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垃圾焚燒爐用耐火材料的現狀及發展趨勢

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、流化床式焚燒爐、回轉爐式焚燒爐等。圖1是垃圾焚燒設備的流程圖。 

圖1垃圾焚燒設備流程圖 
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 
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,焚燒結束后,再次投入垃圾,日處理垃圾量在25t以下,一般按規定的時間出灰。爐下部設有爐箅、氣體冷卻、廢氣排出和送風裝置;若是大型爐,常設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:結構簡單,建設費用少、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,是一種連續式焚燒爐,因其優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,對進入爐內的垃圾不必分選、破碎;固體垃圾在爐內停留約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技術開發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氣體的發生,促進燃氣的完全燃燒,減少二惡英的發生。 
1.3CAO(Controlled Air Oxidation控制空氣燃燒)焚燒系統 
該系統是一種新型垃圾焚燒爐,采用的是垃圾熱氧化分解技術,其特點是:垃圾在燃燒前要經過熱解、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;整個系統結構緊湊,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鍵技術為鼓風機和空氣輸送裝置,爐體有圓形和方形,垃圾在進人爐內須進行粉碎(10-30cm),氣體冷卻方式有鍋爐式和噴水式,全連續燃燒式大型爐采用鍋爐式冷卻方式。爐內沸騰化的載體沙子(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:爐內熱容量大,可燃燒熱值較低的垃圾;爐內溫度均勻,燃燒充分,垃圾停留時間長,日處理量小(約2000t)。 
1.5回轉窯式工業垃圾焚燒爐 
回轉窯式工業垃圾焚燒爐由回轉窯本體、廢棄物供給裝置、驅動裝置、燒嘴、二次燃燒爐等組成,在其后部設有焚燒爐箅,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業廢棄物(如污泥、燃油、瀝青、涂料渣和塑料等);垃圾在回轉窯中回轉燃燒,溫度約為900℃,二次燃燒爐溫度為1100-1200℃。垃圾焚燒爐用耐火材料 
2.1一般要求 
當焚燒的垃圾為不同組成的非均勻性混合物時,其類型、數量和熱含量方面也有很大不同。為此內襯的物理和化學性能應適應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℃,但復雜的工作環境(如氣體的侵蝕、垃圾在高溫移動過程中對爐體內部的磨損和沖擊)要求優質耐火材料內襯,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 
不同的焚燒爐其操作條件不同,內部使用溫度不同所需耐火材料的性能也不同,因而應根據其工作環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根據工作環境選擇耐火材料 
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常變化,因而要求耐火材料有良好的耐磨性和耐熱震穩定性,可選用粘土磚;在干燥室和燃燒室內,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、雜質人侵和溫度變化,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;在回轉窯式焚燒爐的回轉窯部位,廢棄物需不停回轉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、高鋁質、碳化硅質澆注料和粘土質、高鋁質可塑料為主。 
2.2.2根據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℃的粘土磚或粘土質澆注料;熱交換室的室頂、側壁,噴射室的室頂、側壁、室底其使用溫度低于600℃,可選用耐火度低于1710℃的粘土磚或粘土質澆注料;調整煙道和煙道的使用溫度為600℃,可選用耐火度低于1670℃的粘土磚或粘土質澆注料。 
以上焚燒爐用耐火材料的選擇依據應視具體情況而論,對不同類型的焚燒爐應結合多方面的因素由設備操作期間出現的最苛刻的情況決定。 
2.2.3垃圾焚燒爐耐火材料的應用 
隨著垃圾焚燒爐的連續化、資源化、自動化,焚燒爐耐火材料的使用也發生了巨大的變化,目前以不定形耐火材料的使用占多數,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)生產的為主,根據實際情況開發不同性能的耐火材料產品:深圳環衛綜合處理廠焚燒爐爐襯采用洛耐院開發的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)均由耐研院設計、生產、施工和參與調試;天津鋼管公司引進英國Davy公司的回轉窯,其耐火澆注料也由耐研院研制、生產。就焚燒爐耐火材料的開發技術而言,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合和輕質隔熱可塑料,與澆注料相比噴涂可塑料具有抗熱震性好、抗化學侵蝕強、施工后不用養護、可直接加熱而不發生爆炸、價格也比耐火度相同的澆注料便宜等優點,因而得到普遍的推廣應用。據文獻(《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。 
3影響垃圾焚燒爐使用壽命的因素 

