垃圾焚燒爐用礬土均質料－碳化硅質抗飛灰附著澆注料的研究

隨著城市化進程的加快，城市垃圾的處理技術也在快速發展，目前爐排式垃圾焚燒爐是處理生活垃圾的主要設備之一。垃圾在焚燒過程中產生大量飛灰，其組成見表1。飛灰在800～1000℃可熔融成玻璃態，附著在焚燒爐前后拱區、側墻等耐火材料表面。當前焚燒爐前后拱區、斜頂及后燃燒區內襯耐火材料大多為剛玉-莫來石或莫來石系氧化物材料，在使用過程中，飛灰侵蝕氧化物耐火襯里，并且過多的飛灰附著在爐膛內壁增加內襯負重，負重過大時會導致鋼結構變形和襯里垮塌。因此，焚燒爐經常由于飛灰附著嚴重而停爐清灰，嚴重影響設備運行效率。

表1 焚燒爐飛灰組成

礬土均質料因為結構和成分均一、性能穩定等特點，是焚燒爐耐火材料的首選原料。碳化硅屬于非氧化物材料，具有極強的共價鍵特性，并且具備優良的物理和化學性質，如：硬度大、熱導率高、熱膨脹系數低、抗熱震性好等。而且SiC材料不易被潤濕，耐腐蝕性好。

在運行過程中，焚燒爐前后拱區、斜頂等區域有大量飛灰附著在耐火材料表面，這與垃圾組分、爐膛結構設計以及工藝操作水平密切相關。尤其我國南北不同地區垃圾組分和熱值差異較大，機械爐排爐型種類較多，導致飛灰附著情況和停爐清灰頻次差異較大。從耐火材料實際使用效果發現，不同材質耐火材料其飛灰反應、滲透程度也有一定差異。因此，研發具有優異抗飛灰附著性能的澆注料，對實現爐排式垃圾焚燒爐長周期運轉具有重要的意義。

1.1原料

試驗所用原料有：礬土均質料(粒度為5～3、3～1、≤1和≤0.074mm)、w(SiC)=97.08%的碳化硅(粒度為5～3、3～1、≤1和≤0.074mm)、w(Al2O3)=99.33%的Al2O3微粉(粒度為5μm)、純鋁酸鈣水泥、w(SiO2)=95.13%的硅灰和高鋁礬土微粉。所用原料的化學組成見表2。

表2 原料的化學組成

1.2 試樣制備

原料按表3的配比進行混合，碳化硅含量分別為15%、30%、45%、60%(w)?；旌暇鶆蚝?，分別加入一定量的水，振動澆注成40mm×40mm×160mm和230mm×115mm×65mm的試樣，在室溫下養護24h后脫模，再放入烘箱經110℃保溫24h烘干，然后將試樣置于電爐中，在空氣氣氛中分別于1100、1350℃保溫3h進行熱處理。

1.3 性能檢測

按照YB/T5200—1993檢測體積密度，GB/T3001—2007檢測常溫抗折強度，GB/T5072—2008檢測常溫耐壓強度，GB/T3002—2004檢測高溫抗折強度(1100℃，3h)，YB/T376.1—1995檢測抗熱震性。采用荷蘭PHILIPS公司的XL30型掃描電鏡觀察試樣顯微結構。

目前國內沒有抗飛灰附著性能的檢測標準。飛灰附著過程為飛灰在高溫下熔融附著在耐火材料表面，包括物理粘附及飛灰在高溫狀態下與耐火材料襯里反應兩個過程，這與耐火材料的渣侵蝕過程相似，故本試驗采用GB/T8931—2007靜態坩堝抗渣法表征材料抗飛灰附著性能。試樣烘干后，加入15g飛灰，置于電爐中，經1350℃保溫5h熱處理后，沿試樣縱向切開，通過觀測耐火材料的侵蝕滲透情況來表征材料的抗飛灰性能。耐火材料抗灰渣侵蝕滲透的能力越強即滲透的深度越小，飛灰與耐火材料的黏結越弱，則表明材料抵抗飛灰附著能力越強。以此評定材料抗飛灰附著性能好壞。

