危險廢物焚燒系統(tǒng)耐火材料應(yīng)用分析

周清

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌330038）

危險廢物成分復(fù)雜、種類繁多、產(chǎn)生量大、危害性強。實踐證明，高溫焚燒技術(shù)是目前最為有效徹底的危廢處置方式之一。其中，回轉(zhuǎn)窯憑借著其適用性強，處置量大，能同時焚燒多種固態(tài)、半固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)危險廢物的優(yōu)勢，成為焚燒技術(shù)應(yīng)用中的主流爐型。

回轉(zhuǎn)窯由鋼板卷制而成，通常日處理危險廢物規(guī)模為20～120 t，窯內(nèi)溫度控制在850～900℃之間?；剞D(zhuǎn)窯運行時物料在筒體內(nèi)進(jìn)行軸向與縱向翻滾、混合、干燥、燃燒，直至燃盡并形成焦結(jié)灰渣排出。在這一過程中，危險廢物焚燒產(chǎn)生的高溫及腐蝕會對回轉(zhuǎn)窯設(shè)備產(chǎn)生直接危害。為保證回轉(zhuǎn)窯設(shè)備安全、穩(wěn)定地運行，窯體內(nèi)須襯耐火材料。內(nèi)襯耐火材料不僅需承受高溫作用，而且會不同程度地受到機械應(yīng)力與熱應(yīng)力、介質(zhì)沖刷磨損、化學(xué)侵蝕等多方面綜合作用，逐漸減薄甚至損毀，嚴(yán)重時不得不停車檢修。一般而言，處置危險廢物的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料使用周期為3～15個月。不同項目之間耐火材料使用壽命差異較大，因此對耐火材料的選擇、應(yīng)用進(jìn)行分析對焚燒系統(tǒng)的高效運行具有重要的現(xiàn)實意義。

1 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料的選擇

1.1 耐火材料分類

耐火材料是由多種骨料與一種或多種黏結(jié)劑組成的混合物，品種繁多。常見的耐火材料主要有硅鋁系耐火材料、堿性系列耐火材料、碳質(zhì)耐火材料、含鋯耐火材料、含鉻耐火材料等[1]。根據(jù)耐火材料的化學(xué)性質(zhì)選擇與侵蝕介質(zhì)屬性相同或接近的材料，有利于保證耐火材料足夠的抗侵蝕能力。

硅鋁系耐火磚以Al2O3-SiO2二元相為基本結(jié)構(gòu)，主要制品包括硅磚、石英玻璃、黏土磚、高鋁耐火磚、剛玉耐火磚等。高鋁耐火磚礦物組成為剛玉、莫來石與玻璃相，按Al2O3含量對耐火磚級別分類，當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%時為剛玉耐火磚。此類耐火磚廣泛應(yīng)用于危險廢物焚燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯。

堿性耐火磚以堿性氧化物，如MgO、CaO為主要成分。其對堿性介質(zhì)具有較強的抗化學(xué)侵蝕能力，耐火度較高，主要制品有鎂磚、白云石磚、鎂橄欖石磚等。

碳質(zhì)耐火材料，即中性耐火材料，主要以碳或碳化硅為主要成分制品，在高溫狀況下對酸、堿性介質(zhì)的化學(xué)侵蝕都具有一定的穩(wěn)定性。

含鋯耐火磚是以天然鋯英石砂為原料制得的酸性材料。其耐磨強度大、熱膨脹率小、抗熱震性好、抗渣性好，是工業(yè)領(lǐng)域中的重要材料。

1.2 影響耐火材料使用效果的主要性能

耐火材料的化學(xué)組成與生產(chǎn)工藝決定了耐火材料的礦物組成、宏觀結(jié)構(gòu)與顯微結(jié)構(gòu)，又進(jìn)一步?jīng)Q定了耐火材料的熱學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、使用性質(zhì)等。在焚燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部砌筑耐火磚，其目的是為了減少危險廢物焚燒時的高溫及腐蝕對回轉(zhuǎn)窯設(shè)備產(chǎn)生的直接危害，因此選用耐火材料時不僅要求耐火磚尺寸準(zhǔn)確，還必須具有合適的顯氣孔率、良好的熱穩(wěn)定性、足夠的荷重軟化溫度、良好的抗渣侵蝕性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

1）合適的顯氣孔率。顯氣孔率是指耐火材料上所有的開口氣孔體積占總體積的比值，顯氣孔率越高意味著其含有的開口氣孔越多，滲透性物質(zhì)侵入耐火材料內(nèi)部越容易，則侵蝕也就越嚴(yán)重。一般需將氣孔率控制在較低的范圍內(nèi)，但應(yīng)注意的是過低的氣孔率又會影響隔熱效果。目前，國內(nèi)耐火磚普遍顯氣孔率控制在20%左右。

