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回轉窯用耐火材料
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分類:回轉窯用耐火材料

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醫療廢物是一種危害極大的特殊廢物,根據我國1998年頒布的《國家危險廢物名錄》屬于危險廢物。根據《醫療廢物集中處置技術規范(試行)》環發[2003]206號及其它相關法律法規文件,國家推行醫療廢物集中處置,現階段醫療廢物集中處置應采用高溫熱處置技術,主要為高溫焚燒。回轉窯是醫療廢物焚燒生產線的核心環節,其運行狀況在很大程度上決定了醫療廢物焚燒處置的質量、運行成本。而回轉窯耐火材料的設計直接影響回轉窯的綜合壽命和運轉率。目前,國內能夠連續、穩定達標運行的醫療廢物焚燒生產線很少,有關其回轉窯耐火材料設計缺乏實際工程研究。本文以實際工程為依托進行研究,總結了醫療廢物焚燒線回轉窯耐火材料的工程設計經驗,為國內類似工程提供借鑒。
  1 醫療廢物焚燒線及回轉窯概況
  上海市固體廢物處置中心醫療廢物焚燒生產線規模為噸/天,是目前世界上規模最大的醫廢專用焚燒生產線,承擔起上海市全市的醫療廢物焚燒處置任務。該項目由上海市固體廢物處置中心建設并運營,2009年年底投入試運,焚燒工藝采用回轉窯+二燃室焚燒爐,高溫煙氣經余熱鍋爐蒸汽發電后,通過急冷塔+循環流化干式脫酸塔+活性炭投放裝置+布袋除塵器+濕式洗滌塔的凈化工藝,煙氣排放指標均已達到國家標準,其中二惡英排放指標達到歐盟2000/76/EU標準(0.1ng/Nm3),實現了醫療廢物安全、穩定、連續的焚燒運行。
  回轉窯概況:傾斜度2.0°,窯內工作溫度850~1200℃,鑲切耐火襯料后筒體外表溫度為180~380℃;兩檔托輪支撐。
  2 回轉窯耐火材料性質及要求
  2.1 耐火材料的作用
  (1)保護窯筒體:回轉窯筒體由鋼板卷制而成,筒體強度隨溫度的升高而降低。焚燒醫療廢物時,窯內溫度850~1200℃左右,如不加以保護,筒體很快燒壞,因此必須在筒體內鑲砌耐火材料作保護,使其不受高溫熱氣流及物料的化學侵蝕和機械磨損,保持正常生產。
  (2)蓄熱、進行熱交換:耐火材料可以充當傳熱介質,從火焰熱氣體中吸收一部分熱量,以傳導及輻射方式傳給物料。
  2.2 耐火材料的分類
  耐火材料按主成分的化學性質可分為三類:①酸性耐火材料:主要成分為SO2、ZrO2等四價氧化物(RO2),主要有硅石質、粘土質耐火材料,高溫下對酸性物質的侵蝕抵抗性強。②中性耐火材料:主成分為Al2O3、Gr2O3等三價氧化物(R2O3),SiC、等原子鍵結晶礦物。主要有高鋁耐火材料、鉻質耐火材料、碳質耐火材料等,高溫下對酸性、堿性物質有相近的抗侵蝕性。
  ③堿性耐火材料:主要成分為MgO、CaO等二價氧化物(RO),主要有鎂質、白云石質耐火材料,高溫下對堿性物質的侵蝕抵抗性強。
  2.3 耐火材料的主要性能
  (1)氣孔率:耐火材料的氣孔率常用開口氣孔率(亦稱顯氣孔率)表示。降低氣孔率有利于提高產品質量、增大機械強度、減少與熔渣及腐蝕性氣體的接觸表面面積、延長使用壽命。但保持一定的顯氣孔率有利于形成窯皮及緩沖熱膨脹應力影響。
