我國爐排式垃圾焚燒爐耐火材料應(yīng)用現(xiàn)狀

摘 要：概述了我國城市垃圾無害化處理現(xiàn)狀、機(jī)械爐排爐特點(diǎn)以及對(duì)耐火材料的要求，闡述了我國爐排式垃圾焚燒爐用耐火材料應(yīng)用現(xiàn)狀和關(guān)鍵部位損毀機(jī)制，分析了我國垃圾焚燒行業(yè)面臨的形勢(shì)以及耐火材料行業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并對(duì)爐排式垃圾焚燒爐用耐火材料研究方向提出了幾點(diǎn)建議。

我國人口眾多，每天產(chǎn)生大量的生活垃圾，且與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國垃圾分類程度較低。垃圾特性（物性、熱值、含水率等）因地域性氣候和生活習(xí)慣不同差異較大，而且隨著人民生活水平提高和城市化進(jìn)程加快，垃圾的組分也逐年發(fā)生改變。我國垃圾焚燒行業(yè)較國外起步晚，內(nèi)襯耐火材料設(shè)計(jì)主要以引進(jìn)、消化為主，還沒有建立起符合我國爐排爐使用要求的材料體系。目前，我國垃圾焚燒爐因?yàn)閮?nèi)襯隔熱、耐磨、耐侵蝕材料的選用不當(dāng)頻繁造成停爐事故，嚴(yán)重影響了垃圾焚燒爐的運(yùn)轉(zhuǎn)率，造成了大量垃圾堆積，引起了一系列社會(huì)和民生問題。

1 城市生活垃圾無害化處理現(xiàn)狀

城市垃圾的無害化、減容化已成為政府和公眾非常關(guān)心的問題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口不斷向城市集中，城市化進(jìn)程加快且數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市生活垃圾總量持續(xù)增多。近十幾年來，我國城市垃圾無害化處理從無到有，無害化處理率也在逐年增長（見圖1）。

隨著人們生活水平的提高，生活垃圾的熱值逐漸增大。傳統(tǒng)填埋和堆肥處理方式的減容、減量效果差，已不能適應(yīng)需要；而焚燒法則由于其減容、減量大的優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展。近年來我國城市垃圾的處理方式由最初的衛(wèi)生填埋法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉贌?，其所占比例逐年增加（見圖2）。

垃圾處理的主流技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市，垃圾焚燒廠較多，垃圾焚燒發(fā)電在我國進(jìn)入了快速發(fā)展階段。如圖3 所示，截至2019 年2 月，我國（不包含港、澳、臺(tái)地區(qū)）在運(yùn)行的生活垃圾焚燒廠數(shù)量已達(dá)到418座，還有167 座正在建設(shè)，其中，機(jī)械爐排爐占80％以上。

2 機(jī)械爐排爐技術(shù)特點(diǎn)及對(duì)耐火材料要求

生活垃圾焚燒是十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，通?？蓪⒎贌^程分為干燥、熱分解、燃燒3 個(gè)階段。焚燒爐型可分為機(jī)械爐排式、流化床式、旋轉(zhuǎn)式，其中，機(jī)械爐排式焚燒爐是大型垃圾焚燒爐的主流設(shè)備。該類爐型的最大優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)生的灰渣量相對(duì)少，爐渣熱灼減率低，適應(yīng)性廣，絕大部分固體垃圾不需要任何預(yù)處理可直接進(jìn)爐燃燒。目前，國內(nèi)外主要應(yīng)用的機(jī)械爐排式焚燒爐技術(shù)有德國的馬丁、日本的日立造船、比利時(shí)的西格斯等。機(jī)械爐排式焚燒爐示意圖如圖4 所示。

垃圾為不同組成的非均勻性混合物，其類型、數(shù)量和熱值也有很大不同。為此，內(nèi)襯耐火材料的理化性能應(yīng)適應(yīng)操作期間不同階段的要求。垃圾焚燒爐的工作溫度一般不超過1 200 ℃，但焚燒時(shí)產(chǎn)生的氣體（如HCl、SO2、Cl2、CO 及堿金屬氣體等）對(duì)耐火材料的侵蝕較強(qiáng)。同時(shí)，垃圾在高溫移動(dòng)中對(duì)焚燒爐某些部位（如爐底、落料口及側(cè)墻等）的磨損和熱沖擊較大。因而，要求焚燒爐用耐火材料具有以下特點(diǎn)：

