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    危廢處置回轉窯用典型耐火材料抗熔渣侵蝕性能研究

    發布日期: 2021-08-04 21:03:24    閱讀量(204)    作者:

    危廢產生量逐年增多,對環境造成的危害日益嚴重。目前我國危廢處理的方式基本可分為資源化利用和無害化處理兩類,而回轉窯焚燒作為一種傳統的無害化處理技術,在危廢處置市場占據重要地位[1-2]。

    國內危廢產生來源較廣,集中度低。同時,由于危廢分類工作不到位,危廢的成分較為復雜,焚燒溫度各有差異,高溫焚燒時產生的熔融物復雜。此外,回轉窯的機械運動使得危廢對內襯耐火材料產生較大的機械應力。因此,作為回轉窯襯里的耐火材料,要求其具有較好的抗侵蝕性能、優異的高溫耐磨性能和抗熱震性能。

    由于我國危廢焚燒行業起步較晚,相應的耐火材料配置還不成熟,使用壽命一般不超過1年,有的使用僅20天就嚴重損壞。因此本工作中,選取目前危廢處置回轉窯用幾種典型耐火材料鉻鋯剛玉50磚、鉻鋯剛玉30磚、鉻剛玉磚、高鋁磚、剛玉莫來石磚和鋁鉻碳化硅磚,進行了抗熔渣侵蝕性能研究。

    1試驗

    試驗用磚的主要理化性能指標見表1。

    試驗熔渣取自合肥某危廢處置回轉窯,其化學組成(w)為:Na2O13.49%,MgO3.19%,Al2O37.18%,SiO212.86%,P2O56.43%,SO314.67%,Cl-7.25%,K2O3.25%,CaO9.26%,TiO26.85%,Fe2O37.94%,ZnO1.17%,PbO3.07%。熔渣物相組成復雜,主要物相為NaCl和Na2SO4,見圖1。

    將試驗磚制成內孔尺寸為φ25mm×30mm、外形尺寸為70mm×70mm×70mm的坩堝,加入15g危廢熔渣,分別在1100和1300℃保溫24h。沿坩堝孔中心軸剖開,觀察剖面的侵蝕情況,并測量各層厚度。采用德國布魯克D8Advance型X射線衍射儀分析試驗磚侵蝕前后的物相組成,采用德國徠卡DM6000M型顯微鏡和美國FEIQuantaFEG250型環境掃描電鏡觀察試驗磚侵蝕前后的顯微形貌。

    2結果與討論

    抗熔渣侵蝕試驗后試樣的剖面照片見圖2,侵蝕深度和滲透深度見圖3。

    圖2侵蝕試驗后試樣的剖面照片

    試驗溫度為1100℃時,6組試樣均表現出較好的抗侵蝕性能和抗滲透性能,試樣與渣接觸的界面結構清晰完整。同時,鉻鋯剛玉50磚和鉻鋯剛玉30磚幾乎沒有發生滲透行為。其他4組試樣有不同程度的熔渣滲透:鉻剛玉磚的熔渣滲透程度較淺,深度僅為4mm(見圖3);高鋁磚和剛玉莫來石磚的熔渣滲透深度均為5mm;鋁鉻碳化硅磚由于顯氣孔率較大,滲透深度為8mm。試驗后6組坩堝內均殘留了大量熔渣。其中,鉻鋯剛玉50磚中的殘渣為松散狀態;而其他5組試樣中殘渣則膠結在一起,形成多孔網絡結構,這可能與鉻鋯剛玉50磚中主成分氧化鉻在熔渣中的溶解度極低有關。

    圖3侵蝕試驗后試樣的分包深度和滲透深度

    試驗溫度升到1300℃時,6組試樣的熔渣侵蝕和滲透情況顯著加劇,除鉻鋯剛玉50磚和鉻鋯剛玉30磚還殘留有部分熔渣外,其他4組試樣幾乎沒有明顯熔渣殘留。鉻鋯剛玉30磚中的殘渣呈板結狀,而