  (2)體積密度:指制品干燥質量(W)與其總體積(V)之比,用以評定耐火材料的致密程度。
  (3)耐火度:在高溫無荷重條件下不熔融軟化的性能稱為耐火度。根據耐火度分為普通耐火制品(1580~1770℃)、高級耐火制品(1770~2000℃)和特級耐火制品(2000℃以上)。耐火度不是使用時的最高溫度,故選用耐火材料時耐火度一般應較使用溫度高。
  (4)常溫耐壓強度:指常溫下耐火材料在單位面積上所能承受的最大壓力,如超過此值,材料被破壞。它表明制品的燒結情況,同氣孔率等其他性能一起可以綜合判斷制品質量和組織結構是否均勻致密,燒結性能是否良好。
  (5)高溫結構強度:指耐火材料在溫度和壓力同時作用下的抵抗能力,一定程度上表明制品在與其使用情況相仿條件下的結構強度。根據溫度和壓力的變化有高溫機械強度和高溫荷重變形溫度(或稱荷重軟化點)兩種。耐火材料中低熔物或熔劑量增加,則荷重變形溫度降低。因此,耐火材料生產要求采用純質原料。
  (6)熱震穩定性:指耐火材料抵抗溫度急劇變化而不破壞的能力。開停爐時由于溫度驟然變化,或生產運營中的溫度波動,均可使耐火材料發生裂紋、破碎或剝落。
  2.4 醫廢焚燒爐耐火材料的要求
  (1)耐高溫性強:窯內最高溫度可達1200℃,要求耐火磚在高溫下不能熔化,在熔點之下要保持一定強度,且長時間暴露在高溫下不變形,即高溫荷重變形溫度要高。
  (2)化學穩定性好:物料在窯內煅燒時產生的氣體、熔渣都要侵蝕窯襯,導致磚體膨脹或收縮,破壞磚體的組織結構。要求耐火材料具有良好化學穩定性,抵抗各種化學侵蝕。
  (3)熱震穩定性好:在開停窯及運轉不穩定情況,窯內溫度發生較大變化,要求耐火磚熱震穩定性好,急冷急熱時不易發生龜裂或者剝落。
  (4)耐磨性及機械強度好:窯內物料的滑動及氣流中粉塵的摩擦,均會對耐火材料造成很大的磨損,尤其是開窯初期窯內還沒有窯皮保護時。耐火材料要承受高溫時的膨脹應力及窯筒體變形所造成的應力,因此要具有較好的耐磨性和一定的機械強度。
  (5)良好的掛窯皮性能:窯皮對窯襯有很大的保護作用。窯襯具有良好的掛窯皮性能就容易掛上窯皮,并且窯皮能夠維持較長的時間,可以使窯襯不受侵蝕與磨損,有利于窯的長期安全運轉。
  (6)孔隙率要低:氣孔率高使腐蝕性窯氣滲入造成窯襯腐蝕損壞,特別是酸性氣體。
  (7)熱膨脹系數小:窯筒體的熱膨脹系數雖大于窯襯的熱膨脹系數,但是窯筒體溫度一般都在180~380℃,而窯襯的溫度一般都在800℃以上。因此窯襯的熱膨脹比筒體要大,窯襯容易受熱膨脹應力造成剝落。
  (8)尺寸準確,外形整齊:為保證窯襯的砌筑質量,要求耐火材料的形狀和外形尺寸準確,以保證鑲砌質量。
  耐火材料很難完全滿足上述所有要求,且其性能隨使用條件而變化。在選擇或評價耐火材料時,必須注意與使用條件相適應進行綜合考慮,需要根據系統各部位的使用條件,選用不同品種的耐火材料,并注意其合理匹配,才能取得良好的效果。
  2.5 耐火材料損壞機理
  回轉窯耐火材料的損壞機理包括熱應力、機械和熱機械應力、化學腐蝕三個方面:
  (1)熱應力:回轉窯轉動,上部耐火材料吸收火焰溫度,下部耐火材料在物料的覆蓋下以不同的傳導及輻射方式傳給物料,因此耐火材料表面溫度呈周期性波動。停窯工況急劇冷卻,耐火材料表面溫度發生變化,內部產生熱應力;耐火材料本身熱面和冷面亦存在溫差,溫度梯度產生溫差應力。
