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)采用高溫熱處置技術(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)定達標運行的醫(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，高溫煙氣經(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，煙氣排放指標均已達到國家標準，其中二惡英排放指標達到歐盟2000/76/EU標準(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，筒體很快燒壞，因此必須在筒體內(nèi)鑲砌耐火材料作保護，使其不受高溫熱氣流及物料的化學侵蝕和機械磨損，保持正常生產(chǎn)。

　?。?）蓄熱、進行熱交換：耐火材料可以充當傳熱介質(zhì)，從火焰熱氣體中吸收一部分熱量，以傳導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：在高溫無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穩(wěn)定性，抵抗各種化學侵蝕。

　?。?）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。

　?。?）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。

　　（5）良好的掛窯皮性能：窯皮對窯襯有很大的保護作用。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)。

　?。?）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)小：窯筒體的熱膨脹系數(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。

　　（8）尺寸準確，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侵蝕與機械磨損，保護窯殼。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，其導熱系數(shù)為0.5W/m·K，換算相當于粘土磚的厚度，查表可知外壁溫度：鋯鉻剛玉磚相當于粘土磚的厚度為：250×0.5/3.0；致密粘土磚相當于粘土磚的厚度為：70×0.5/1.3；總計相當于粘土磚的厚度為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合。其中雙層復合耐火磚中熱端（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。

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