2）良好的熱穩(wěn)定性、足夠的荷重軟化溫度。耐火材料應(yīng)該有足夠的熱穩(wěn)定性與荷重軟化溫度，即耐火材料在高溫下不軟化、不熔融，且能夠在較大荷載及其他熱機械應(yīng)力的情況下不喪失結(jié)構(gòu)強度、不發(fā)生變形坍塌。

3）良好的抗渣侵蝕性能和化學(xué)穩(wěn)定性。窯內(nèi)高溫狀態(tài)下的熟料液相、熔融燃料灰渣等都有很強的化學(xué)侵蝕能力，因此耐火材料須具備良好的抗渣侵蝕性能和化學(xué)穩(wěn)定性，以減少窯內(nèi)環(huán)境對其侵蝕減薄，延長耐火材料的使用壽命。

2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與材料砌筑

回轉(zhuǎn)窯焚燒爐作為動態(tài)運轉(zhuǎn)設(shè)備，轉(zhuǎn)速一般控制在0.15～2.5 r/min。要確保耐火內(nèi)襯在動態(tài)、高溫狀態(tài)下的整體的穩(wěn)定性，對內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計通常分為單層磚結(jié)構(gòu)、雙層磚結(jié)構(gòu)、復(fù)合磚結(jié)構(gòu)與整體澆注結(jié)構(gòu)。單層磚結(jié)構(gòu)施工方便，結(jié)構(gòu)溫度，但是筒體溫度較高；雙層磚結(jié)構(gòu)可以滿足爐體外表面溫度要求，但是施工難度高，穩(wěn)定性差；復(fù)合磚結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率低，應(yīng)用少。實際應(yīng)用中，采用單層磚結(jié)構(gòu)居多，常見的回轉(zhuǎn)窯耐火材料厚度為230～300 mm，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯常見單層內(nèi)襯結(jié)構(gòu)

內(nèi)襯砌筑方向常采取自窯尾到窯頭方向，由下而上砌筑。對于直徑較大的大體積回轉(zhuǎn)窯而言，采用砌磚機進(jìn)行砌筑更加快捷高效。砌筑時，采用軸向錯縫砌的花砌方式，可以保證相鄰環(huán)的耐火磚在相對運動時不損傷磚角。一般每相隔五環(huán)磚留設(shè)一道寬約3 mm的膨脹縫，并采用耐火毯進(jìn)行填充。耐火材料與窯筒體、各磚體之間均應(yīng)緊密貼合。鋪底完成后，耐火磚環(huán)應(yīng)與窯體同心，磚縫應(yīng)與窯體軸線一致；濕砌時，磚縫之間填縫漿飽滿。

3 耐火內(nèi)襯損毀情況分析

回轉(zhuǎn)窯耐火內(nèi)襯損壞是危廢焚燒系統(tǒng)常見的設(shè)備事故之一，直接影響到生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與連續(xù)性。在回轉(zhuǎn)窯實際運行過程中，內(nèi)襯耐火材料的損毀受筒體變形，磚熱膨脹作用產(chǎn)生的機械應(yīng)力，熱震作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力，熟料、堿鹽等引起的化學(xué)侵蝕等多個方面綜合影響。其中，熱應(yīng)力損毀和化學(xué)侵蝕最為主要。

1）熱應(yīng)力損毀。由于回轉(zhuǎn)窯焚燒廢物多種多樣，種類涉及廢有機溶劑、廢礦物油、廢乳化液、涂料廢物、表面處理廢物等。當(dāng)焚燒廢棄物特性不均一時，物料熱值波動較大，這會引起局部工況不穩(wěn)定，易產(chǎn)生熱應(yīng)力損壞耐火磚。

2）化學(xué)侵蝕。爐渣、酸堿性液體、蒸汽等固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)在高溫環(huán)境中與耐火材料相接觸，并與之發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，會侵蝕損毀耐火材料。其中液態(tài)熔渣的侵蝕作用最大。耐火材料因熔渣侵蝕作用被損毀的數(shù)量占被損壞總量的50%以上。

某危險廢物焚燒項目內(nèi)襯耐火材料采用剛玉莫來石磚，體積密度≥2.8 g/cm3，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥80%，耐火度≥1 790℃，荷重軟化溫度≥1 560℃，顯氣孔率≤16%，熱震穩(wěn)定性≥25次。圖2為該項目運行一段時間后回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料厚度情況。

