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1、第3 4 卷 第2 期 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自 然 科学 版)2 0 0 2 年6 月 J Xi a n Un i v o f Ar c h&Te c h (N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)Vo1 3 4 No2 J u n 2 0 0 2 垃圾焚烧炉用耐火材料的使用现状及发展趋势 云斯 宁，蒋明学，高里存，唐 仕 英(西安建筑 科技大学材料工程学 院，陕西 西 安 7 1 0 0 5 5)摘 要：简要地介 绍 了垃圾 焚烧 炉的结构、特征和 使用 技术，阐述 了焚烧炉 用耐火 材料 的种类、性能 及其使用 效果，并指 出
2、焚烧炉用 耐火材 料今后 的发展方 向 关键 词：垃圾 焚烧 炉；耐火材料；现 状与发展 中图分类号：T B 3 5 文献标 识码：A 文章 编号：1 0 0 6 7 9 3 0(2 0 0 2)0 2 0 1 6 5 0 5 Cu r r e nt s i t u a t i o n a nd d e v e l o pi ng t r e nd o f r e f r a c t or i e s f o r wa s t e i nc i ne r a t 0 r y己，N Si ni n g，JI AN G M i n g xu e，GAO Li C UI l，TAN G Si yi
3、ng (S c h o o 1 o f M a t e r En g，Xi a n Un i v o f Ar c h&Te c h，Xi a n 7 1 0 0 5 5，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e st r u c t ur e an d c har a c t e r i s t i c s of us i n g t e c hnol ogi e s of wa s t e i nc i n e r a t or we r e i n t r odu c e d i n b r i e f The va r i e t i e s，pr op er t i
4、e s and a ppl i c a t i on s i t u at i on of r e f r ac t or i e s f or wa st e i n ci ne r at or we r e r e viewe d，an d t he d e ve l opi ng t r e nd o f t he r ef r ac t o r i e s f or i nc i ne r a t or was p oi nt e d o ut i n t he f ut ur e K e y w o r d s：wa s t e i n c i n e r a t o r；r e f
5、 r a c t o r i e s；c u r r e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p me n t 随着世界人 口的不断增 加和经济的高速发展，城市垃圾和工业废物 的数量急剧增 多垃圾的存在 不仅 占用大量 的空间，而且对地球环境造成严重污染，危害人类和动植物 的环境因而城市垃圾和产业 废弃物的处理是一个亟待解决 的问题 目前，世界各 国为实现“综合的垃圾经济”所做的努力越来越多，这一概念 的主要内容是避免产生垃 圾和重新利用垃圾西方一些 国家对 垃圾处理所做 的努力取得了显著成绩，研究开发了各种处理 垃圾 的方法：生物处理、热处理以及生
