危險廢物焚燒系統耐火材料應用分析

周清

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌330038）

危險廢物成分復雜、種類繁多、產生量大、危害性強。實踐證明，高溫焚燒技術是目前最為有效徹底的危廢處置方式之一。其中，回轉窯憑借著其適用性強，處置量大，能同時焚燒多種固態、半固態、液態、氣態危險廢物的優勢，成為焚燒技術應用中的主流爐型。

回轉窯由鋼板卷制而成，通常日處理危險廢物規模為20～120 t，窯內溫度控制在850～900℃之間。回轉窯運行時物料在筒體內進行軸向與縱向翻滾、混合、干燥、燃燒，直至燃盡并形成焦結灰渣排出。在這一過程中，危險廢物焚燒產生的高溫及腐蝕會對回轉窯設備產生直接危害。為保證回轉窯設備安全、穩定地運行，窯體內須襯耐火材料。內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力與熱應力、介質沖刷磨損、化學侵蝕等多方面綜合作用，逐漸減薄甚至損毀，嚴重時不得不停車檢修。一般而言，處置危險廢物的回轉窯內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、應用進行分析對焚燒系統的高效運行具有重要的現實意義。

1 回轉窯內襯耐火材料的選擇

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、碳質耐火材料、含鋯耐火材料、含鉻耐火材料等[1]。根據耐火材料的化學性質選擇與侵蝕介質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-SiO2二元相為基本結構，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Al2O3質量分數≥90%時為剛玉耐火磚。此類耐火磚廣泛應用于危險廢物焚燒回轉窯內襯。

堿性耐火磚以堿性氧化物，如MgO、CaO為主要成分。其對堿性介質具有較強的抗化學侵蝕能力，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、堿性介質的化學侵蝕都具有一定的穩定性。

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，是工業領域中的重要材料。

1.2 影響耐火材料使用效果的主要性能

耐火材料的化學組成與生產工藝決定了耐火材料的礦物組成、宏觀結構與顯微結構，又進一步決定了耐火材料的熱學性質、力學性質、使用性質等。在焚燒回轉窯內部砌筑耐火磚，其目的是為了減少危險廢物焚燒時的高溫及腐蝕對回轉窯設備產生的直接危害，因此選用耐火材料時不僅要求耐火磚尺寸準確，還必須具有合適的顯氣孔率、良好的熱穩定性、足夠的荷重軟化溫度、良好的抗渣侵蝕性能和化學穩定性。

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，滲透性物質侵入耐火材料內部越容易，則侵蝕也就越嚴重。一般需將氣孔率控制在較低的范圍內，但應注意的是過低的氣孔率又會影響隔熱效果。目前，國內耐火磚普遍顯氣孔率控制在20%左右。

2）良好的熱穩定性、足夠的荷重軟化溫度。耐火材料應該有足夠的熱穩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力的情況下不喪失結構強度、不發生變形坍塌。

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

2 回轉窯內襯結構與材料砌筑

回轉窯焚燒爐作為動態運轉設備，轉速一般控制在0.15～2.5 r/min。要確保耐火內襯在動態、高溫狀態下的整體的穩定性，對內襯結構設計要求較高。內襯結構設計通常分為單層磚結構、雙層磚結構、復合磚結構與整體澆注結構。單層磚結構施工方便，結構溫度，但是筒體溫度較高；雙層磚結構可以滿足爐體外表面溫度要求，但是施工難度高，穩定性差；復合磚結構生產效率低，應用少。實際應用中，采用單層磚結構居多，常見的回轉窯耐火材料厚度為230～300 mm，內襯結構形式如圖1所示。

圖1 回轉窯常見單層內襯結構

內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窯而言，采用砌磚機進行砌筑更加快捷高效。砌筑時，采用軸向錯縫砌的花砌方式，可以保證相鄰環的耐火磚在相對運動時不損傷磚角。一般每相隔五環磚留設一道寬約3 mm的膨脹縫，并采用耐火毯進行填充。耐火材料與窯筒體、各磚體之間均應緊密貼合。鋪底完成后，耐火磚環應與窯體同心，磚縫應與窯體軸線一致；濕砌時，磚縫之間填縫漿飽滿。

