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回轉(zhuǎn)窯用耐火材料
分類：回轉(zhuǎn)窯用耐火材料
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15年專注耐火材料研發(fā)、生產(chǎn)
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詳細(xì)說明
醫(yī)療廢物是一種危害極大的特殊廢物，根據(jù)我國1998年頒布的《國家危險廢物名錄》屬于危險廢物。根據(jù)《醫(yī)療廢物集中處置技術(shù)規(guī)范（試行）》環(huán)發(fā)［2003］206號及其它相關(guān)法律法規(guī)文件，國家推行醫(yī)療廢物集中處置，現(xiàn)階段醫(yī)療廢物集中處置應(yīng)采用高溫?zé)崽幹眉夹g(shù)，主要為高溫焚燒?；剞D(zhuǎn)窯是醫(yī)療廢物焚燒生產(chǎn)線的核心環(huán)節(jié)，其運行狀況在很大程度上決定了醫(yī)療廢物焚燒處置的質(zhì)量、運行成本。而回轉(zhuǎn)窯耐火材料的設(shè)計直接影響回轉(zhuǎn)窯的綜合壽命和運轉(zhuǎn)率。目前，國內(nèi)能夠連續(xù)、穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運行的醫(yī)療廢物焚燒生產(chǎn)線很少，有關(guān)其回轉(zhuǎn)窯耐火材料設(shè)計缺乏實際工程研究。本文以實際工程為依托進(jìn)行研究，總結(jié)了醫(yī)療廢物焚燒線回轉(zhuǎn)窯耐火材料的工程設(shè)計經(jīng)驗，為國內(nèi)類似工程提供借鑒。
1 醫(yī)療廢物焚燒線及回轉(zhuǎn)窯概況
上海市固體廢物處置中心醫(yī)療廢物焚燒生產(chǎn)線規(guī)模為噸/天，是目前世界上規(guī)模最大的醫(yī)廢專用焚燒生產(chǎn)線，承擔(dān)起上海市全市的醫(yī)療廢物焚燒處置任務(wù)。該項目由上海市固體廢物處置中心建設(shè)并運營，2009年年底投入試運，焚燒工藝采用回轉(zhuǎn)窯+二燃室焚燒爐，高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐蒸汽發(fā)電后，通過急冷塔+循環(huán)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(biāo)均已達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，其中二惡英排放指標(biāo)達(dá)到歐盟2000/76/EU標(biāo)準(zhǔn)(0.1ng/Nm3)，實現(xiàn)了醫(yī)療廢物安全、穩(wěn)定、連續(xù)的焚燒運行。
回轉(zhuǎn)窯概況：傾斜度2.0°，窯內(nèi)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(zhuǎn)窯耐火材料性質(zhì)及要求
2.1 耐火材料的作用
?。?）保護(hù)窯筒體：回轉(zhuǎn)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(yī)療廢物時，窯內(nèi)溫度850～1200℃左右，如不加以保護(hù)，筒體很快燒壞，因此必須在筒體內(nèi)鑲砌耐火材料作保護(hù)，使其不受高溫?zé)釟饬骷拔锪系幕瘜W(xué)侵蝕和機械磨損，保持正常生產(chǎn)。
?。?）蓄熱、進(jìn)行熱交換：耐火材料可以充當(dāng)傳熱介質(zhì)，從火焰熱氣體中吸收一部分熱量，以傳導(dǎo)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(xué)性質(zhì)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(zhì)、粘土質(zhì)耐火材料，高溫下對酸性物質(zhì)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(jié)晶礦物。主要有高鋁耐火材料、鉻質(zhì)耐火材料、碳質(zhì)耐火材料等，高溫下對酸性、堿性物質(zhì)有相近的抗侵蝕性。
?、蹓A性耐火材料：主要成分為MgO、CaO等二價氧化物（RO），主要有鎂質(zhì)、白云石質(zhì)耐火材料，高溫下對堿性物質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(yīng)力影響。
?。?）體積密度：指制品干燥質(zhì)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?zé)o荷重條件下不熔融軟化的性能稱為耐火度。根據(jù)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(yīng)較使用溫度高。
?。?）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(jié)情況，同氣孔率等其他性能一起可以綜合判斷制品質(zhì)量和組織結(jié)構(gòu)是否均勻致密，燒結(jié)性能是否良好。
?。?）高溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強度。根據(jù)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(chǎn)要求采用純質(zhì)原料。
?。?）熱震穩(wěn)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(chǎn)運營中的溫度波動，均可使耐火材料發(fā)生裂紋、破碎或剝落。
2.4 醫(yī)廢焚燒爐耐火材料的要求
?。?）耐高溫性強：窯內(nèi)最高溫度可達(dá)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。
?。?）化學(xué)穩(wěn)定性好：物料在窯內(nèi)煅燒時產(chǎn)生的氣體、熔渣都要侵蝕窯襯，導(dǎo)致磚體膨脹或收縮，破壞磚體的組織結(jié)構(gòu)。要求耐火材料具有良好化學(xué)穩(wěn)定性，抵抗各種化學(xué)侵蝕。
?。?）熱震穩(wěn)定性好：在開停窯及運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定情況，窯內(nèi)溫度發(fā)生較大變化，要求耐火磚熱震穩(wěn)定性好，急冷急熱時不易發(fā)生龜裂或者剝落。
