水泥窑协同处置城市生活垃圾具有燃烧温度高( 物料温度约 1450℃，气体温度达 1 800℃以上) ，轻质保温砖气体在窑内停留时间长(约6 ～ 10 s) ，可消除二噁英排放等优点，因此得到了广泛应用。采用水泥窑协同处置垃圾能利用水泥窑内碱性运行环境中和处理硫化物和氯化物等酸性气体，且垃圾可作为水泥窑的燃料，垃圾燃烧后产物又可作为水泥原料，有效固化重

金属，实现垃圾的减量化和资源化利用。国际上水泥窑处置垃圾技术有日本川崎的 AK 技术和丹麦史密斯的热盘磨技术，我国合肥院的回转式垃圾焚烧炉联合处理技术，皆具备广阔的应用前景。然而，生活垃圾中含有一定量钾、钠、氯、硫、重金属等有害成分，在燃烧过程中形成的挥发性侵蚀物将在水泥窑的窑尾、分解炉及预热器等部位循环富集，加剧了相关耐火材料的侵蚀，导致了耐火材料的损毁，影响水泥窑的正常运转。有研究认为，垃圾熔渣包含碱性物质( 如 Na2O、K2O 等) 和酸性物质(如 HCl、SO3等) ，且在分解炉的高温条件下，熔渣的侵蚀性很强，加剧耐火材料的侵蚀。因此，研究生活垃圾对水泥窑耐火材料的侵蚀机制，能为水泥窑协同处置垃圾的生产线耐火材料的配套选材提供借鉴和依据，对支持下一代新型干法水泥生产技术的发展具有重大意义。

1 试验

试验选用预热器和分解炉用常用的耐碱砖和抗剥落高铝砖，其理化指标见表1。山东耐火砖将耐火砖切割成内孔为30 mm × 40 mm 的 70 mm × 70 mm × 70 mm 坩埚试样，采用静态坩埚法进行抗侵蚀试验。在坩埚内孔加入 20 g 侵蚀介质，盖上顶盖，并用相关火泥密封。侵蚀介质为华新水泥垃圾处理线的焚烧前垃圾，其化学组成 ( w ) 为: SiO2 38.85% ，CaO 24.11% ，Al2 O38.42%，SO3 5.38% ，Fe2O3 5.95% ，Cl 4. 73% ，P2O5 3.08%，Na2O 2.97%，K2O 2.55%，MgO 2.53%，Cr2O3 0.05%，MnO 0.15%，CuO 0.03%，ZnO 0.11%，ZrO2 0.02%，PdO 0.03% ，TiO2 0.92% ; 含水率 2.84%( w) ，灰分 40.35% ( w) ，热值 17 794.21 J·g - 1。模拟水泥窑分解炉及预热器下部的工作环境( 物料温度700 ～ 800 ℃，烟气温度 950 ～ 1100 ℃ ) ，对坩埚试样及垃圾粉料进行 1100 ℃ 3 h 热处理，冷却后沿坩埚试样的纵向中心线切开，将表面清理干净，观察其抗侵蚀情况 SEM 分析其显微结构。同时，为了与水泥生料的化学组成对比，还检测了垃圾粉料于1 100 ℃热处理后的化学组成，并按下式计算粉料的碱硫比:

碱硫比 =[w( Na2O) /62 + w( K2O) /97-w( Cl)/71]/[w( SO3 ) /80]

表 1 试验用耐火砖的理化指标

2 结果与讨论

2.1 垃圾粉料处理后的化学组成

1 100℃处理后垃圾粉料及水泥生料的主要化学组成见表2。由表2可知，热处理后垃圾和水泥生料的主要成分皆为 SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，总质量分数分别为 77.33% 和 62.24% ，所以燃烧后的垃圾可以直接作为水泥原料使用。垃圾的挥发性组分 Na2O、 K2O、S、Cl等在热处理过程中挥发。一般地，水泥窑内合适的碱硫比为0.8 ～ 1.2，对耐火材料的侵蚀较弱。而生活垃圾的碱硫比为0.125，硫、氯含量相对碱含量过剩。硫的挥发和富集，将与水泥熟料、耐火材料发生反应，生成钙明矾石( 2CaSO4·K2 SO4 ) 、双硫酸盐、硅方解石( 2C2 S·CaCO3 )、硫硅钙石( 2C2 S· CaSO4 ) 等易结皮产物，影响水泥窑的正常运转。氯的挥发性强，其反应生成的氯化物盐熔点低( 如KCl、NaCl 和 CaCl2 的熔点分别是770、801 和 772℃) ，这些盐类将在耐火材料的表面沉积，并与材料内部组分发生反应，渗透到材料的内部，加剧了水泥窑内耐火材料的侵蚀甚至损毁。

