垃圾焚烧余热锅炉一烟道耐火材料布置方式,国内以浇注料方式为主,国外通常以挂砖方式为主。这是由于分类前单位质量垃圾中可燃分含量低,入炉垃圾热值低,浇注料方式耐高温烟气中热量如不能高效地被管内工质吸收,导致炉内超温,会引起浇注料退化、开裂等严重失效形式。这时,烟气中腐蚀性物质会侵蚀水冷壁,产生高温腐蚀现象,从而给垃圾焚烧炉余热锅炉的长周期稳定运行带来了挑战。
为了适应垃圾热值提升,目前余热锅炉一烟道浇注料材质选择已从导热系数低的高铝质(~2 W/(m· K))变成了碳化硅质(~6 W/(m·K))。同时,垃圾焚烧锅炉内腐蚀性物质成分复杂,呈中性的碳化硅(SiC)材料耐酸碱成分侵蚀能力突出。因此,不管浇注料还是挂砖方式,余热锅炉一烟道 都是以SiC为主体的耐火材料。
国内生活垃圾焚烧烟气中水蒸气含量高，特别是采取直接喷水降温手段,其水蒸气含量位于20%~30%,对碳化硅质耐火材料具有较强的氧化破坏作用。浇注料方式耐火材料主要成分为 碳化硅 (SiC)和氧化硅 (SiO2 ),其SiC含量约65%,通过在炉内浇筑成型,并且需严格按照升温曲线烘干固化。挂砖方式耐火材料属于厂内预制砖,在约1450 温度下纯氮气氛围中烘干成型,主要成分为碳化硅(SiC)和氮化硅(Si3N4、Si2N2O),其SiC含量约75%。
图1表示了挂砖材质和浇注料材质在氧化侵蚀过程中的变化特征,由于浇注料材料致密度方面要低于挂砖,且碳化硅氧化过程中体积膨胀明显,最终导致浇注料开裂,加速材料退化。对 于挂砖,厂内制砖过程中加入抗氧化的添加剂,同时调控烧砖气氛,因此,挂砖材质体积稳定,不 易开裂/剥落,从而抗氧化能力远高于浇注料,同时,致密度越高的材料抗氧化程度越强。
式(1)~式(4)列出了浇注料和挂砖材质在炉内高温高水蒸气氧化性气氛下成分变化,一般认为在温度大于500℃情况下,碳化硅和氮化硅会先被氧化成氧化硅晶粒，同时，生成的氧化硅会进一步被水蒸气氧化成气态氢氧化物。
SiC(s)+ 3H2O(g) →SiO2(s)+ 3H2(g)+ CO(g) (1)
Si2N2O(s)+ 3H2O(g) →2SiO2(s)+ 3H2(g)+ N2(g) (2)
Si3N4(s)+ 6H2O(g)→3SiO2(s)+ 4NH3(g) (3)
SiO2(s)+ 2H2O(g)→Si(OH)4(g) (4)
基于GB/T2997—2015检测试 样氧化前后的体积密度、显气孔率,计算氧化处 理前后试样的体积变化率和质量变化率。结果表明:氮化硅氧化后体积变化率要低于碳化硅,且碳化硅结合氮化硅的挂砖材质展现出良好的 抗氧化能力。