危废处理等离子气化炉炉衬不同耐火材料的抗渣试验

2019年全国危险废物排放量达6700万t，且以每年7.45%的速度增长。危险废物，特别是高毒、高危险的特殊危险废物的无害化处置，已成为环境安全亟待解决的棘手问题。

等离子体气化炉操作温度高，有机垃圾迅速脱水、热解、裂解，再经过二次燃烧达到无害化，无机物在高温作用下熔融成尾渣，高危废物经过处理能够实现无害化。然而等离子体气化炉工作温度高，服役条件恶劣，对炉衬耐火材料提出了严格的要求。目前等离子体气化炉衬主要包括含铬和SiC质耐火材料。含铬材料由于其优异的抗渣性能被广泛用于等离子体气化炉，然而含铬材料在生产和使用过程中容易产生Cr⁶⁺，严重污染环境。等离子体气化炉炬口附近瞬间产生高温，会造成严重的热应力损毁，如上海某厂以w(Cr₂O₃)=41.65%的Al₂O₃-Cr₂O₃砖作为等离子体气化炉衬材料，使用20多天后就产生严重损毁[2]。有研究报道，w(Cr₂O₃)=20%的MgAl₂O₄-Cr₂O₃材料与w(Cr₂O₃)=50%的Al₂O₃-Cr₂O₃砖的抗渣侵蚀性接近，且抗热震性更加优良，有利于降低Cr₂O₃含量[5];SiC质耐火材料也因具有优异的抗渣性能与力学性能亦被广泛用于等离子体气化炉，有利于实现等离子体气化炉衬材料的无铬化。

因此，本研究中，首先制备MgAlO-Cr₂O₃浇注料和SiC浇注料，并与等离子体气化炉原炉衬材料Al₂O₃-Cr₂O₃砖的抗渣性能进行对比。接着研究两种浇注料不同温度处理后的力学性能。

试验原料为：w(Al₂O₃)=90%的富铝镁铝尖晶石(MA90)，粒度为6～3、3～1和≤1mm;w(Cr₂O₃)=93%的铝铬砂，粒度为10～30μm;w(Cr₂O₃)=99%的Cr₂O₃粉，粒度为≤0.045mm;w(Al₂O₃)=98.3%的α-Al₂O₃微粉，d50=2μm;w(AlO)=69.3%、w(CaO)=29.6%的纯铝酸钙水泥Secar71;w(SiC)=98%的SiC颗粒和细粉，粒度为5～3、3～1、≤1、≤0.088和≤0.045mm;w(SiO₂)=94%的SiO₂微粉，d50=0.78μm;w(Si)=98%的Si粉，粒度为≤0.088mm;w(C)=99%的炭黑，粒度为≤0.045mm以及w(SiO₂)=30%的硅溶胶。等离子体气化炉原炉衬Al₂O₃-Cr₂O₃砖的主要成分(w)为：Cr₂O₃ 43.65%，Al₂O₃ 40.67%，SiO₂6.09%，ZrO₂5.71%。

MgAl₂O₄-Cr₂O₃浇注料的配料组成(w)为：镁铝尖晶石(MA90)颗粒70%，铝铬砂16%，Cr₂O₃粉6%，α-Al₂O₃微粉3%，Secar71水泥5%，外加水4.5%。硅溶胶结合SiC浇注料的配料组成(w)为：SiC颗粒70%，SiC细粉25%，SiO2微粉3%，炭黑1%，Si粉1%，外加硅溶胶8%。

按上述配料进行称料，配好的物料在水泥搅拌机中预混3min，加水混合3min后分别倒入25mm×25mm×140mm的三联模和70mm×70mm×70mm(带有φ20/30mm×40mm的装渣孔)的坩埚模具。自然条件下养护24h后脱模，将脱模后的试样经110℃保温24h干燥，干燥后的25mm×25mm×140mm条形试样再分别经过1000、1300、1500和1700℃热处理3h，然后冷却至室温。Al₂O₃-Cr₂O₃抗渣样的制备：从Al₂O₃-Cr₂O₃砖上切取70mm×70mm×70mm块状样品，钻孔，孔尺寸为φ36mm×30mm，作为抗渣坩埚试样。

按GB/T2999—2002、GB/T5988—2007、GB/T3001—2000、GB/T3997.2—998分别测浇注料试样的显气孔率、线变化率、常温抗折强度、常温耐压强度。采用场发射扫描电子显微镜观察试样的显微结构，并结合能谱仪对试样微观区域进行分析。采用静态坩埚法测抗渣性：将20g的等离子体气化炉炉渣置于烘干后坩埚试样中，分别经过1500和1700℃保温3h热处理后自然冷却至室温，沿中心线将坩埚切开，观察试样的侵蚀情况，按GB/T8931—2007计算侵蚀率(=侵蚀层面积÷剖面积×100%)和渗透率(=渗透面积÷剖面积×100%)。抗渣侵蚀后的试样，切开后，用数码相机拍照，采用软件Image-ProPlus6.0处理试样，计算侵蚀层、渗透层和剖面面积。等离子体气化炉炉渣的化学组成(w)为：SiO₂ 28.07%，Al₂O₃ 25.51%，Cr₂O₃ 19.31%，CaO15.55%，MgO 2.32%，K₂O 0.23%，Na₂O 1.04%，TiO₂ 1.66%，ZrO₂ 1.38%。

2.1 抗渣性能

在1500和1700℃渣蚀3h后3种试样的剖面照片见图1，其侵蚀率和渗透率见表1。

从表1可以看出，经1500℃渣侵后，Al₂O₃-Cr₂O₃砖试样和SiC浇注料试样几乎没有渣渗透与侵蚀;MgAl₂O₄-Cr₂O₃浇注料试样的渗透面积为8.5%。经1700℃渣侵后，Al₂O₃-Cr₂O₃砖试样发生了严重的侵蚀，侵蚀率与渗透率分别达17.5%和39.7%;SiC质坩埚中依然含有大量熔渣;而MgAl₂O₄-Cr₂O₃质坩埚中熔渣较少，说明渣向耐火材料中渗透较为严重。总体而言，SiC质浇注料在1500和1700℃下具有良好的抗渣侵蚀性。

作者：陈 定1) 顾华志1) 方义能2)

1)武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室

2)浙江自立高温科技股份有限公司