表2 1100℃热处理后垃圾与水泥生料的主要化学组成

2.2 耐火砖的抗侵蚀性

1100℃ 3 h 热处理后坩埚试样的剖面照片见图1。可以看出，耐碱砖的侵蚀深度为10 mm，保温材料生产厂家高铝砖的侵蚀深度为8 mm，高铝砖抗垃圾粉料的侵蚀性能要优于耐碱砖的。这是由于抗剥落高铝砖含有部分ZrO2，提高了材料的抗侵蚀性能，而耐碱砖SiO2含量高，且杂质Fe2O3、TiO2、CaO等杂质含量高，更容易与反应盐发生反应，扩大变质层。从侵蚀结果看，城市生活垃圾对耐火材料试样的侵蚀现象明显，材料中存在明显的侵蚀反应层，主要表现为渗透。这是由于在高温热处理过程中，垃圾粉料中的碱( Na2O和 K2 O)与 SO3、Cl挥发并发生反应，生成硫酸盐(Na2 SO4、K2SO4 )、氯盐( KCl、NaCl) 以及它们的复合盐，熔点较低，腐蚀性强，形成的反应盐通过耐火材料的显气孔等孔隙扩散，同时与耐火砖反应生成新的化合物，从而在耐火材料内部产生了反应变质层。

图1 1100℃ 3 h 热处理后坩埚试样的剖面照片

为进一步验证上面的结果，对坩埚试样进行 SEM分析，其照片见图2。可以看出，和原砖层相比，变质层结构疏松，且变质层与原砖层之间出现贯穿裂纹。由于碱挥发性强，其过量富集将与材料中的 Al2O3、SiO2 等组分发生反应，生成长石类化合物( 钾长石、钠长石、霞石等) 变质层，产生体积膨胀而导致材料出现“碱裂”。且变质层的成分、结构与原砖层的不同，两者热膨胀系数存在差异，在温度波动时随热应力的作用，裂纹扩展并贯通，最终会产生剥落，导致材料的损毁。当耐火材料暴露在含有 HCl 气体的环境中时，位于晶界处的碱性氧化物与其反应生成氯化物，随之晶界变脆，材料中颗粒更易脱落。因此，在协同处置垃圾的水泥窑耐火材料配套时，要选用显气孔少，抗渗透性、抗侵蚀性和抗剥落性较好的耐火材料。

图 2 侵蚀后坩埚试样的SEM照片

2.3 耐火材料的配套选择建议

水泥窑协同处置垃圾，由于垃圾中的 Na2 O、K2 O、S、Cl 等挥发性组分燃烧挥发而在水泥窑窑尾、分解炉、预热器等部位富集，加剧了相关部位耐火材料的侵蚀，降低耐火材料的寿命。表现在两个方面: 一方面是这些侵蚀组分渗透到耐火材料的内部并发生反应，形成的反应变质层由于物理性质发生了改变，如体积密度、气孔率、热膨胀系数等，导致在热应力作用下发生剥落; 另一方面是由于这些侵蚀组分与水泥熟料、耐火材料发生反应，生成钙明矾石、双硫酸盐、硅方解石、硫硅钙石等易结皮产物，影响水泥窑的正常运转。因此，在相关部位耐火材料的选择上要充分考虑材料的抗侵蚀性能和抗剥落性能。

在不同的部位应选用具有相应功能的耐火材料。在预热器部位，选用高强耐碱砖和高强耐碱浇注料，应尽量降低定形制品的显气孔率，浇注料施工时应严格控制加水量，降低浇注料的气孔率，减少侵蚀通道;在分解炉及窑尾预分解带部位，选用抗剥落高铝砖，抗剥落高铝砖中含有部分 ZrO2，可有效地提高材料的抗侵蚀性和抗剥落性; 在分解炉锥部和烟室部位，选用 SiC 抗结皮浇注料，SiC 在高温下发生反应，在材料表面形成氧化层，可以有效地降低气孔率，抵制侵蚀性组分的侵蚀而产生结皮产物。

3、结论

水泥窑协同处置垃圾时，由于引入的垃圾燃烧产物带有挥发性组分 Na2O、K2O、S、Cl等，以低熔点的硫酸盐、氯盐向耐火材料渗透并与之反应，使耐火材料在使用过程中失效。因此，协同处置垃圾的水泥窑耐火材料选配应考虑到材料的抗侵蚀性和抗剥落性等因素，建议分解炉选用抗剥落高铝砖和SiC抗结皮浇注料，而预热器选用高强耐碱砖和高强耐碱浇注料。


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