垃圾焚燒余熱鍋爐一煙道耐火材料布置方式,國內以澆注料方式為主,國外通常以掛磚方式為主。這是由于分類前單位質量垃圾中可燃分含量低,入爐垃圾熱值低,澆注料方式耐高溫煙氣中熱量如不能高效地被管內工質吸收,導致爐內超溫,會引起澆注料退化、開裂等嚴重失效形式。這時,煙氣中腐蝕性物質會侵蝕水冷壁,產生高溫腐蝕現象,從而給垃圾焚燒爐余熱鍋爐的長周期穩定運行帶來了挑戰。
為了適應垃圾熱值提升,目前余熱鍋爐一煙道澆注料材質選擇已從導熱系數低的高鋁質(~2 W/(m· K))變成了碳化硅質(~6 W/(m·K))。同時,垃圾焚燒鍋爐內腐蝕性物質成分復雜,呈中性的碳化硅(SiC)材料耐酸堿成分侵蝕能力突出。因此,不管澆注料還是掛磚方式,余熱鍋爐一煙道 都是以SiC為主體的耐火材料。
國內生活垃圾焚燒煙氣中水蒸氣含量高，特別是采取直接噴水降溫手段,其水蒸氣含量位于20%~30%,對碳化硅質耐火材料具有較強的氧化破壞作用。澆注料方式耐火材料主要成分為 碳化硅 (SiC)和氧化硅 (SiO2 ),其SiC含量約65%,通過在爐內澆筑成型,并且需嚴格按照升溫曲線烘干固化。掛磚方式耐火材料屬于廠內預制磚,在約1450 溫度下純氮氣氛圍中烘干成型,主要成分為碳化硅(SiC)和氮化硅(Si3N4、Si2N2O),其SiC含量約75%。
圖1表示了掛磚材質和澆注料材質在氧化侵蝕過程中的變化特征,由于澆注料材料致密度方面要低于掛磚,且碳化硅氧化過程中體積膨脹明顯,最終導致澆注料開裂,加速材料退化。對 于掛磚,廠內制磚過程中加入抗氧化的添加劑,同時調控燒磚氣氛,因此,掛磚材質體積穩定,不 易開裂/剝落,從而抗氧化能力遠高于澆注料,同時,致密度越高的材料抗氧化程度越強。
式(1)~式(4)列出了澆注料和掛磚材質在爐內高溫高水蒸氣氧化性氣氛下成分變化,一般認為在溫度大于500℃情況下,碳化硅和氮化硅會先被氧化成氧化硅晶粒，同時，生成的氧化硅會進一步被水蒸氣氧化成氣態氫氧化物。
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檢測試 樣氧化前后的體積密度、顯氣孔率,計算氧化處 理前后試樣的體積變化率和質量變化率。結果表明:氮化硅氧化后體積變化率要低于碳化硅,且碳化硅結合氮化硅的掛磚材質展現出良好的 抗氧化能力。