炉排式垃圾焚烧炉耐火材料应用现状
摘 要：概述了我国城市垃圾无害化处理现状、机械炉排炉特点以及对耐火材料的要求，阐述了我国炉排式垃圾焚烧炉用耐火材料应用现状和关键部位损毁机制，分析了我国垃圾焚烧行业面临的形势以及耐火材料行业的机遇和挑战，并对炉排式垃圾焚烧炉用耐火材料研究方向提出了几点建议。
我国人口众多，每天产生大量的生活垃圾，且与国外发达国家相比，我国垃圾分类程度较低。垃圾特性（物性、热值、含水率等）因地域性气候和生活习惯不同差异较大，而且随着人民生活水平提高和城市化进程加快，垃圾的组分也逐年发生改变。我国垃圾焚烧行业较国外起步晚，内衬耐火材料设计主要以引进、消化为主，还没有建立起符合我国炉排炉使用要求的材料体系。目前，我国垃圾焚烧炉因为内衬隔热、耐磨、耐侵蚀材料的选用不当频繁造成停炉事故，严重影响了垃圾焚烧炉的运转率，造成了大量垃圾堆积，引起了一系列社会和民生问题。
1 城市生活垃圾无害化处理现状
城市垃圾的无害化、减容化已成为政府和公众非常关心的问题。随着我国经济的迅速发展和人口不断向城市集中，城市化进程加快且数量和规模不断扩大，城市生活垃圾总量持续增多。近十几年来，我国城市垃圾无害化处理从无到有，无害化处理率也在逐年增长（见图1）。
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随着人们生活水平的提高，生活垃圾的热值逐渐增大。传统填埋和堆肥处理方式的减容、减量效果差，已不能适应需要；而焚烧法则由于其减容、减量大的优点得到了迅速发展。近年来我国城市垃圾的处理方式由最初的卫生填埋法逐渐转变为焚烧法，其所占比例逐年增加（见图2）。
垃圾处理的主流技术，在经济比较发达的城市，垃圾焚烧厂较多，垃圾焚烧发电在我国进入了快速发展阶段。如图3 所示，截至2019 年2 月，我国（不包含港、澳、台地区）在运行的生活垃圾焚烧厂数量已达到418座，还有167 座正在建设，其中，机械炉排炉占80％以上。
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2 机械炉排炉技术特点及对耐火材料要求
生活垃圾焚烧是十分复杂的物理化学反应过程，通常可将焚烧过程分为干燥、热分解、燃烧3 个阶段。焚烧炉型可分为机械炉排式、流化床式、旋转式，其中，机械炉排式焚烧炉是大型垃圾焚烧炉的主流设备。该类炉型的最大优势在于技术成熟，运行稳定，产生的灰渣量相对少，炉渣热灼减率低，适应性广，绝大部分固体垃圾不需要任何预处理可直接进炉燃烧。目前，国内外主要应用的机械炉排式焚烧炉技术有德国的马丁、日本的日立造船、比利时的西格斯等。机械炉排式焚烧炉示意图如图4 所示。
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垃圾为不同组成的非均匀性混合物，其类型、数量和热值也有很大不同。为此，内衬耐火材料的理化性能应适应操作期间不同阶段的要求。垃圾焚烧炉的工作温度一般不超过1 200 ℃，但焚烧时产生的气体（如HCl、SO2、Cl2、CO 及碱金属气体等）对耐火材料的侵蚀较强。同时，垃圾在高温移动中对焚烧炉某些部位（如炉底、落料口及侧墙等）的磨损和热冲击较大。因而，要求焚烧炉用耐火材料具有以下特点：
1）高强度和良好的耐磨性，以抵抗固体物料的磨损和热气流的冲刷；2）良好的体积稳定性和耐腐蚀性，以抵抗炉内酸性物质的腐蚀；3）良好的抗热震性，以抵抗炉温的变化对材料的破坏；4）良好的抗CO 侵蚀能力，以避免因CO 侵蚀而引起炉衬崩裂；5）良好的高温强度和耐热、隔热性。
3 机械炉排炉耐火材料应用现状
机械炉排式垃圾焚烧炉分为干燥区、燃烧区和燃烬区，按照耐火材料的使用位置可以分为垃圾推料器进料口区、炉排侧墙、前拱、后拱、炉顶和排渣口。这些区域炉衬所受的温度、机械强度和气氛都不相同，需要根据各自的工况特点选用相应的耐火材料。
