火材料的使用炉型及特点炉内气氛所用的主要耐火材料电弧加热弱氧化Al2O3 Cr2O3、Al2O3 SiC、SiC电加热熔融炉电阻加热还原 C SiC、SiC等离子加热氧化Al2O3 Cr2O3 ( ZrO2) 、MgO Cr2O 3、SiC还原 C SiC、SiC表面熔融氧化Al2O3 Cr2O3 ( ZrO2) 、SiC燃料加热熔融炉旋转燃烧氧化Al2O3 Cr2O3 ( ZrO2) 、SiC回转窑氧化Al2O3 Cr2O3 ( ZrO2) 、SiC表2灰熔融炉中一些耐火砖的主要性能指标材料种类SiC C SiC Al2O3 Cr2O3及其标号DRL 100FCZ 4 SBN S100R SCX S90 13 CBC 20AG 1 CBC 15AG 1气孔率/ % 11. 0 11 5 17 5 18 0 15 5体密/ ( g cm - 3) 2. 75 2 75 1 88 1 83 3 45C. C. S/ MPa 120 140 30 20 120M . O . R/MPa 44. 0 30. 0 10. 0 6. 0 19. 5 线膨胀系数(1 000!) / % 0. 45 0. 4 0. 4 0. 4 0. 8热导率( 1 000!) / (W m - 1K- 1) (350!) 28 14 26. 5 28. 0 3. 6Al 2O3/ % 7 4 72 化学组成SiC/ % 95 90 ( SiC+ C) 86 ( SiC+ C) 88Cr2O3/ % 18ZrO 2/ % 3性能特点耐侵蚀性耐侵蚀性耐侵蚀性耐侵蚀性耐侵蚀性高热导率高热导率高热导率高热导率主要应用电弧炉等离子炉电阻炉电阻炉等离子炉等离子炉等离子炉等离子炉旋转燃烧炉2 灰熔融炉用耐火材料的侵蚀时不同气氛下一些熔融炉用耐火材料的侵蚀量对比,结果碳化硅砖在氧化气氛下的侵蚀程度是还原2. 1 气氛的影响气氛下的10倍左右,而氧化物耐火材料在氧化气氛通常电加热方式的熔融炉是还原或弱氧化气下使用的效果明显比还原气氛好。
因此,一般情况氛,而燃料加热的熔融炉是氧化气氛,它们是材料选下,碳化硅质耐火材料主要用于还原或弱氧化气氛, 择的一个重要条件。
文献[ 4] ~ [ 6]介绍了碱度0. 78 而氧化物耐火材料则主要用于氧化气氛。
45材料与施工:灰熔融炉用耐火材料及使用2. 2 焚烧灰的种类及耐火材料在不同使用部位的底灰和飞灰的化学成分。
在灰成分上,主要根据灰的侵蚀碱度与灰中易挥发成分来选择耐火材料的使用,一般垃圾焚烧灰可分为炉底灰、飞灰和混合灰3种。
随碱度的升高或氯化物含量的增多,渣接触部位或气因为炉底灰和飞灰在化学成分上差别很大,所以它们相部位侵蚀增强,材料使用寿命降低。
下面从使用部对耐火材料的侵蚀强弱有很大差异。
表3为典型的炉位的角度对耐火材料的侵蚀性进行分析。
表3 典型的飞灰和炉底灰的化学成分成分及飞灰炉底灰处理方法钙处理水处理SiO2/ % 13. 7 18 0 51 2Al2O3/ % 7 8 8 9 13 7Fe2O3/ % 1 7 2 7 4 1化学成分CaO/ % 31 0 15 3 16 1Na2O/ % 0 2 7 4 3 2K2O/ % 0 2 2 9 0 8Cl/ % 15 5 16 4 0 4CaCl 水合物X- 衍射检测的主要盐类CaCO3, Ca( OH) 2 KCl, NaClNaCl, KCl碱度( CaO/ SiO2重量比) 2. 26 0. 85 0. 31在灰渣接触部位,主要研究渣碱度对不同材料的侵蚀。
一般炉底灰碱度低,其侵蚀程度较弱,而飞灰碱度高,容易对材料造成破坏。
当然也不是所有材料都如此,如下面提到的碱性MgO Cr2O3材料就是随着碱度的增加侵蚀率减小。
图3是各种材质耐火材料的侵蚀率与灰碱度的关系,实验条件是用回转滚筒侵蚀实验法在还原气氛下,于 1 650!保温 4 h,灰碱度分别为0. 5、1. 0和2. 0。
图3还原气氛下各材质耐火材料侵蚀率与焚烧灰碱度的关系由图3可见,在整个碱度范围内 C SiC材料侵蚀率一直很小,但由于C的抗氧化性相对较弱,它只能用于还原气氛条件。
SiC材料随碱度升高侵蚀率有轻微的升高,然而其抵抗氧化的能力与C SiC 相比有所增强。
对于Al2O3Cr2O3材料,因为它在低碱度时侵蚀率也较小,通常在弱氧化气氛、碱度较低时,如只熔融炉底灰时(通常碱度为0. 5左右) ,使用较为普遍。
对于氧化气氛,上面提到一般不能使用 C SiC砖和SiC砖,而使用含Cr2O3或无铬的氧化物系列材料。
这时Al2O3Cr2O3材料和MgO Cr2O3材料都具有非常优良的耐侵蚀性能。
一般情况下,对偏中性的Al2O3 Cr2O3材料随碱度的提高侵蚀速率增大, 故主要用于碱度相对较低的熔融炉。
而碱性的MgO Cr2O3材料随碱度的提高侵蚀率同样有减小趋势, 故主要用在高碱度的环境,如只熔融飞灰时(碱度为2. 0 左右) 经常使用, 但此种材料的抗剥落性较差, 不适合用在间歇操作的熔融炉中。
2. 3其它操作条件变化时耐火材料的侵蚀耐火材料的选择根据炉内操作条件的改变有所不同,上面已经对炉内气氛、灰渣成分等方面进行了分析,但温度、熔融渣冲刷等条件对耐火材料的侵蚀也有很大影响。
使用温度的影响:一般灰熔融炉的工作温度在 1 400~ 1 700 ! 之间。
温度对材料的使用寿命有很大的影响,在使用温度升高时,熔融灰渣及边界层的黏度变小,导致材料在边界层中的扩散速率增加,侵46工业炉 第 29 卷 第 2 期2007 年 3 月蚀速率增大。
熔融渣冲刷的影响: 对于流动的熔渣, 冲刷的作 用会使边界层的厚度减小, 特别在流动方向突然变 化的区域材料表面的冲刷更加严重, 所以流动的熔 渣对材料的侵蚀更严重。