6、物处理和热处理相结合比较研究各种垃圾处理 的方法后表明，目前 还没有哪一种技术能够代替焚烧法，该法具有减容量 大、处理及时、无 害化程度高且可以回收热能等一 系列优点而倍受关注，已成为发达国家处理垃圾的主要方式 为适应环保产业的 日益发展，满足焚烧炉的需要，世界各 国开发使用了各种优质耐火材料，并取得 了显著的使用效果，因而继续研究开发性能优异的耐火材料 已成为 当务之举 1 垃圾焚烧炉的类型和特点 常见的焚烧炉有：间歇式焚烧炉、炉箅式焚烧炉、C AO焚烧系统、流化床式焚烧炉、回转炉式焚烧炉 等图 1是垃圾焚烧设备的流程 图(工业加工 ，1 9 9 6(6)收稿 日期：2 0 0 2 0 2
7、2 5 作 者简介：云斯宁(1 9 7 4 一)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士，主要从 事无机非金属材 料教学与科 研 维普资讯 http:/ 1 6 6 西 安 建筑科技大学学报(自然科学版)第 3 4卷 1 1间歇 式 焚 烧炉 间歇式焚烧炉一般分 为小型炉和大型炉，目前使用 的焚烧炉 多半 是小型炉，一次性投入垃圾，焚烧 结束后，再 次投入垃圾，日处理垃圾量在 2 5 t以下，一般按规定 的时间 出灰炉下 部设 有炉箅、气体冷 却、废气排出和送风装置；若是大型炉，常设有垃圾投入和排灰装置无论是大型炉还是小型炉，其特点 为：结构简单，建设费用少、使用时间长；但气体量和气体温度波动大，热量有效
8、利用差，灰份残渣多等 图 1 垃圾 焚烧设 备 流程 图 1 平 台；2 垃 装入 门；3 垃圾 坑；4 垃 圾 吊车；5 垃圾 料斗；6 焚烧 炉；7 锅 炉；8 反 应塔；9 除尘 装 置；1 0 抽 风机；1 1 烟囱；1 2 强 制鼓风 机；1 3 蒸汽式 空气 预热器；1 4 运灰 机；1 5 磁 选机；1 6 灰 坑；1 7 灰 吊车；1 8 金属 运送 机；1 9 金 属 坑；2 0 除尘粉尘 运送 机；2 1 反 应塔下粉尘运送 机；2 2 集 中粉尘 运送 机；2 3 飞灰 处理装 置；2 4 飞灰 坑；2 5 防止 白烟 用鼓 风机；2 6 蒸汽式 空气加 热器；2 7 垃
9、圾 污水槽；2 8 垃圾水 中间槽；2 9 高 压蒸 汽储 汽器；3 0 蒸 汽汽 轮机；3 1 中 央控制 室；3 2 控制传感器 室；3 3 受 电变 电室；3 4 锅炉副机 室；3 5 闸门操作室 1 2 炉 算式 焚烧 炉 炉算式焚烧炉也称炉排式焚烧炉，是一种连续式焚烧炉，因其优 良的使用性能而逐渐取代了间歇式 焚烧炉目前城市垃圾焚烧炉大多数为这种焚烧炉(约 占 7 O )，其 日处理量为 8 O 2 0 0 t，大型炉为 3 0 0 6 0 0 t 炉算式焚烧炉底部设 有多段炉箅，炉箅上堆放用料斗供给的垃圾，在移动炉箅 的同时，在其下 部吹人燃烧空气，进行干燥、燃烧炉算式焚烧炉的特点
10、是 1 ：炉身高大，造价较高；只有一个燃烧室，对 进入炉内的垃圾不必分选、破碎；固体垃圾在炉 内停留约 1 3 h，气 体停留约几秒种；垃圾 的表层温度为 8 0 0，烟气温度为 8 O O 1 0 0 0；要求炉排耐高温、耐腐蚀、机械性能好 为减少焚烧炉产生 的有害气 体(如二口 恶英、NO、NO 、C O等)，日本钢管公司采用 NKK技术开发 了 双回流炉算式焚烧炉，使来 自副烟道的还原性气体与主烟道 的燃烧气体进行再燃烧，从而抑制 NO 气 体的发生，促进燃气的完全燃烧，减少二口 恶英的发生 1 3 C AO(C o n t r o l l e d Ai r Ox i d a t i o
