灰熔融炉用耐火材料及使用pdf

1、第 29 卷第 2 期工业炉Vol. 29 No. 22007 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:

2、 TF065 1+ 1文献标识码: B文章编号: 1001- 6988( 2007) 02 0044 04Refractories for Ash Melting Furnace of Incinerator and 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 t

3、ype 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

4、 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

5、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

6、。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

7、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、

8、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SiCC SiCAl2O3 Cr2O3及其标号DRL 100FCZ 4SBN S100RSCX S90 13CBC 20AG 1CBC 15AG 1气孔率/ %11. 011 517 518 015 5体密/ ( g cm- 3)2. 752 7

9、51 881 833 45C. C. S/ MPa1201403020120M . O . R/MPa44. 030. 010. 06. 019. 5线膨胀系数(1 000 ! ) / %0. 450. 40. 40. 40. 8热导率( 1 000 ! ) / (W m- 1 K - 1) (350 ! ) 281426. 528. 03. 6Al 2O3/ %7472化学组成SiC/ %9590( 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

10、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

11、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. 718 051 2Al2O3/ %7 88 913 7Fe2O3/ %1 72 74 1化学成分 CaO/ %31 015 316 1Na2O/ %

12、0 27 43 2K2O/ %0 22 90 8Cl/ %15 516 40 4CaCl 水合物X- 衍射检测的主要盐类CaCO3, Ca( OH) 2KCl, NaClNaCl, KCl碱度( CaO/ SiO2 重量比)2. 260. 850. 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

13、 ! 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Al2O3 Cr2O3 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

14、 Cr2O3 或无铬的氧化物系列材 料。这时Al2O3 Cr2O3 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、

15、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。冷却内衬的作用: 使用热导率较好的材料( 如 SiC 质材料) 作为内衬对耐火材料进行冷却, 有利于 提高材料的

16、使用寿命。这是因为在使用冷却壁时, 材料表面温度降低, 边界层黏度随耐火材料表面温 度降低而增加, 边界层对材料起保护作用, 使材料侵 蚀速率减小。3 结语熔融炉内耐火材料的使用应考虑具体操作条件与材料本身的性能两个方面。影响灰熔融炉内耐火 材料使用寿命的主要因素有: 灰成分、使用部位、炉 内气氛、熔融温度、熔融渣的冲刷程度、是否使用冷 却壁以及是否间歇式运行等许多方面。它们对耐火材料的使用提出了较高的要求, 从总体上看, 灰熔融 炉用耐火材料应该具有的品质主要有 12 : 耐火材料对各种灰渣和金属有较好的耐侵蚀、抗渗透性能;# 出渣区域与渣接触的部位必须能够抵抗高温下熔 渣的冲刷; 应具有较

17、高的热导率及很好的冷却效 果; %大部分条件下应有很好的抗剥落性能以满足 间歇式操作条件。参考文献: 1 王 华, 何 方, 马文会, 等. 二恶英低减化生活垃圾焚烧灰渣 熔融处理技术 J . 昆明理工大学学报, 2002, 27( 1) : 17- 21. 2 TAKEHARA Shigeru, NOBUHARA Keiichi, NISHIHARA Ken, et al . Incinerator J . Shinagawa Technical Report, 1993, 36: 119- 148. 3 KUBOTA Yukitoshi, IIDA Eishi, MATSUBARA Ken

18、ichi, et al. Refrac tories for Ash Melting Furnaces J . Shinagawa Technical Report, 2004, 47: 65- 72. 4 杜明玺. 垃圾焚烧炉和各种熔融炉的开发动向及其耐火材料的 现状和问题 J . 国外耐火材料, 1999, 24( 3) : 3- 9. 5 桂剑红. 处理废弃物用焚烧炉和熔融炉及其耐火材料 J . 国外 耐火材料, 2001, 26(2) : 15- 22. 6 姚治才. 垃圾焚烧炉和熔融炉及其所用耐火材料 J . 陶瓷, 1999(6) : 32- 36. 7 NOBUHARA Keii

19、chi, NISHIYAMA Hideaki, MATSUBARA Kenichi, et al. Refractories for Ash Melting Furnace of Incinerator Residue and Sludge J . Shinagawa Technical Report, 1992, 25: 77- 91.8 IIDA Eishi, MORIWAKI Koji. Influence of Fly Ash inclusion on AshMelting Furnace Refractory Wear J . Shinagawa Technical Report,2002, 45: 31- 40. 9杜明玺. 混合飞灰熔融对灰熔融炉用耐火材料损毁的影响 J .国外耐火材料, 2003, 28(4) : 7- 1