  (2)機械和熱機械應力:窯內耐火材料受被煅燒物料的磨擦及氣流中塵粒的沖刷、剝蝕,窯的金屬筒體尤其是輪帶部位發生變形,耐火材料內產生壓應力、拉應力和剪切應力,致使襯磚間發生相對運動,造成耐火材料裂縫、剝落甚至掉磚。
  (3)化學腐蝕:主要來自煅燒物料和燃燒氣流。煅燒物料的組分以熔融狀態擴散或滲入襯料內部,從而引起化學和礦物的變化;另外,熱氣流中的酸性氣體、氯、硫等揮發物滲入耐火材料內部,引起破壞。
  2.6 醫療廢物焚燒回轉窯耐火材料的工程設計
  醫療廢物燒線回轉窯窯內工作溫度達850~1200℃,焚燒產生的煙氣含酸性,其焚燒特性要求耐火材料必須具有減少高溫氣體與物料對筒體化學侵蝕與機械磨損,保護窯殼。要求:①熱震穩定性好,即抵抗窯溫劇烈變化而不被破壞的能力好。在停窯、開窯以及旋窯運轉狀況不穩定的情況下,窯內的溫度變化都比較大,這就要求窯磚在溫度劇烈變化的情況下,不能有龜裂或者是剝落的情況。②抗化學侵蝕性強,物料在旋窯內煅燒時,所形成的灰份、溶渣、蒸氣均會對窯磚產生很大的侵蝕。
  ③耐磨性及機械強度好,窯內物料的滑動及氣流中粉塵的磨擦,均會對窯磚造成很大的磨損,窯磚還要承受高溫時的膨脹應力及窯殼橢圓變形所造成的應力。
  回轉窯耐火材料采用優質致密粘土磚和高強致密鋯鉻剛玉磚雙層復合。粘土磚為Al2O3含量30%~40%的硅酸鋁質耐火制品,礦物組成為莫來石(3Al2O3·2SiO2)20%~50%,玻璃相和方石英及石英(最高可達30%)。粘土磚按Al2O3含量可分為一等(>45%)、二等(>40%)、三等(>35%),相應的耐火度不低于1730℃、1670℃和1610℃。荷重軟化點在1250~1450℃,熱穩定性較好,本工程回轉窯采用中性耐火材料,高溫下對酸性、堿性物質有相近的抗侵蝕性。
  高強致密鋯鉻剛玉磚,是由剛玉、鋯質材料、鉻質材料,加入結合劑制成。剛玉為電熔致密剛玉,該高強度致密鋯鉻剛玉磚,強度高、熱震穩定性及抗渣浸蝕性能好,且耐高溫。具有耐火度高、強度大、熱震穩定性好、抗侵蝕能力強的特點,使用中耐沖刷,耐磨損,抗侵蝕,抗結構剝落。屬中性偏酸性耐火材料,高溫下對酸性物質的侵蝕抵抗性強。
  雙層復合耐火磚中熱端(接觸火焰)的耐火磚為高強致密鋯鉻剛玉磚,厚度為250mm,導熱系數為3.0W/m·K。冷端(與筒體內壁相接)為優質致密粘土磚,厚度為70mm,根據粘土磚的外壁溫度和內壁溫度的關系,其導熱系數為0.5W/m·K,換算相當于粘土磚的厚度,查表可知外壁溫度:鋯鉻剛玉磚相當于粘土磚的厚度為:250×0.5/3.0;致密粘土磚相當于粘土磚的厚度為:70×0.5/1.3;總計相當于粘土磚的厚度為41.7+26.9=68.6mm。查表可以知道68.6mm厚的粘土磚,當爐內的溫度為1000℃時,外壁溫度為200℃。
  3 結論
  (1)醫療廢物焚燒產生含酸性煙氣,要求耐火材料熱震穩定性好、抗化學侵蝕性強、耐磨性及機械強度好。
  (2)推薦回轉窯耐火材料設計:優質致密粘土磚+高強致密鋯鉻剛玉磚雙層復合。其中雙層復合耐火磚中熱端(接觸火焰)的耐火磚為高強致密鋯鉻剛玉磚,厚度為250mm。冷端(與筒體內壁相接)為優質致密粘土磚,厚度為70mm。

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