11、 n控 制 空气 燃烧)焚 烧 系统 该系统是一种新型垃圾焚烧炉 2 ，采用 的是垃圾热氧化分解技术，其特点是：垃圾在燃烧前要经过 热解、气化；对垃圾的热值 没有严格要求(不像其他类型 的焚烧炉)；有两个燃烧室，固体垃圾在第一燃 室，气体在第二燃室，前者温度为 6 0 0 8 0 0 C，停留时间约 3 6 h，后者温度为 8 O O 1 0 0 0 C，停留时间 约 为 1 3 s；整个 系统 结 构 紧 凑，占地 面积 小，炉 排 固定，造价 低 1 4 流化床式焚烧炉 流化床式焚烧炉其关键技术为鼓风机和空气输送装置，炉体有圆形和方形，垃圾在进入炉内须进行 粉碎(1 0 3 0 c m)，
12、气体冷却方式有锅炉式 和喷水式，全连续燃烧式大型炉采用锅炉式冷却方式炉 内沸 腾化 的载体沙子(6 0 0 8 0 0 C)不仅使 垃圾悬 浮燃烧，而且使 沸腾层温度均匀其特点是：炉 内热容量 一 一 一 一 一 一 维普资讯 http:/ 第 2 期 云斯 宁等：垃圾 焚烧 炉用耐火材料 的使用现状 及发 展趋势 大，可燃烧热值较低的垃圾；炉 内温度均匀，燃烧充分，垃圾停留时间长，日处理量小(约 2 0 0 t)1 5 回转 窑 式 工业 垃 圾焚 烧 炉 回转窑式工业垃圾焚烧炉 由回转窑本体、废弃物供给装置、驱动装置、烧嘴、二次燃烧炉等组成，在 其后部设有焚烧炉箅，并配 有出灰运输机，顶部
13、有二 次燃烧气体鼓人装置其特点是：适合处理大型垃 圾和产业废弃物(如污泥、燃油、沥青、涂料渣和塑料等)；垃圾在 回转窑 中回转燃烧，温度约为 9 0 0 C，二 次燃烧炉温度为 1 1 O 0 1 2 0 0 C 2 垃圾焚烧炉用耐火材料 2 1一般 要 求 当焚烧 的垃圾为不同组成 的非均匀性混合物时，其类型、数量和热含量方面也有很大不同为此内 衬的物理和化学性能应适 应操作期间不同阶段的要求垃圾 焚烧炉 的工作温度一般不超过 1 4 0 0 C，但 复杂的工作环境(如气体的侵蚀、垃圾在高温移动过程 中对炉体 内部 的磨损和冲击)要求优质耐火材料 内衬，而且需求量也将 不断增加通常要求耐火材
14、料有如下特点：良好 的体积稳定性；良好 的高温 强度和耐磨性；良好的耐酸性；良好 的抗震稳定性；良好 的抗侵蚀性(C O、C 1 、S O 、HC 1、碱金属蒸 汽等)；良好的施工性(不定形)；良好 的耐热、隔热性 2 2耐火 材 料 的选 择依 据 不 同的焚烧炉其操作条件不 同，内部使用温度不同所需耐火材料的性能也不同，因而应根据其工作 环境和使用温度选择不同性能 的耐火材料表 1 1 3 给出了焚烧炉用耐火材料的典型性能 2 2 1 根 据 工作 环 境 选 择 耐 火 材 料 在焚烧炉的投入 部位，由 于 废弃物的投入和落下都需与材料 接触，同时投入 口的温度 经常变 化，因而要求 耐
15、火材料有 良好 的 耐磨性和耐热震稳 定性，可选用 粘土砖；在干燥 室和燃烧 室内，废 弃物 与炉衬在 高温下直接接 触，一方 面炉 渣 会 附 着 在 炉 衬 上，另 一方 面杂质也会侵 入炉衬，同时 废弃物的投入必然引起温度的变 化，因而要求耐火材料不仅耐磨、耐 蚀、难 附着，而且 还 要 抗 碱、抗 表 1 焚烧炉用 耐火材 料的典 型性能 A B C D 性 能 可塑料 砖 浇注料 浇 注料 A1 2 O3 60 2 4 8 4 5 化学成分 s i O2 3 2 8 4 2 5 1 Si C 89 一 一 最大水分 1 4 5 体积密度 g m 2 5 0 2 6 5 2 0 0 2
