危险废弃物(简称危废)对环境造成较大的不可逆伤害。其中,有机危废占比高,且具有较高热值,对其进行焚烧处理是目前最为科学、高效的手段。回转窑是危废焚烧处理的主流装备,处理煅烧温度为800~1 500 ℃。危废焚烧回转窑炉衬在设计上主要参考水泥回转窑的结构。因焚烧危废产生的挥发分和灰分成分复杂多变,使炉衬耐火材料损毁严重,炉衬通常寿命约为6个月,耐火材料的停炉维修和更换严重影响了回转窑的运行效率和经济性。
剥落是危废焚烧回转窑使用中炉衬的主要损毁形式,熔渣的侵蚀和渗透是造成耐火材料高温中剥落的主要因素。危废焚烧回转窑用耐火材料有镁尖晶石、铁铝尖晶石、铬刚玉砖、含锆高铝砖、硅莫砖等对这些耐火材料的损毁多为工业实践经验,在不同熔渣对不同耐火材料侵蚀方面的研究鲜有报道本工作研究了3种不同渣对回转窑普遍采用的市售镁尖晶石砖和铬刚玉砖的侵蚀。
试验用耐火材料为市售镁尖晶石砖和铬刚玉砖,试验用渣为危废焚烧处理后的3种尾渣,分别标记为在 950 ℃空气气氛中预处理后使用,其化学组成和碱度m(Na2O+K2O+CaO+MgO+Fe2O3)÷ m(SiO2+Al2O3+TiO2)见表2。
抗渣试验后试样的显微结构照片可以看出,渣向砖中渗入,砖中物质向渣中溶解,熔渣与耐火材料融为一体,渣与砖之间界面不明显,渣渗入区域耐火材料结构致密。主要成分为 MgO,判断其为砖中的镁砂; 镁砂颗粒间的条带状灰色物主要成分为MgO和SiO2,且物质的量比约为2:1,推断其为渣中SiO2 与砖中镁砂反应形成的镁橄榄石( Mg2 SiO4 );镁砂颗粒间的灰白色物质主要成分为SiO2、CaO、MgO 等,推断其为渣中SiO2、CaO 等与砖中MgO 反应生成的钙镁橄榄石( CaMgSiO4 )。渣渗层的放大照片分析,深黑色物为镁砂;浅灰色物主要成分为MgO、Al2O3、SiO2、CaO 等,亮白色物为ZrO2,可见渗入的熔渣与镁铝尖晶石基质在一定程度上发生了反应。砖中MgO、MgAl2O4等吸收渣中CaO、SiO2 形成的玻璃相具有较高的熔点和黏度,高黏度玻璃相促进了镁尖晶石基质的烧结致密化;原砖基质中零星的氧化锆被熔渣溶解后向砖内部迁移,在基质中析出了较大粒径的ZrO2。
熔渣对两种耐火材料的侵蚀主要为高温下熔渣对耐火材料组元的溶解和反应。对于碱性耐火材料主要为渣中酸性成分SiO2与砖中 MgO、MgAl2O4 的反应,形成镁橄榄石( Mg2SiO4 )、钙镁橄榄石( CaMgSiO4 )、液相等。而对于中性耐火材料试样CR,铝铬固溶体化学性质极为稳定,熔渣对其侵蚀不明显。渣与两种砖反应前后砖中主要成分在渣中的浓度变化可以看出: MA 砖的残渣中 MgO浓度显著提升,而Al2O3 浓度变化不明显,表明 MA砖中的MgO被熔渣大量侵蚀溶解; 而CR砖的残渣中Cr2O3和Al2O3 的变化均不明显,表明熔渣对铬刚玉砖的溶解十分有限。
根据熔渣渗透深度与反应时间,砖的气孔率和气孔孔径,以及渣的高温黏度等相关。本试验中的两种耐火材料气孔率接近,铬刚玉砖具有更小的气孔孔径。按理说,同一熔渣在铬刚玉砖中的渗透深度应该比在镁尖晶石砖中的小,但试验结果却恰恰相反。这可能是由于渗入的熔渣与镁尖晶石砖中成分反应后生成了高黏度的物质,阻止了熔渣的进一步渗透; 而熔渣与铝铬固溶体间的反应较弱,渣以物理渗透为主,因而渗入更深。
渣的碱度主要影响耐火材料的抗侵蚀性。镁尖晶石砖耐高碱度渣的侵蚀性更优,而铬刚玉砖的抗渣侵蚀性受渣碱度的影响不明显。渣中 SiO2 浓度高则黏度大,因而渣在两种砖中均具有较低的渗透深度。