垃圾焚烧炉墙损毁形式主要包括热应力造成炉墙结构破坏以及垃圾对炉墙耐火材料的机械磨损、附着、渗透和侵蚀等。
3. 1 炉墙结构破坏
不同焚烧阶段，工艺温度差异较大，各段炉墙受热不均匀。其中，燃烧段是温度最高区域，主要是绝热炉墙和风冷炉墙两种结构，风冷炉墙的稳定性要明显好于绝热炉墙的。但是无论哪种结构，服役时间较长以后，均会出现鼓包凸起。图5（a）是绝热炉墙服役一段时间后炉墙明显鼓包照片，中心区域凸起高度达到200 mm 以上。图5（b）示出了炉墙服役过程中的风冷炉墙，残余风冷炉墙空气夹层厚度由设计的60 mm 扩展为120 mm。
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焚烧炉运行过程中炉墙受热，炉墙内、外温度存在差异。炉墙耐火砖模拟分析的温度分布云图如图6 所示，构成炉墙的碳化硅砖由内部到外部存在较大的温度梯度。工作面与非工作面温度的差异使耐火砖向火面产生的膨胀比背火面的大。同时，焚烧炉内不同燃烧区域炉墙温度分布不均，使炉墙在温度较高的部位膨胀量较大。由于炉墙受炉体尺寸的约束，使整个炉墙产生较大的内应力，温度越高的区域产生的内应力越大，这导致高温区炉墙有向炉内凸起、鼓包的趋势。炉墙鼓包、凸起还与超负荷运营、工艺温度控制、起停炉频次、操作水平以及炉墙设计有关。
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当炉墙变形向炉内凸起时，拉固砖对炉墙产生拉应力，起到稳定炉墙的作用。若拉固件变形、断裂，拉固力减弱，炉墙在这种热应力的持续作用下逐渐产生变形。不同区域炉墙向炉内凸起程度不同，严重部位可能发生坍塌。
3. 2 垃圾对耐火材料作用造成的损毁
生活垃圾的热值较低、成分复杂，在焚烧的过程中很容易产生积灰、磨损、腐蚀等问题，对焚烧炉的安全、稳定运行造成不利影响。城市生活垃圾的组成与城市化程度相关，越是经济发达的城市，城市垃圾中可燃物以及可堆腐物所占比例越高。我国的生活垃圾具有热值低、组分复杂等特点，在焚烧过程中存在很多影响设备运行的因素。焚烧炉内衬耐火材料的损毁首先是生活垃圾中的渣土和硬块对炉衬的机械磨损，其次是炉渣对耐火材料内衬的机械磨损、附着和侵蚀。垃圾焚烧炉的飞灰主要由K、Na、Al、Ca、Si 等组成的氧化物及氯化物构成。焚烧炉内衬耐火材料主要组成为Al2 O3、SiO2，焚烧炉内不同部位，炉渣对耐火材料的侵蚀损毁程度存在差异。
3. 2. 1 进料口、干燥段等部位的机械磨损
焚烧炉进料口、下料平台以及焚烧炉侧墙下部直接接触垃圾部位的机械磨损严重（见图7）。进料口、干燥段等直接接触垃圾部位的温度不超过1 000 ℃，普通矾土耐火浇注料耐磨性满足不了使用要求。
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3. 2. 2 前、后拱区飞灰附着结焦
垃圾在燃烧过程中形成了大量飞灰，其化学组成见表1。
熔融的飞灰与前后拱内衬耐火材料接触，并发生反应附着在前后拱部位。飞灰在炉墙上附着存在两个不同的过程：第一个沉积过程是初始沉积层的形成过程。初始沉积层为化学活性较高的碱金属类和碱土金属类硫酸盐构成的薄灰层，它由尺寸很小的灰颗粒组成。初始沉积层具有良好的隔热性能，它的形成使炉壁表面温度升高。第二个沉积过程是较大灰粒在惯性力作用下冲击到炉墙的初始沉积层上（惯性沉积），当初始沉积层具有黏性时，它可以捕获惯性力输运的灰颗粒，并使渣层厚度迅速增加。灰渣层的厚度通常是不均匀的，它除了主要与炉膛的结构、燃烧中心位置、空气动力特性、炉膛温度特性及垃圾的理化性质有关外，
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还与耐火材料组成有一定关系。如果飞灰清理不及时造成飞灰附着结焦过厚，炉墙耐火材料会在焦层重力的作用下发生变形坍塌，严重影响焚烧炉的安全运行。
3. 2. 3 二次燃烧区灰渣熔融及侵蚀