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

不同的爐內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。當溫度超出1400℃時,情況更為如此,特別是粘土、高鋁質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系耐火材料最佳。 
(4)應力的影響 
焚燒爐所承受的應力主要有以下幾種:①溫度梯度所引起的熱應力;②金屬框架和耐火材料膨脹差在接觸部位產生的機械應力(包括摩擦);③氧化、腐蝕(HCl、Cl2)、外來成分引起的化學變化和結晶轉移等引發的構造應力;④腐蝕、支柱先行遭到破壞引起的支撐應力喪失。 
經驗表明,焚燒爐的數個應力區域內其應力基本均衡,應力的大小取決于工藝過程。隨著焚燒爐用耐火材料內襯柵要求的穩步提高,抵抗應力的方法有如下幾種: 
①優化焚燒爐的操作工藝,如通過調節過剩的空氣系數以及垃圾混合物;②改進耐火材料以提高內襯壽命;③使用優質耐火材料。 
4耐火材料的技術水平和發展趨勢 
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,其優良性能主要表現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SiC制品的開發極其不利,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作用的同時也受水蒸汽的促進作用,SiC>1000℃時,由于結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。在焚燒爐內溫度達到1100℃的區域內,采用硅質結合劑結合的特殊SiC制品,其優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℃的區域內,硅質結合劑結合的SiC材料因其最優化的穩定層而壽命高于氮化物結合的材料。研究表明:表面溫度達到850℃時,SiC含量為50%-70%為佳,在850-1100℃的區域內,SiC的含量為90%則更加適宜,而當在熔融侵蝕條件下(1250-1350℃),鉻剛玉質的高鋁制品優于SiC質的制品。 
一些國家實驗的Al2O3-SiC質自流低水泥澆注料焚燒爐內襯,不僅簡單而且有利于保護反應器錨固件免受侵蝕;多功能雙層防護系統其熱傳導可自由調節,但仍在探討之中。 
4.2高鋁質材料 
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,基質結合需要特殊的條件,大量剛玉莫來石質晶體基質結合成為必然。通常含有5%Cr2O3的鉻剛玉制品可通過添加氧化鉻或應用預反應鉻剛玉顆粒而實現。采用無二氧化硅的主要原料剛玉和基質中形成的較高的氧化鉻區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》)。 
高鋁質材料(鉻剛玉制品)的發展方向是把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價穩定的鉻在高溫區域與渣中的CaO、Na2O、K2O等堿類相反應,生成對人體有害的6價鉻。因此從環保的觀點出發,希望開發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。可以嘗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使垃圾形成玻璃化的設備以使污染的廢棄物產生惰性,要求內襯材料具有良好的結合彈性和較低的抗溫度變化性。研究表明:選擇多晶型的ZrO2可產生抑制基質裂紋的結構,因而結構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。總之,焚燒爐的燃燒溫度<1250℃時,SiC含量不同的材料均適于作其內襯,而硅質結合劑結合的SiC制品由于在應用中形成環繞SiC晶粒的致密永久惰性層而成為最優選擇;燃燒溫度>1250℃時,在較高應力區域,氮化物結合的SiC制品性能良好,也可選擇高鋁制品、鉻剛玉制品。因而,開發優質SiC制品、高鋁制品、鉻剛玉制品以及含鋯基質的高鋁質剛玉制品成為今后發展的主要趨勢。 
5結束語 
隨著我國垃圾焚燒爐的發展,開發高效、經濟的焚燒爐用耐火材料成為推廣垃圾焚燒技術的關鍵。耐火材料的研制要設法延長其壽命,降低其成本,提高其經濟效益。此外,從環保考慮,期望開發出無鉻的新型耐火材料。 
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