医疗废物是一种危害极大的特殊废物，根据我国1998年颁布的《国家危险废物名录》属于危险废物。根据《医疗废物集中处置技术规范（试行）》环发［2003］206号及其它相关法律法规文件，国家推行医疗废物集中处置，现阶段医疗废物集中处置应采用高温热处置技术，主要为高温焚烧。回转窑是医疗废物焚烧生产线的核心环节，其运行状况在很大程度上决定了医疗废物焚烧处置的质量、运行成本。而回转窑耐火材料的设计直接影响回转窑的综合寿命和运转率。目前，国内能够连续、稳定达标运行的医疗废物焚烧生产线很少，有关其回转窑耐火材料设计缺乏实际工程研究。本文以实际工程为依托进行研究，总结了医疗废物焚烧线回转窑耐火材料的工程设计经验，为国内类似工程提供借鉴。
1 医疗废物焚烧线及回转窑概况
上海市固体废物处置中心医疗废物焚烧生产线规模为吨/天，是目前世界上规模最大的医废专用焚烧生产线，承担起上海市全市的医疗废物焚烧处置任务。该项目由上海市固体废物处置中心建设并运营，2009年年底投入试运，焚烧工艺采用回转窑+二燃室焚烧炉，高温烟气经余热锅炉蒸汽发电后，通过急冷塔+循环流化干式脱酸塔+活性炭投放装置+布袋除尘器+湿式洗涤塔的净化工艺，烟气排放指标均已达到国家标准，其中二恶英排放指标达到欧盟2000/76/EU标准(0.1ng/Nm3)，实现了医疗废物安全、稳定、连续的焚烧运行。
回转窑概况：倾斜度2.0°，窑内工作温度850～1200℃，镶切耐火衬料后筒体外表温度为180～380℃；两档托轮支撑。
2 回转窑耐火材料性质及要求
2.1 耐火材料的作用
（1）保护窑筒体：回转窑筒体由钢板卷制而成，筒体强度随温度的升高而降低。焚烧医疗废物时，窑内温度850～1200℃左右，如不加以保护，筒体很快烧坏，因此必须在筒体内镶砌耐火材料作保护，使其不受高温热气流及物料的化学侵蚀和机械磨损，保持正常生产。
（2）蓄热、进行热交换：耐火材料可以充当传热介质，从火焰热气体中吸收一部分热量，以传导及辐射方式传给物料。
2.2 耐火材料的分类
耐火材料按主成分的化学性质可分为三类：①酸性耐火材料：主要成分为SO2、ZrO2等四价氧化物（RO2），主要有硅石质、粘土质耐火材料，高温下对酸性物质的侵蚀抵抗性强。②中性耐火材料：主成分为Al2O3、Gr2O3等三价氧化物（R2O3），SiC、等原子键结晶矿物。主要有高铝耐火材料、铬质耐火材料、碳质耐火材料等，高温下对酸性、碱性物质有相近的抗侵蚀性。
③碱性耐火材料：主要成分为MgO、CaO等二价氧化物（RO），主要有镁质、白云石质耐火材料，高温下对碱性物质的侵蚀抵抗性强。
2.3 耐火材料的主要性能
（1）气孔率：耐火材料的气孔率常用开口气孔率（亦称显气孔率）表示。降低气孔率有利于提高产品质量、增大机械强度、减少与熔渣及腐蚀性气体的接触表面面积、延长使用寿命。但保持一定的显气孔率有利于形成窑皮及缓冲热膨胀应力影响。
（2）体积密度：指制品干燥质量（W）与其总体积（V）之比，用以评定耐火材料的致密程度。
（3）耐火度：在高温无荷重条件下不熔融软化的性能称为耐火度。根据耐火度分为普通耐火制品（1580～1770℃）、高级耐火制品（1770～2000℃）和特级耐火制品（2000℃以上）。耐火度不是使用时的最高温度，故选用耐火材料时耐火度一般应较使用温度高。
（4）常温耐压强度：指常温下耐火材料在单位面积上所能承受的最大压力，如超过此值，材料被破坏。它表明制品的烧结情况，同气孔率等其他性能一起可以综合判断制品质量和组织结构是否均匀致密，烧结性能是否良好。
（5）高温结构强度：指耐火材料在温度和压力同时作用下的抵抗能力，一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。根据温度和压力的变化有高温机械强度和高温荷重变形温度（或称荷重软化点）两种。耐火材料中低熔物或熔剂量增加，则荷重变形温度降低。因此，耐火材料生产要求采用纯质原料。
（6）热震稳定性：指耐火材料抵抗温度急剧变化而不破坏的能力。开停炉时由于温度骤然变化，或生产运营中的温度波动，均可使耐火材料发生裂纹、破碎或剥落。
2.4 医废焚烧炉耐火材料的要求
（1）耐高温性强：窑内最高温度可达1200℃，要求耐火砖在高温下不能熔化，在熔点之下要保持一定强度，且长时间暴露在高温下不变形，即高温荷重变形温度要高。
（2）化学稳定性好：物料在窑内煅烧时产生的气体、熔渣都要侵蚀窑衬，导致砖体膨胀或收缩，破坏砖体的组织结构。要求耐火材料具有良好化学稳定性，抵抗各种化学侵蚀。
（3）热震稳定性好：在开停窑及运转不稳定情况，窑内温度发生较大变化，要求耐火砖热震稳定性好，急冷急热时不易发生龟裂或者剥落。
