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垃圾焚烧炉用矾土均质料-碳化硅质抗飞灰附着浇注料的研究
垃圾焚烧炉用矾土均质料-碳化硅质抗飞灰附着浇注料的研究
随着城市化进程的加快，城市垃圾的处理技术也在快速发展，目前炉排式垃圾焚烧炉是处理生活垃圾的主要设备之一。垃圾在焚烧过程中产生大量飞灰，其组成见表1。飞灰在800～1 000℃可熔融成玻璃态，附着在焚烧炉前后拱区、侧墙等耐火材料表面。当前焚烧炉前后拱区、斜顶及后燃烧区内衬耐火材料大多为刚玉-莫来石或莫来石系氧化物材料，在使用过程中，飞灰侵蚀氧化物耐火衬里，并且过多的飞灰附着在炉膛内壁增加内衬负重，负重过大时会导致钢结构变形和衬里垮塌。因此，焚烧炉经常由于飞灰附着严重而停炉清灰，严重影响设备运行效率。
矾土均质料因为结构和成分均一、性能稳定等特点，是焚烧炉耐火材料的首选原料。碳化硅属于非氧化物材料，具有极强的共价键特性，并且具备优良的物理和化学性质，如:硬度大、热导率高、热膨胀系数低、抗热震性好等。而且SiC材料不易被润湿，耐腐蚀性好。 在运行过程中，焚烧炉前后拱区、斜顶等区域有大量飞灰附着在耐火材料表面，这与垃圾组分、炉膛结构设计以及工艺操作水平密切相关。尤其我国南北不同地区垃圾组分和热值差异较大，机械炉排炉型种类较多，导致飞灰附着情况和停炉清灰频次差异较大。从耐火材料实际使用效果发现，不同材质耐火材料其飞灰反应、渗透程度也有一定差异。因此，研发具有优异抗飞灰附着性能的浇注料，对实现炉排式垃圾焚烧炉长周期运转具有重要的意义。 试验所用原料有:矾土均质料(粒度为5～3、3～1、≤1和≤0.074 mm)、w(SiC)=97.08%的碳化硅(粒度为5～3、3～1、≤1和≤0.074 mm)、w(Al2O3)=99.33%的Al2O3微粉(粒度为5μm)、纯铝酸钙水泥、w(SiO2)=95.13%的硅灰和高铝矾土微粉。所用原料的化学组成见表2。 原料按表3的配比进行混合，碳化硅含量分别为15%、30%、45%、60%(w)。混合均匀后，分别加入一定量的水，振动浇注成40 mm×40 mm×160 mm和230 mm×115 mm×65 mm的试样，在室温下养护24 h后脱模，再放入烘箱经110℃保温24 h烘干，然后将试样置于电炉中，在空气气氛中分别于1 100、1 350℃保温3 h进行热处理。
按照YB/T 5200—1993检测体积密度，GB/T3001—2007检测常温抗折强度，GB/T 5072—2008检测常温耐压强度，GB/T 3002—2004检测高温抗折强度(1 100℃，3 h),YB/T 376.1—1995检测抗热震性。采用荷兰PHILIPS公司的XL30型扫描电镜观察试样显微结构。 目前国内没有抗飞灰附着性能的检测标准。飞灰附着过程为飞灰在高温下熔融附着在耐火材料表面，包括物理粘附及飞灰在高温状态下与耐火材料衬里反应两个过程，这与耐火材料的渣侵蚀过程相似，故本试验采用GB/T 8931—2007静态坩埚抗渣法表征材料抗飞灰附着性能。试样烘干后，加入15 g飞灰，置于电炉中，经1 350℃保温5 h热处理后，沿试样纵向切开，通过观测耐火材料的侵蚀渗透情况来表征材料的抗飞灰性能。耐火材料抗灰渣侵蚀渗透的能力越强即渗透的深度越小，飞灰与耐火材料的黏结越弱，则表明材料抵抗飞灰附着能力越强。以此评定材料抗飞灰附着性能好坏。 图1示出了均质料-碳化硅质浇注料的体积密度与SiC含量的关系。可以看出，随着Si C含量的增加，浇注料的体积密度有较小的波动，整体呈现降低趋势。这是由于碳化硅原料密度低于均质料的密度。
图2示出了均质料-碳化硅质浇注料经不同温度处理后的常温强度与SiC含量的关系。由图2可知，随着SiC含量的增加，常温抗折强度先升高后下降，总体变化不大，耐压强度略有下降。抗折强度主要取决于材料的烧结性能，以上配方中不同骨料对基质的烧结性能影响不大，其抗折强度变化不明显。耐压强度除了受烧结性能影响外，骨料的性质对其影响也很大，碳化硅原料的热膨胀系数小，与其他原料之间的热膨胀系数差值增加，冷却过程中碳化硅与基质及其他颗粒之间容易出现裂隙，进而导致试样的耐压强度出现略有下降的现象。虽然引入SiC后浇注料的耐压强度略有下降，但仍能满足垃圾焚烧炉的使用要求。
烧后试样的高温抗折强度与SiC含量的关系如图3所示。可以看出，随着SiC含量的增加，试样的高温抗折强度逐渐增加。这是由于SiC不仅自身高温强度高，而且有利于减少材料液相量。当Si C添加含量≥45%(w)时，材料的高温抗折强度提高显著。
烧后试样在1 100℃水冷条件下的抗热震性检测结果见表4。
从表4可以看出，加入SiC的试样抗热震性均有所提高，当碳化硅加入量≥30%(w)时，试样的抗热震性优异。这是由于碳化硅的热膨胀系数小，当试样中SiC含量增多时，试样在不均匀受热或冷却时产生的热应力小。 图4示出了静态坩埚抗渣试验后坩埚的截面形貌。从图中可以看出，未添加SiC的试样受飞灰侵蚀和渗透相对严重，飞灰与坩埚反应剧烈，坩埚底部扩大和边缘疏松化，表明材料抵抗飞灰附着的能力差。含有15%和30%(w)SiC的试样中，飞灰有一定程度的渗透，坩埚边缘有疏松现象;含有45%(w)Si C的试样坩埚边缘疏松不明显，飞灰渗透不明显;含60%(w)SiC的试样坩埚轮廓清晰，边角分明，无侵蚀和渗透现象。因此，随着SiC含量的增加，灰渣向坩埚内部的渗透深度逐渐降低，即材料抵抗飞灰附着的能力逐渐增强。当SiC含量≥45%(w)时，材料的抗飞灰附着能力趋于平缓。
图5为试样侵蚀处理后的显微结构。从图中可以看出，不含SiC试样中熔融的灰渣与试样反应程度高，形成大量液相并填充部分气孔，灰渣渗透严重;而SiC添加量为15%(w)的试样与灰渣之间出现过渡层，反应界面清晰;当SiC含量为45%(w)时，试样过渡层明显变薄。灰渣向坩埚内部渗透，并与氧化物反应形成过渡层，使灰渣与试样结合在一起。随着试样中SiC含量的增加，灰渣难以向材料内部渗透，从而有效减小了过渡层的厚度。结果表明，Si C的加入能够显著改善材料的抗飞灰附着性能，SiC含量越高，抗飞灰附着性能越好。
(1)在矾土均质料-碳化硅质浇注料中，随着Si C含量的增加，耐火材料的抗折强度变化不大，体积密度和耐压强度略有下降，高温抗折强度及抗热震性提高。
(2)随着SiC含量的增加，焚烧炉用矾土均质料-碳化硅质耐火材料的抗飞灰附着性能显著提高，Si C含量≥45%(w)为宜。
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