1）高強(qiáng)度和良好的耐磨性，以抵抗固體物料的磨損和熱氣流的沖刷；2）良好的體積穩(wěn)定性和耐腐蝕性，以抵抗?fàn)t內(nèi)酸性物質(zhì)的腐蝕；3）良好的抗熱震性，以抵抗?fàn)t溫的變化對(duì)材料的破壞；4）良好的抗CO 侵蝕能力，以避免因CO 侵蝕而引起爐襯崩裂；5）良好的高溫強(qiáng)度和耐熱、隔熱性。

3 機(jī)械爐排爐耐火材料應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)械爐排式垃圾焚燒爐分為干燥區(qū)、燃燒區(qū)和燃燼區(qū)，按照耐火材料的使用位置可以分為垃圾推料器進(jìn)料口區(qū)、爐排側(cè)墻、前拱、后拱、爐頂和排渣口。這些區(qū)域爐襯所受的溫度、機(jī)械強(qiáng)度和氣氛都不相同，需要根據(jù)各自的工況特點(diǎn)選用相應(yīng)的耐火材料。

垃圾焚燒爐墻損毀形式主要包括熱應(yīng)力造成爐墻結(jié)構(gòu)破壞以及垃圾對(duì)爐墻耐火材料的機(jī)械磨損、附著、滲透和侵蝕等。

3. 1 爐墻結(jié)構(gòu)破壞

不同焚燒階段，工藝溫度差異較大，各段爐墻受熱不均勻。其中，燃燒段是溫度最高區(qū)域，主要是絕熱爐墻和風(fēng)冷爐墻兩種結(jié)構(gòu)，風(fēng)冷爐墻的穩(wěn)定性要明顯好于絕熱爐墻的。但是無論哪種結(jié)構(gòu)，服役時(shí)間較長以后，均會(huì)出現(xiàn)鼓包凸起。圖5（a）是絕熱爐墻服役一段時(shí)間后爐墻明顯鼓包照片，中心區(qū)域凸起高度達(dá)到200 mm 以上。圖5（b）示出了爐墻服役過程中的風(fēng)冷爐墻，殘余風(fēng)冷爐墻空氣夾層厚度由設(shè)計(jì)的60 mm 擴(kuò)展為120 mm。

焚燒爐運(yùn)行過程中爐墻受熱，爐墻內(nèi)、外溫度存在差異。爐墻耐火磚模擬分析的溫度分布云圖如圖6 所示，構(gòu)成爐墻的碳化硅磚由內(nèi)部到外部存在較大的溫度梯度。工作面與非工作面溫度的差異使耐火磚向火面產(chǎn)生的膨脹比背火面的大。同時(shí)，焚燒爐內(nèi)不同燃燒區(qū)域爐墻溫度分布不均，使?fàn)t墻在溫度較高的部位膨脹量較大。由于爐墻受爐體尺寸的約束，使整個(gè)爐墻產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，溫度越高的區(qū)域產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大，這導(dǎo)致高溫區(qū)爐墻有向爐內(nèi)凸起、鼓包的趨勢(shì)。爐墻鼓包、凸起還與超負(fù)荷運(yùn)營、工藝溫度控制、起停爐頻次、操作水平以及爐墻設(shè)計(jì)有關(guān)。

當(dāng)爐墻變形向爐內(nèi)凸起時(shí)，拉固磚對(duì)爐墻產(chǎn)生拉應(yīng)力，起到穩(wěn)定爐墻的作用。若拉固件變形、斷裂，拉固力減弱，爐墻在這種熱應(yīng)力的持續(xù)作用下逐漸產(chǎn)生變形。不同區(qū)域爐墻向爐內(nèi)凸起程度不同，嚴(yán)重部位可能發(fā)生坍塌。

3. 2 垃圾對(duì)耐火材料作用造成的損毀

生活垃圾的熱值較低、成分復(fù)雜，在焚燒的過程中很容易產(chǎn)生積灰、磨損、腐蝕等問題，對(duì)焚燒爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。城市生活垃圾的組成與城市化程度相關(guān)，越是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市，城市垃圾中可燃物以及可堆腐物所占比例越高。我國的生活垃圾具有熱值低、組分復(fù)雜等特點(diǎn)，在焚燒過程中存在很多影響設(shè)備運(yùn)行的因素。焚燒爐內(nèi)襯耐火材料的損毀首先是生活垃圾中的渣土和硬塊對(duì)爐襯的機(jī)械磨損，其次是爐渣對(duì)耐火材料內(nèi)襯的機(jī)械磨損、附著和侵蝕。垃圾焚燒爐的飛灰主要由K、Na、Al、Ca、Si 等組成的氧化物及氯化物構(gòu)成。焚燒爐內(nèi)襯耐火材料主要組成為Al2 O3、SiO2，焚燒爐內(nèi)不同部位，爐渣對(duì)耐火材料的侵蝕損毀程度存在差異。