3 耐火內襯損毀情況分析

回轉窯耐火內襯損壞是危廢焚燒系統常見的設備事故之一，直接影響到生產系統的穩定性與連續性。在回轉窯實際運行過程中，內襯耐火材料的損毀受筒體變形，磚熱膨脹作用產生的機械應力，熱震作用產生的熱應力，熟料、堿鹽等引起的化學侵蝕等多個方面綜合影響。其中，熱應力損毀和化學侵蝕最為主要。

1）熱應力損毀。由于回轉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定，易產生熱應力損壞耐火磚。

2）化學侵蝕。爐渣、酸堿性液體、蒸汽等固態、液態和氣態物質在高溫環境中與耐火材料相接觸，并與之發生復雜的化學反應，會侵蝕損毀耐火材料。其中液態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量占被損壞總量的50%以上。

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

圖2 回轉窯內襯耐火材料厚度情況

可以明顯看出，從窯頭至窯尾，內襯耐火材料厚度都有明顯的減薄現象，其中最嚴重的區域減薄了約50%，主要集中在窯頭及中部位置。根據分析，窯頭位置耐火材料厚度減薄嚴重的主要原因在于該部位受到物料的直接沖擊，機械磨損與損傷嚴重。中段位置耐火材料厚度減薄嚴重則主要由化學侵蝕引起：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生滲透腐蝕，破壞其內部結構而損壞爐襯。尾部位置所受化學侵蝕的影響相對于中部位置會弱一些，整體較為均勻穩定。因此，在焚燒運行過程中應著重關注窯頭與窯中位置耐火材料的損毀情況。

4 應用分析

經過對回轉窯內襯耐火材料的應用分析，并結合項目實踐，得到如下結論：要減少危廢焚燒回轉窯內襯材料對于生產的影響，需從內襯結構設計、耐材品質選擇、砌筑質量控制[2]以及運行維護等方面考慮。

1）內襯結構設計。回轉窯內襯耐火磚結構包括單層磚、雙層磚、復合磚。單層磚由于其導熱系統較大，而窯殼溫度高，會導致熱損失大，能耗高；采用雙層磚、復合磚雖能降低窯殼溫度，但由于窯體的轉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）耐材品質選擇。適宜的耐火磚品質與配置是首要關鍵。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，在某項目中應用良好的耐火材料，在另一個處理廠的應用卻效果不佳；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）砌筑質量控制。高質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商負責安裝施工。施工過程中，須合理安排施工工序；砌磚前對高溫泥漿進行預試驗，確定泥漿的黏結時間、初凝時間、黏稠度及用量；選用合適的砌筑法，控制磚縫間隙，控制進出料端澆注料支模時與頭罩和二燃室的間隙。施工質量須達到《工業爐砌筑工程施工及驗收規范》標準要求。

4）運行維護。運行操作中應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好的作用。窯皮的建立及對溫度的監控也是延長耐火材料使用周期的關鍵所在[3]。窯皮可以保護耐火磚，使耐火磚不會直接受到高溫及化學的侵蝕，且能儲存熱能，降低回轉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控能使操作人員更好地掌握窯內的熱工狀況、窯皮及耐火磚厚薄情況。

5 結論

耐火材料的設計、選用、安裝以及運行維護關系著危險廢物焚燒系統運行的穩定性與連續性。耐火材料的成本較高，且更換耐火材料需要停車維護，還會影響焚燒生產線的經濟效益。為了減少內襯耐火材料損毀對于生產的影響，應根據項目所在地的危險廢物成分，從內襯結構設計、耐材品質選擇、砌筑質量控制以及運行維護等多方面綜合考慮，因地制宜地結合項目實際條件開展專項研究、方案比選與必要試驗，并邀請有經驗專家開展專題咨詢，保障項目的穩定運行。