16、 4 0 显气孔率 1 3 0 8 0 常温耐 压强度 MP a 9 2 0 1 5 0 0 5 0 0 6 0 0 抗折 强度 MP a 2 5 0 9 0 1 4 0 最高使用温度 C 1 6 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 氧化性，一般选 用粘土砖、高铝砖、S i C砖、浇注料和可塑料；在管道和气体冷却部位，由于喷水、杂质入 侵和温度变化，所以要求耐火材料抗碱、耐水、耐热震性，可选浇注料；在流动床式焚烧炉的流动床部位，高温沸腾沙与废弃物 的混合过程 中，不仅对炉衬有 冲刷，而且有杂质侵入，因而所选炉衬要耐磨、抗碱，常用粘土砖 和浇注料；在回转窑式 焚烧炉的回转窑部位，废弃物需不停
17、 回转且废弃物的加入引起温度的 变化，因而要求材料耐磨、耐热震性，一般选用粘土砖、高铝砖、S i C砖或浇注料 总之，垃圾焚烧炉用耐火材料大致分为耐火砖和不定形耐火材料，前 者包括粘土砖、高铝砖、碳化 硅砖，后者以粘土质、高铝质、碳化硅质浇注料和粘土质、高铝质可塑料为主 2 2 2 根 据 使 用 温度 选择 耐 火材料 不 同的焚烧炉，不 同的使用部位，使用温度不 同：燃烧室的室顶、侧壁、烧嘴其使用温度为 1 0 0 0 1 4 0 0 C，可选用耐火度为 1 7 5 0 1 7 9 0 的高铝砖及粘土砖，也可选 用耐火度 为 1 7 5 0 1 7 9 0 的可 塑 料；炉箅侧的上部、中部
18、、下部 其使用 温度 为 1 0 0 0 1 2 0 0 C，可选 用碳 化硅砖或 耐火度 为 1 7 1 0 1 维普资讯 http:/ 1 6 8 西安建筑科技大学学报(自 然科学版)第 3 4卷 7 5 0 的粘土砖，也可选用耐磨浇注料；二次燃烧室的室顶、侧壁其使用温度 为 8 0 0 1 0 0 0 C，可选用耐 火度低于 1 7 5 0。C的粘土砖或粘土质浇注料；热交换室的室顶、侧壁，喷射室的室顶、侧壁、室底其使用温 度低 于 6 0 0 C，可选用 耐火度低 于 1 7 1 0 C的粘土砖或 粘土质浇注料；调整烟道 和烟道 的使用 温度为 6 0 0，可选用耐火度低于 1 6 7
19、0 C的粘土砖 或粘土质浇注料 以上焚烧炉用耐火材料的选择依据应视具体情况而论，对不 同类型的焚烧炉应结合多方面的因素 由设备操作期间出现的最苛刻的情况决定 2 2 3 垃圾 焚烧 炉 耐 火材料 的应 用 随着垃圾焚烧炉的连续化、资源化、自动化，焚烧炉耐火材料的使用也发生了巨大的变化，目前以不 定形耐火材料的使用 占多数，日本约 占 7 5 左右我 国焚烧炉 耐火材料 以洛阳耐火材料厂和洛 阳耐火 材料研究 院(以下简称洛耐院)生产 的为主，根据实际情况开发不同性能的耐火材料产品：深圳环卫综合 处理厂焚烧炉炉衬采用洛耐院开发的 S i C制品；深圳龙 岗引进加拿大 C A O 垃圾焚烧炉，其
20、全套 耐火材 料(包括耐火浇注料)均 由耐研 院设计、生产、施工和参 与调试；天津钢管公 司引进英 国 D a v y公 司的 回 转窑，其耐火浇注料也由耐研院研制、生产就焚烧炉耐火材料的开发技术而言，日本走在 了前列，不仅 有使用温度从低温到 1 8 0 0 C的各种喷涂可塑料，而且有高强度磷酸盐结合 和轻质隔热可塑料，与浇注 料相比喷涂可塑料具有抗热震性好、抗化学侵蚀强、施工后不用养护、可直接加热而不发生爆炸、价格也 比耐火度相 同的浇注料便宜等优点，因而得到普遍的推广应用据文献(耐火信息 ，1 9 9 9，Ma r l 5)报 道：在 日本，喷涂可塑料在炉箅式焚烧炉上使用七年后，炉壁仍保