3. 2. 1 進(jìn)料口、干燥段等部位的機(jī)械磨損

焚燒爐進(jìn)料口、下料平臺(tái)以及焚燒爐側(cè)墻下部直接接觸垃圾部位的機(jī)械磨損嚴(yán)重（見圖7）。進(jìn)料口、干燥段等直接接觸垃圾部位的溫度不超過1 000 ℃，普通礬土耐火澆注料耐磨性滿足不了使用要求。

3. 2. 2 前、后拱區(qū)飛灰附著結(jié)焦

垃圾在燃燒過程中形成了大量飛灰，其化學(xué)組成見表1。

熔融的飛灰與前后拱內(nèi)襯耐火材料接觸，并發(fā)生反應(yīng)附著在前后拱部位。飛灰在爐墻上附著存在兩個(gè)不同的過程：第一個(gè)沉積過程是初始沉積層的形成過程。初始沉積層為化學(xué)活性較高的堿金屬類和堿土金屬類硫酸鹽構(gòu)成的薄灰層，它由尺寸很小的灰顆粒組成。初始沉積層具有良好的隔熱性能，它的形成使?fàn)t壁表面溫度升高。第二個(gè)沉積過程是較大灰粒在慣性力作用下沖擊到爐墻的初始沉積層上（慣性沉積），當(dāng)初始沉積層具有黏性時(shí)，它可以捕獲慣性力輸運(yùn)的灰顆粒，并使渣層厚度迅速增加?；以鼘拥暮穸韧ǔＪ遣痪鶆虻?，它除了主要與爐膛的結(jié)構(gòu)、燃燒中心位置、空氣動(dòng)力特性、爐膛溫度特性及垃圾的理化性質(zhì)有關(guān)外，還與耐火材料組成有一定關(guān)系。如果飛灰清理不及時(shí)造成飛灰附著結(jié)焦過厚，爐墻耐火材料會(huì)在焦層重力的作用下發(fā)生變形坍塌，嚴(yán)重影響焚燒爐的安全運(yùn)行。

3. 2. 3 二次燃燒區(qū)灰渣熔融及侵蝕

焚燒爐煙氣出口是二次燃燒區(qū)，二次燃燒區(qū)內(nèi)襯耐火材料的主要成分通常是Al2 O3 含量約為80％（w）的剛玉－莫來石澆注料，其主晶相為剛玉和莫來石。二次燃燒區(qū)富氧燃燒的煙氣溫度最高可達(dá)1 400℃，飛灰在這個(gè)區(qū)域熔融后形成熔渣附著在耐火材料表面，這些熔渣與耐火材料反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物。這些熔融態(tài)的低熔點(diǎn)物很容易被高速含塵煙氣沖刷磨損，導(dǎo)致耐火材料逐層反應(yīng)、侵蝕、減薄，以致使二次燃燒區(qū)鋼板燒紅而被迫停爐。導(dǎo)致二次燃燒區(qū)飛灰熔融并形成高溫侵蝕的主要原因有：1）物料熱值逐年升高引起爐溫升高；2）與各焚燒爐二次燃燒區(qū)煙氣出口設(shè)計(jì)尺寸有關(guān)，例如三峰馬丁爐型二次燃燒區(qū)工況相對(duì)較好，巴高克爐型二次燃燒區(qū)設(shè)計(jì)縮口較小，飛灰熔融以及對(duì)耐火材料侵蝕嚴(yán)重；3）與運(yùn)行工藝相關(guān)，部焚燒爐為了減少飛灰附著程度，減少停爐清灰次數(shù)，調(diào)整工藝使燃燒區(qū)后移，使得二次燃燒區(qū)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)均發(fā)生改變。

圖8 是二次燃燒區(qū)用后剛玉－ 莫來石澆注料殘襯照片以及各層的XRD 圖譜。分析表明，反應(yīng)層、滲透層形成了少量的長石類礦物相。在實(shí)際工況下，長石類礦物的熔點(diǎn)較低，高溫是熔融狀態(tài)，熔渣與耐火材料反應(yīng)形成的低熔點(diǎn)物向熔渣中溶解，并逐漸被高速含塵煙氣沖刷掉，最終導(dǎo)致內(nèi)襯耐火材料被磨穿。