圖2 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料厚度情況

可以明顯看出，從窯頭至窯尾，內(nèi)襯耐火材料厚度都有明顯的減薄現(xiàn)象，其中最嚴(yán)重的區(qū)域減薄了約50%，主要集中在窯頭及中部位置。根據(jù)分析，窯頭位置耐火材料厚度減薄嚴(yán)重的主要原因在于該部位受到物料的直接沖擊，機械磨損與損傷嚴(yán)重。中段位置耐火材料厚度減薄嚴(yán)重則主要由化學(xué)侵蝕引起：焚燒過程中廢物中S、Cl、Na、K等元素形成低融化合物。這些熔融物容易與焚燒爐耐火材料發(fā)生滲透腐蝕，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)而損壞爐襯。尾部位置所受化學(xué)侵蝕的影響相對于中部位置會弱一些，整體較為均勻穩(wěn)定。因此，在焚燒運行過程中應(yīng)著重關(guān)注窯頭與窯中位置耐火材料的損毀情況。

4 應(yīng)用分析

經(jīng)過對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料的應(yīng)用分析，并結(jié)合項目實踐，得到如下結(jié)論：要減少危廢焚燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯材料對于生產(chǎn)的影響，需從內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計、耐材品質(zhì)選擇、砌筑質(zhì)量控制[2]以及運行維護(hù)等方面考慮。

1）內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火磚結(jié)構(gòu)包括單層磚、雙層磚、復(fù)合磚。單層磚由于其導(dǎo)熱系統(tǒng)較大，而窯殼溫度高，會導(dǎo)致熱損失大，能耗高；采用雙層磚、復(fù)合磚雖能降低窯殼溫度，但由于窯體的轉(zhuǎn)動容易造成磚體和隔熱層之間的錯位和松動，或由于熱變形不一致造成松動、脫落。

2）耐材品質(zhì)選擇。適宜的耐火磚品質(zhì)與配置是首要關(guān)鍵。不同的耐火材料成分與配比適用于不同的焚燒廢物種類。然而，實踐證明，在某項目中應(yīng)用良好的耐火材料，在另一個處理廠的應(yīng)用卻效果不佳；即使在同一處理廠項目中，如果廢料種類或來源變化較大時，耐火材料的壽命也會發(fā)生波動。因此要針對項目接收廢物的特性，選擇適宜性能的耐火材料。

3）砌筑質(zhì)量控制。高質(zhì)量的砌筑是延長耐火磚使用壽命的可靠保障，因此通常要求耐火磚供應(yīng)商負(fù)責(zé)安裝施工。施工過程中，須合理安排施工工序；砌磚前對高溫泥漿進(jìn)行預(yù)試驗，確定泥漿的黏結(jié)時間、初凝時間、黏稠度及用量；選用合適的砌筑法，控制磚縫間隙，控制進(jìn)出料端澆注料支模時與頭罩和二燃室的間隙。施工質(zhì)量須達(dá)到《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）運行維護(hù)。運行操作中應(yīng)保證焚燒物料特性均一，減少物料成分的波動，特別是要將易產(chǎn)生腐蝕性的熔渣或具有尖銳沖擊力、爆炸性的廢物均勻分散。這對于延長耐火材料的使用壽命有相當(dāng)好的作用。窯皮的建立及對溫度的監(jiān)控也是延長耐火材料使用周期的關(guān)鍵所在[3]。窯皮可以保護(hù)耐火磚，使耐火磚不會直接受到高溫及化學(xué)的侵蝕，且能儲存熱能，降低回轉(zhuǎn)窯窯殼散向周圍的熱損失，并傳熱給生料，提高熱效率。對運營過程中的溫度監(jiān)控能使操作人員更好地掌握窯內(nèi)的熱工狀況、窯皮及耐火磚厚薄情況。

5 結(jié)論

耐火材料的設(shè)計、選用、安裝以及運行維護(hù)關(guān)系著危險廢物焚燒系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與連續(xù)性。耐火材料的成本較高，且更換耐火材料需要停車維護(hù)，還會影響焚燒生產(chǎn)線的經(jīng)濟效益。為了減少內(nèi)襯耐火材料損毀對于生產(chǎn)的影響，應(yīng)根據(jù)項目所在地的危險廢物成分，從內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計、耐材品質(zhì)選擇、砌筑質(zhì)量控制以及運行維護(hù)等多方面綜合考慮，因地制宜地結(jié)合項目實際條件開展專項研究、方案比選與必要試驗，并邀請有經(jīng)驗專家開展專題咨詢，保障項目的穩(wěn)定運行。