21、持完好状态 3 影响垃圾焚烧炉使用寿命 的因素 垃圾焚烧炉的技术性能和经济效益主要受到炉衬用耐火材料 的影响，而炉 内气 氛、使用温度、熔融 物的侵蚀 以及应力在不 同程度上影 响了耐火材料 的使用寿命，从而影响 了整个焚烧 炉的使用寿命因 此，分 析探讨 其 影 响 因素显 得 尤 为重 要 (1)炉 内气氛的影响不 同的炉内气氛对耐火材料的侵蚀程度不 同，垃圾 焚烧炉 多为氧化气 氛，在 选择 材质之际，很难对非氧化物系耐火材料(如 S i C)的使用气氛界 限加 以定 义，这不仅 由于某些气体(包括碱金属蒸汽)的浓度，而且由于温度、压强等也将发生微妙的变化研究表明：S i C砖 的耐蚀性
22、在氧 化气氛下 比在还原气氛下约大 1 0倍(2)使用温度 的影响 焚烧炉的最 高温度 为 1 4 0 0 C，一般随温度 的增加侵蚀率急剧增加当温度 超出 1 4 0 0 C时，情况更 为如此，特别是粘土、高铝质耐火材料更容易受温度的影响 (3)C a O S i O 的影响 炉渣作为焚烧炉焚烧产生 的残余物，其主要成分是 Al O 、S i O 、C a O、F e O 以及碱性 氧化物、碳酸盐和碱土金属C a O S i O 成为其主要影响 因素相 比之下，Al 0 一 C r 0 等中性 耐火材料 比碱性耐火材料更易受其影响，随着 C a O S i O 的增大，侵蚀程 度加大，一般
23、C S i C砖 比 S i C 砖更难受 C a O S i O 的影响通常 C a O S i O 一1 0为临界点，高 于此点，可选用 Mg O、尖 晶石、C系耐火 材料；低于此点，选用 Al O 、Cr O 、S i C系耐火材料最佳 (4)应力的影响 焚烧炉所承受的应力 4 主要有以下几种：温度梯度所引起 的热应力；金属框 架和耐火材料膨胀差在接触部位产生的机械应力(包括摩擦)；氧化、腐蚀(HC l、C 1 )、外来成分引起 的化学变化和结晶转移等引发的构造应力；腐蚀、支柱先行遭到破坏引起的支撑应力丧失 经验表明，焚烧炉的数个应力区域 内其应力基本均衡，应力的大小取决 于工艺过程随着
24、焚烧炉用 耐火材料内衬删要求的稳步提高，抵抗应力的方法有如下几种：优化焚烧炉的操作工艺，如通过调节过剩的空气系数以及垃圾混合物；改进耐火材料 以提高 内 衬寿命；使用优质耐火材料 4 耐火材料的技术水平和发展趋势 4 1 碳 化硅 材 料 S i C耐火材料由于其 良好的性能而常用 于生活垃圾 焚烧炉中，其优 良性能主要表现在抗 侵蚀性和 维普资讯 http:/ 第 2 期 云斯 宁等：垃圾焚烧 炉用耐火材料 的使用现状 及发展趋势 抗 冲刷能力强、抗热震性 良好、抗磨损性较高通常使用的 S i C块或砖是以硅酸盐 或氮化物结合 的，其 中 S i C的含量各不相同，在温度和不同气氛的影响下，
25、S i C8 0 0 时容易分解，这对 易挥发 S i C制品的 开发极其不利，而在 S i C表面形成 的氧化硅层可以保护 S i C晶粒免于进一步的侵蚀氧化硅的形成受 氧气化学作用的同时也受水蒸汽的促进作用，S i C 1 0 0 0 时，由于结 晶和形成获得 的鳞石英与方石英 其表面有许多裂纹，从而使其抗侵蚀性减弱，降低了使用寿命，目前通常采用冷却燃烧室内衬，使燃烧室 表面温度低于 1 0 0 0 C，从而抑制上述 的不 良影响在焚烧炉内温度达到 1 1 0 0 C的区域内，采用硅质结 合剂结合的特殊 S i C制品，其优点是在局部形成封闭的玻璃状硅酸盐层以防侵蚀在温度1 2 0 0 C