3. 2. 4 水冷壁耐火材料剝落

焚燒爐余熱發(fā)電鍋爐水冷壁配置厚度70 ～ 110mm 耐火可塑料或者澆注料，使用后會(huì)出現(xiàn)銷釘頭端面以外的耐火材料分層并脫落，脫落區(qū)域附近有細(xì)小裂紋。根據(jù)圖9 所示水冷爐壁應(yīng)力模擬分析可知，高溫條下，金屬錨固件的熱膨脹大于耐火材料的，在耐火材料與金屬銷釘界面應(yīng)力最大區(qū)域，大量銷釘共同作用使耐火材料產(chǎn)生分層，導(dǎo)致耐火材料脫落。

4 垃圾焚燒用耐火材料面臨形勢(shì)

我國目前有三百多個(gè)爐排式生活垃圾焚燒項(xiàng)目，約有一千多臺(tái)焚燒爐且大小不一，爐型繁多。機(jī)械爐排爐耐火材料設(shè)計(jì)方案?jìng)€(gè)性化問題突出，耐火磚型設(shè)計(jì)差異較大，多者達(dá)上百種磚型，而且無法交換使用，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，周期長。

我國垃圾產(chǎn)量增長，熱值逐年升高，垃圾焚燒爐大型化勢(shì)在必行，因此，新的爐排爐焚燒技術(shù)發(fā)展迅速。焚燒爐垃圾熱值波動(dòng)和處理能力增大，導(dǎo)致耐火材料使用過程中出現(xiàn)新的系列問題。近年來，新型爐排爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不斷創(chuàng)新，很多重型絕熱焚燒爐設(shè)計(jì)逐漸由絕熱爐膛至風(fēng)冷爐墻再到水冷爐墻轉(zhuǎn)變。目前，日處理850 t 大型水冷壁結(jié)構(gòu)焚燒爐在垃圾熱值較為穩(wěn)定的南方地區(qū)陸續(xù)啟動(dòng)。新型大型化焚燒技術(shù)給耐火材料設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研究以及施工技術(shù)提出了新的課題。

根據(jù)發(fā)改委印發(fā)的《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，垃圾焚燒在全國城鎮(zhèn)生活垃圾處理方式中所占比例將由2015 年的31％ 提高至2020 年的54％ 。近年來，隨著國家政策補(bǔ)貼和巨大市值利潤的雙重力量推動(dòng)，讓越來越多的市場(chǎng)力量開始聚集在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)中，進(jìn)行著“能者割據(jù)”的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭。這類情況下，很多企業(yè)往往在“跑馬圈地”拿到項(xiàng)目后，在工程運(yùn)營、污染排放等方面進(jìn)行偷工減料，以降低成本，但最終導(dǎo)致項(xiàng)目的環(huán)境效益大打折扣，這其中也包括降低耐火材料設(shè)計(jì)和選材成本。2019 年3 月16 日，生態(tài)環(huán)境部公布了《生活垃圾焚燒發(fā)電廠自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于環(huán)境管理的規(guī)定（試行）》，提出了要對(duì)垃圾焚燒企業(yè)的達(dá)標(biāo)排放和高質(zhì)量運(yùn)營采取有力的監(jiān)管舉措。設(shè)計(jì)選材缺陷和環(huán)保管控壓力，使得焚燒爐長周期穩(wěn)定運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高。

5 結(jié)語

垃圾焚燒爐的安全可靠運(yùn)行在很大程度上取決于耐火材料質(zhì)量的穩(wěn)定、可靠，取決于耐火材料的合理設(shè)計(jì)、選材以及高效維護(hù)。目前，以鋁礬土、黏土原料為主的耐火材料產(chǎn)品不能滿足焚燒爐大型化和日益惡化的工況需要，焚燒爐用耐火材料的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生了變化。同時(shí)，在國家環(huán)保管控日趨嚴(yán)厲的形勢(shì)下，耐火材料行業(yè)面臨前所未有的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。鑒于此，建議垃圾焚燒爐用耐火材料研究從以下幾個(gè)方向發(fā)展：1）完善爐排式垃圾焚燒爐用耐火材料體系，合理設(shè)計(jì)爐墻結(jié)構(gòu)，提高爐墻穩(wěn)定性；2）開發(fā)焚燒爐關(guān)鍵部位耐火材料產(chǎn)品，解決垃圾磨損、飛灰附著、熔渣侵蝕以及剝落嚴(yán)重等問題；3）研究濕法噴涂、泵送等施工技術(shù)在焚燒爐上的應(yīng)用，提高施工效率，同時(shí)提高不定形產(chǎn)品比例；4）研究焚燒爐用后廢棄耐火材料再利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。