（4）耐磨性及机械强度好：窑内物料的滑动及气流中粉尘的摩擦，均会对耐火材料造成很大的磨损，尤其是开窑初期窑内还没有窑皮保护时。耐火材料要承受高温时的膨胀应力及窑筒体变形所造成的应力，因此要具有较好的耐磨性和一定的机械强度。
（5）良好的挂窑皮性能：窑皮对窑衬有很大的保护作用。窑衬具有良好的挂窑皮性能就容易挂上窑皮，并且窑皮能够维持较长的时间，可以使窑衬不受侵蚀与磨损，有利于窑的长期安全运转。
（6）孔隙率要低：气孔率高使腐蚀性窑气渗入造成窑衬腐蚀损坏，特别是酸性气体。
（7）热膨胀系数小：窑筒体的热膨胀系数虽大于窑衬的热膨胀系数，但是窑筒体温度一般都在180～380℃，而窑衬的温度一般都在800℃以上。因此窑衬的热膨胀比筒体要大，窑衬容易受热膨胀应力造成剥落。
（8）尺寸准确，外形整齐：为保证窑衬的砌筑质量，要求耐火材料的形状和外形尺寸准确，以保证镶砌质量。
耐火材料很难完全满足上述所有要求，且其性能随使用条件而变化。在选择或评价耐火材料时，必须注意与使用条件相适应进行综合考虑，需要根据系统各部位的使用条件，选用不同品种的耐火材料，并注意其合理匹配，才能取得良好的效果。
2.5 耐火材料损坏机理
回转窑耐火材料的损坏机理包括热应力、机械和热机械应力、化学腐蚀三个方面：
（1）热应力：回转窑转动，上部耐火材料吸收火焰温度，下部耐火材料在物料的覆盖下以不同的传导及辐射方式传给物料，因此耐火材料表面温度呈周期性波动。停窑工况急剧冷却，耐火材料表面温度发生变化，内部产生热应力；耐火材料本身热面和冷面亦存在温差，温度梯度产生温差应力。
（2）机械和热机械应力：窑内耐火材料受被煅烧物料的磨擦及气流中尘粒的冲刷、剥蚀，窑的金属筒体尤其是轮带部位发生变形，耐火材料内产生压应力、拉应力和剪切应力，致使衬砖间发生相对运动，造成耐火材料裂缝、剥落甚至掉砖。
（3）化学腐蚀：主要来自煅烧物料和燃烧气流。煅烧物料的组分以熔融状态扩散或渗入衬料内部，从而引起化学和矿物的变化；另外，热气流中的酸性气体、氯、硫等挥发物渗入耐火材料内部，引起破坏。
2.6 医疗废物焚烧回转窑耐火材料的工程设计
医疗废物烧线回转窑窑内工作温度达850～1200℃，焚烧产生的烟气含酸性，其焚烧特性要求耐火材料必须具有减少高温气体与物料对筒体化学侵蚀与机械磨损，保护窑壳。要求：①热震稳定性好，即抵抗窑温剧烈变化而不被破坏的能力好。在停窑、开窑以及旋窑运转状况不稳定的情况下，窑内的温度变化都比较大，这就要求窑砖在温度剧烈变化的情况下，不能有龟裂或者是剥落的情况。②抗化学侵蚀性强，物料在旋窑内煅烧时，所形成的灰份、溶渣、蒸气均会对窑砖产生很大的侵蚀。
③耐磨性及机械强度好，窑内物料的滑动及气流中粉尘的磨擦，均会对窑砖造成很大的磨损，窑砖还要承受高温时的膨胀应力及窑壳椭圆变形所造成的应力。
回转窑耐火材料采用优质致密粘土砖和高强致密锆铬刚玉砖双层复合。粘土砖为Al2O3含量30%~40%的硅酸铝质耐火制品，矿物组成为莫来石（3Al2O3·2SiO2）20%~50%，玻璃相和方石英及石英（最高可达30%）。粘土砖按Al2O3含量可分为一等（＞45%）、二等（＞40%）、三等（＞35%），相应的耐火度不低于1730℃、1670℃和1610℃。荷重软化点在1250~1450℃，热稳定性较好，本工程回转窑采用中性耐火材料，高温下对酸性、碱性物质有相近的抗侵蚀性。
高强致密锆铬刚玉砖，是由刚玉、锆质材料、铬质材料，加入结合剂制成。刚玉为电熔致密刚玉，该高强度致密锆铬刚玉砖，强度高、热震稳定性及抗渣浸蚀性能好，且耐高温。具有耐火度高、强度大、热震稳定性好、抗侵蚀能力强的特点，使用中耐冲刷，耐磨损，抗侵蚀，抗结构剥落。属中性偏酸性耐火材料，高温下对酸性物质的侵蚀抵抗性强。
双层复合耐火砖中热端（接触火焰）的耐火砖为高强致密锆铬刚玉砖，厚度为250mm，导热系数为3.0W/m·K。冷端（与筒体内壁相接）为优质致密粘土砖，厚度为70mm，根据粘土砖的外壁温度和内壁温度的关系，其导热系数为0.5W/m·K，换算相当于粘土砖的厚度，查表可知外壁温度：锆铬刚玉砖相当于粘土砖的厚度为：250×0.5/3.0；致密粘土砖相当于粘土砖的厚度为：70×0.5/1.3；总计相当于粘土砖的厚度为41.7+26.9=68.6mm。查表可以知道68.6mm厚的粘土砖，当炉内的温度为1000℃时，外壁温度为200℃。
3 结论
（1）医疗废物焚烧产生含酸性烟气，要求耐火材料热震稳定性好、抗化学侵蚀性强、耐磨性及机械强度好。
（2）推荐回转窑耐火材料设计：优质致密粘土砖+高强致密锆铬刚玉砖双层复合。其中双层复合耐火砖中热端（接触火焰）的耐火砖为高强致密锆铬刚玉砖，厚度为250mm。冷端（与筒体内壁相接）为优质致密粘土砖，厚度为70mm。
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