26、的 条件下，氮化物结合 的 S i C砖具有 良好 的抗侵蚀性 相比之下，在表面温度为 5 5 0 1 0 5 0 C的区域内，硅质结合剂结合的 S i C材料因其最优化的稳定层 而寿命高于氮化物结合 的材料研究表明：表面温度达到 8 5 0 C时，S i C含量为 5 0 7 0 为佳，在 8 5 0 1 1 0 0 C的区域 内，S i C的含量为 9 0 则更加适 宜，而 当在熔融侵蚀条件下(1 2 5 0 1 3 5 0 C)，铬刚玉 质 的高 铝制 品优 于 S i C质 的 制 品 一些 国家实验的 AI 0。一 S i C质 自流低水泥浇注料焚烧炉 内衬，不仅简单 而且有利于保
27、护反应器锚 固件免受侵蚀；多功能双层防护系统其热传导可 自由调节，但仍在探讨之中 4 2高铝 质 材 料 氧化铝 含量较高的材料主要用于特殊垃圾焚烧炉，不 同的应力要求氧化铝的含量不 同实验证 明，氧化铝含量6 0 的砖具有 良好 的抗侵蚀性，但要使氧化铝 的含量高，基质结合需 要特殊的条件，大量 刚玉莫来 石质晶体基质结合成为必然通常含有 5 C r O。的铬 刚玉制品可通过添加氧化铬或应用预 反应铬刚玉 颗粒而实现采用无二氧化硅的主要原料刚玉和基质 中形成的较高的氧化铬 区段 可使制品 具 有 较 高 的抗 侵 蚀 性通 过 添加 斜 锆 石(一 般 采 用 Z r S i O )以 改
28、进抗 热 震 性，铬 含 量 低 于 5 (I nt e r c e r a m 高铝质材料(铬刚玉制品)的发展方向是把 C r O。的含量增加到 1 0 和 3 0 ，把 S i O 的含量降低 到2 以改进制 品的抗 侵蚀性，但随着 C r O。含量 的增 加，大量 3价 稳定的铬在 高温 区域 与渣 中的 C a O、Na z O、Kz O等碱类相反应，生成对人体有害的 6价铬因此从环保的观点出发，希望开发使用非铬 系耐火材料，一般在氧化气氛下可选择 AI O。(熔点 2 0 5 0 C)、Z r O(熔点 2 9 5 0 C)、Mg O(熔点 2 8 0 0 C)等氧化物 系耐火材料；
29、在还原气氛下可选择 C、S i C等非 氧化物系耐火材料可 以尝试选择含氧化锆的 添加剂替代 铬铁矿而提高其在高温下的抗侵蚀性 目前一些西方 国家正在开发使垃圾形成玻璃化的设备 以使污染的废弃物产生惰性，要求 内衬材料 具有 良好的结合弹性和较低 的抗温度变化性研究表明：选择多晶型的 Z r O 可产生抑制基 质裂纹的结 构，因而结构 的弹性性能使制品具有较好的抗开裂性和 良好的抗温度变化性 总之，焚烧 炉的燃烧温度1 2 5 0 时，在 较高应力 区域，氮化物结合的 S i C制品性能 良好，也可选择高铝制品、铬刚玉制品因而，开发优质 S i C 制品、高铝制品、铬 刚玉制品以及含锆基质的高
30、铝质刚玉制品成为今后发展的主要趋 势 5 结束 语 随着我 国垃圾焚烧 炉的发展，开发高效、经济的焚烧炉用耐火材料成为推广垃圾焚烧技术的关键 耐火材料的研制要设法延 长其寿命，降低其成本，提高其经济效益此外，从环保考 虑，期 望开发 出无铬 的新 型 耐 火 材 料 参 考 文献：1 宫宗真治烧却炉概要 J 耐火物，1 9 9 8 5 0(4)：1 8 8 1 9 1 2 1 马晓茜，张笑冰等 垃圾 焚烧层染炉与 CA O 系统的分析 比较E J 1 工业 炉，1 9 9 9，2 1(3)：1 2 1 4 3 桂 明玺编 译废弃 物焚烧炉和 熔融炉用耐火 材料的损毁 J 国外耐 火材料，2 0 0 2(1)：3 3 3 7 4 李 振 民译 焚烧炉 用耐火材料 的技术动 向 J 陶瓷，I 9 9 5(1 0)：9 2 0 9 2 3 5 桂 明玺编 译：在废 弃物焚烧炉 内高温气体对 陶瓷的侵蚀 J 国外耐 火材料，2 0 0 1(3)：2 6 2 9 维普资讯 http:/