2.1 物理性能

圖1示出了均質料-碳化硅質澆注料的體積密度與SiC含量的關系?？梢钥闯?，隨著SiC含量的增加，澆注料的體積密度有較小的波動，整體呈現降低趨勢。這是由于碳化硅原料密度低于均質料的密度。

圖1 碳化硅含量對澆注料體積密度的影響

圖2示出了均質料-碳化硅質澆注料經不同溫度處理后的常溫強度與SiC含量的關系。由圖2可知，隨著SiC含量的增加，常溫抗折強度先升高后下降，總體變化不大，耐壓強度略有下降?？拐蹚姸戎饕Q于材料的燒結性能，以上配方中不同骨料對基質的燒結性能影響不大，其抗折強度變化不明顯。耐壓強度除了受燒結性能影響外，骨料的性質對其影響也很大，碳化硅原料的熱膨脹系數小，與其他原料之間的熱膨脹系數差值增加，冷卻過程中碳化硅與基質及其他顆粒之間容易出現裂隙，進而導致試樣的耐壓強度出現略有下降的現象。雖然引入SiC后澆注料的耐壓強度略有下降，但仍能滿足垃圾焚燒爐的使用要求。

圖2 碳化硅含量對澆注料常溫強度的影響

燒后試樣的高溫抗折強度與SiC含量的關系如圖3所示?？梢钥闯?，隨著SiC含量的增加，試樣的高溫抗折強度逐漸增加。這是由于SiC不僅自身高溫強度高，而且有利于減少材料液相量。當SiC添加含量≥45%(w)時，材料的高溫抗折強度提高顯著。

圖3 碳化硅含量對試樣高溫抗折強度的影響

燒后試樣在1100℃水冷條件下的抗熱震性檢測結果見表4。

表4 試樣的抗熱震性試驗結果

從表4可以看出，加入SiC的試樣抗熱震性均有所提高，當碳化硅加入量≥30%(w)時，試樣的抗熱震性優異。這是由于碳化硅的熱膨脹系數小，當試樣中SiC含量增多時，試樣在不均勻受熱或冷卻時產生的熱應力小。

2.2 抗飛灰附著性能

圖4示出了靜態坩堝抗渣試驗后坩堝的截面形貌。從圖中可以看出，未添加SiC的試樣受飛灰侵蝕和滲透相對嚴重，飛灰與坩堝反應劇烈，坩堝底部擴大和邊緣疏松化，表明材料抵抗飛灰附著的能力差。含有15%和30%(w)SiC的試樣中，飛灰有一定程度的滲透，坩堝邊緣有疏松現象;含有45%(w)SiC的試樣坩堝邊緣疏松不明顯，飛灰滲透不明顯;含60%(w)SiC的試樣坩堝輪廓清晰，邊角分明，無侵蝕和滲透現象。因此，隨著SiC含量的增加，灰渣向坩堝內部的滲透深度逐漸降低，即材料抵抗飛灰附著的能力逐漸增強。當SiC含量≥45%(w)時，材料的抗飛灰附著能力趨于平緩。

圖4 飛灰侵蝕后坩堝的截面形貌

圖5為試樣侵蝕處理后的顯微結構。從圖中可以看出，不含SiC試樣中熔融的灰渣與試樣反應程度高，形成大量液相并填充部分氣孔，灰渣滲透嚴重;而SiC添加量為15%(w)的試樣與灰渣之間出現過渡層，反應界面清晰;當SiC含量為45%(w)時，試樣過渡層明顯變薄?；以蜊釄鍍炔繚B透，并與氧化物反應形成過渡層，使灰渣與試樣結合在一起。隨著試樣中SiC含量的增加，灰渣難以向材料內部滲透，從而有效減小了過渡層的厚度。結果表明，SiC的加入能夠顯著改善材料的抗飛灰附著性能，SiC含量越高，抗飛灰附著性能越好。

圖5 飛灰侵蝕后試樣的SEM照片

(1)在礬土均質料-碳化硅質澆注料中，隨著SiC含量的增加，耐火材料的抗折強度變化不大，體積密度和耐壓強度略有下降，高溫抗折強度及抗熱震性提高。

(2)隨著SiC含量的增加，焚燒爐用礬土均質料-碳化硅質耐火材料的抗飛灰附著性能顯著提高，SiC含量≥45%(w)為宜。