    鉻鋯剛玉50磚中的殘渣仍為松散狀態。鉻鋯剛玉50磚依然保持了優異的抗侵蝕性,但出現了熔渣滲透現象,滲透層厚度為7mm。其他5組試樣均出現了不同程度的熔渣侵蝕和熔渣滲透。其中,鉻鋯剛玉30磚被輕微侵蝕,同時滲透程度加大,侵蝕層厚度和滲透層厚度分別為1和9mm;鉻剛玉磚中已無明顯殘渣,侵蝕層和滲透層的厚度分別為2和12mm;高鋁磚侵蝕最為嚴重,已經看不到試樣與渣接觸的界面結構,侵蝕層和滲透層厚度分別為16和3mm;剛玉莫來石磚出現了明顯的侵蝕層(厚度為6mm),但是抗滲透性能較好(厚度僅為2mm)。由于顯氣孔率高,鋁鉻碳化硅磚抗侵蝕和滲透性能均較差,侵蝕層和滲透層厚度分別為5和18mm。

    1300℃抗熔渣侵蝕試驗后試樣工作層的顯微結構見圖4,圖的右側為坩堝內壁。

    圖41300℃侵蝕試驗后試樣的顯微照片

    由圖4可以看出:

    1) 鉻鋯剛玉50磚坩堝內壁有殘渣附著,殘渣與磚界面清晰,滲透界限較明顯。

    2) 鉻鋯剛玉30磚坩堝內壁有少量殘渣,整體侵蝕程度較輕,基質受到侵蝕,骨料邊界存在少量侵蝕現象。鉻鋯剛玉50磚和鉻鋯剛玉30磚滲透層中氧化鋯顆粒(見圖5中白色顆粒)比原磚層中的氧化鋯顆粒粒徑變大,數量減少。這是因為熔渣主要成分NaCl和Na2SO4的熔點分別為801和884℃,熔渣滲入后滲透層中液相量增多,促進了氧化鋯顆粒的生長和發育[5,10]。

    3) 鉻剛玉磚坩堝內側未見附著殘渣,基質侵蝕嚴重,骨料邊界也有部分侵蝕現象。

    4) 高鋁磚坩堝基質和骨料都侵蝕極為嚴重,整體結構破壞。

    5) 剛玉莫來石磚基質和骨料都受到侵蝕,工作面凹凸不平,基質侵蝕嚴重,有未完全侵蝕的骨料散落其中;但是熔渣滲透作用較弱。一方面,是因為剛玉莫來石磚本身的顯氣孔率低;另一方面,通過對比剛玉莫來石磚侵蝕前后的物相變化(見圖6)發現,熔渣中的CaO和SiO2沿著孔隙進入后與基體中的Al2O3反應生成了鈣長石相,新生成的鈣長石相填充氣孔,促進了基體的致密化,阻礙了熔渣的進一步滲透。

    6) 鋁鉻碳化硅磚骨料顆粒保持較好,但是基質侵蝕較為嚴重,有未完全侵蝕的骨料散落其中;熔渣沿著氣孔和裂縫滲透進入磚內部,這與其較大的顯氣孔率有關。

    圖5  1300℃分包試驗后鉻鋯剛玉50磚和鉻鋯剛玉30磚試樣的SEM照片

    3結論

    (1)在1100℃侵蝕試驗后,6組試樣均表現出較好的抗侵蝕性能和抗滲透性能,試驗后坩堝內都殘留了大量熔渣。

    (2)在1300℃侵蝕試驗后,6組試樣的熔渣侵蝕和滲透行為顯著加劇。鉻鋯剛玉50磚依然保持了較優異的抗侵蝕性,但出現了熔渣滲透現象;鉻鋯剛玉30磚和鉻剛玉磚被輕微侵蝕,同時滲透程度加大;由于氧化鉻在熔渣中的溶解度極低,含鉻試樣具有優異的抗熔渣侵蝕性能,但其抗熔渣滲透性能一般;高鋁磚侵蝕最為嚴重,已經看不到試樣與渣接觸的界面結構;剛玉莫來石磚工作層被熔渣侵蝕后有鈣長石生成,促進了基體的致密化,阻礙了熔渣的進一步滲透;由于顯氣孔率高,鋁鉻碳化硅磚的抗侵蝕性能和抗滲透性能均較差。

    (3)綜合考慮使用性能、經濟和環保等因素,危廢處置回轉窯運行溫度在1100℃左右時,可以優先考慮使用高鋁磚;運行溫度在1300℃左右時,可以優先考慮使用剛玉莫來石磚。

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