（4）耐磨性及機械強度好：窯內(nèi)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(nèi)還沒有窯皮保護(hù)時。耐火材料要承受高溫時的膨脹應(yīng)力及窯筒體變形所造成的應(yīng)力，因此要具有較好的耐磨性和一定的機械強度。
?。?）良好的掛窯皮性能：窯皮對窯襯有很大的保護(hù)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(zhuǎn)。
（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。
?。?）熱膨脹系數(shù)?。焊G筒體的熱膨脹系數(shù)雖大于窯襯的熱膨脹系數(shù)，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(yīng)力造成剝落。
?。?）尺寸準(zhǔn)確，外形整齊：為保證窯襯的砌筑質(zhì)量，要求耐火材料的形狀和外形尺寸準(zhǔn)確，以保證鑲砌質(zhì)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(yīng)進(jìn)行綜合考慮，需要根據(jù)系統(tǒng)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(zhuǎn)窯耐火材料的損壞機理包括熱應(yīng)力、機械和熱機械應(yīng)力、化學(xué)腐蝕三個方面：
?。?）熱應(yīng)力：回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)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(dǎo)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(fā)生變化，內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力；耐火材料本身熱面和冷面亦存在溫差，溫度梯度產(chǎn)生溫差應(yīng)力。
?。?）機械和熱機械應(yīng)力：窯內(nèi)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(fā)生變形，耐火材料內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，致使襯磚間發(fā)生相對運動，造成耐火材料裂縫、剝落甚至掉磚。
?。?）化學(xué)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(tài)擴散或滲入襯料內(nèi)部，從而引起化學(xué)和礦物的變化；另外，熱氣流中的酸性氣體、氯、硫等揮發(fā)物滲入耐火材料內(nèi)部，引起破壞。
2.6 醫(yī)療廢物焚燒回轉(zhuǎn)窯耐火材料的工程設(shè)計
醫(yī)療廢物燒線回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)工作溫度達(dá)850～1200℃，焚燒產(chǎn)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(xué)侵蝕與機械磨損，保護(hù)窯殼。要求：①熱震穩(wěn)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(zhuǎn)狀況不穩(wěn)定的情況下，窯內(nèi)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(xué)侵蝕性強，物料在旋窯內(nèi)煅燒時，所形成的灰份、溶渣、蒸氣均會對窯磚產(chǎn)生很大的侵蝕。
?、勰湍バ约皺C械強度好，窯內(nèi)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(yīng)力及窯殼橢圓變形所造成的應(yīng)力。
回轉(zhuǎn)窯耐火材料采用優(yōu)質(zhì)致密粘土磚和高強致密鋯鉻剛玉磚雙層復(fù)合。粘土磚為Al2O3含量30%~40%的硅酸鋁質(zhì)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(dá)30%）。粘土磚按Al2O3含量可分為一等（＞45%）、二等（＞40%）、三等（＞35%），相應(yīng)的耐火度不低于1730℃、1670℃和1610℃。荷重軟化點在1250~1450℃，熱穩(wěn)定性較好，本工程回轉(zhuǎn)窯采用中性耐火材料，高溫下對酸性、堿性物質(zhì)有相近的抗侵蝕性。
高強致密鋯鉻剛玉磚，是由剛玉、鋯質(zhì)材料、鉻質(zhì)材料，加入結(jié)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(wěn)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(wěn)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(jié)構(gòu)剝落。屬中性偏酸性耐火材料，高溫下對酸性物質(zhì)的侵蝕抵抗性強。
雙層復(fù)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(dǎo)熱系數(shù)為3.0W/m·K。冷端（與筒體內(nèi)壁相接）為優(yōu)質(zhì)致密粘土磚，厚度為70mm，根據(jù)粘土磚的外壁溫度和內(nèi)壁溫度的關(guān)系，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.5W/m·K，換算相當(dāng)于粘土磚的厚度，查表可知外壁溫度：鋯鉻剛玉磚相當(dāng)于粘土磚的厚度為：250×0.5/3.0；致密粘土磚相當(dāng)于粘土磚的厚度為：70×0.5/1.3；總計相當(dāng)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(dāng)爐內(nèi)的溫度為1000℃時，外壁溫度為200℃。
3 結(jié)論
?。?）醫(yī)療廢物焚燒產(chǎn)生含酸性煙氣，要求耐火材料熱震穩(wěn)定性好、抗化學(xué)侵蝕性強、耐磨性及機械強度好。
?。?）推薦回轉(zhuǎn)窯耐火材料設(shè)計：優(yōu)質(zhì)致密粘土磚+高強致密鋯鉻剛玉磚雙層復(fù)合。其中雙層復(fù)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(nèi)壁相接）為優(yōu)質(zhì)致密粘土磚，厚度為70mm。