焚烧炉烟气出口是二次燃烧区，二次燃烧区内衬耐火材料的主要成分通常是Al2 O3 含量约为80％（w）的刚玉－莫来石浇注料，其主晶相为刚玉和莫来石。二次燃烧区富氧燃烧的烟气温度最高可达1 400℃，飞灰在这个区域熔融后形成熔渣附着在耐火材料表面，这些熔渣与耐火材料反应生成低熔点物。这些熔融态的低熔点物很容易被高速含尘烟气冲刷磨损，导致耐火材料逐层反应、侵蚀、减薄，以致使二次燃烧区钢板烧红而被迫停炉。导致二次燃烧区飞灰熔融并形成高温侵蚀的主要原因有：1）物料热值逐年升高引起炉温升高；2）与各焚烧炉二次燃烧区烟气出口设计尺寸有关，例如三峰马丁炉型二次燃烧区工况相对较好，巴高克炉型二次燃烧区设计缩口较小，飞灰熔融以及对耐火材料侵蚀严重；3）与运行工艺相关，部焚烧炉为了减少飞灰附着程度，减少停炉清灰次数，调整工艺使燃烧区后移，使得二次燃烧区温度场和流场均发生改变。
图8 是二次燃烧区用后刚玉－ 莫来石浇注料残衬照片以及各层的XRD 图谱。分析表明，反应层、渗透层形成了少量的长石类矿物相。在实际工况下，长石类矿物的熔点较低，高温是熔融状态，熔渣与耐火材料反应形成的低熔点物向熔渣中溶解，并逐渐被高速含尘烟气冲刷掉，最终导致内衬耐火材料被磨穿。
3. 2. 4 水冷壁耐火材料剥落
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焚烧炉余热发电锅炉水冷壁配置厚度70 ～ 110mm 耐火可塑料或者浇注料，使用后会出现销钉头端面以外的耐火材料分层并脱落，脱落区域附近有细小裂纹。根据图9 所示水冷炉壁应力模拟分析可知，高温条下，金属锚固件的热膨胀大于耐火材料的，在耐火材料与金属销钉界面应力最大区域，大量销钉共同作用使耐火材料产生分层，导致耐火材料脱落。
4 垃圾焚烧用耐火材料面临形势
我国目前有三百多个炉排式生活垃圾焚烧项目，约有一千多台焚烧炉且大小不一，炉型繁多。机械炉排炉耐火材料设计方案个性化问题突出，耐火砖型设计差异较大，多者达上百种砖型，而且无法交换使用，导致生产成本高，周期长。
我国垃圾产量增长，热值逐年升高，垃圾焚烧炉大型化势在必行，因此，新的炉排炉焚烧技术发展迅速。焚烧炉垃圾热值波动和处理能力增大，导致耐火材料使用过程中出现新的系列问题。近年来，新型炉排炉结构设计在不断创新，很多重型绝热焚烧炉设计逐渐由绝热炉膛至风冷炉墙再到水冷炉墙转变。目前，日处理850 t 大型水冷壁结构焚烧炉在垃圾热值较为稳定的南方地区陆续启动。新型大型化焚烧技术给耐火材料设计、产品研究以及施工技术提出了新的课题。
根据发改委印发的《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，垃圾焚烧在全国城镇生活垃圾处理方式中所占比例将由2015 年的31％ 提高至2020 年的54％ 。近年来，随着国家政策补贴和巨大市值利润的双重力量推动，让越来越多的市场力量开始聚集在垃圾焚烧发电行业中，进行着“能者割
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据”的产业竞争。这类情况下，很多企业往往在“跑马圈地”拿到项目后，在工程运营、污染排放等方面进行偷工减料，以降低成本，但最终导致项目的环境效益大打折扣，这其中也包括降低耐火材料设计和选材成本。2019 年3 月16 日，生态环境部公布了《生活垃圾焚烧发电厂自动监测数据用于环境管理的规定（试行）》，提出了要对垃圾焚烧企业的达标排放和高质量运营采取有力的监管举措。设计选材缺陷和环保管控压力，使得焚烧炉长周期稳定运行风险较高。
5 结语
垃圾焚烧炉的安全可靠运行在很大程度上取决于耐火材料质量的稳定、可靠，取决于耐火材料的合理设计、选材以及高效维护。目前，以铝矾土、黏土原料为主的耐火材料产品不能满足焚烧炉大型化和日益恶化的工况需要，焚烧炉用耐火材料的产品结构也逐渐发生了变化。同时，在国家环保管控日趋严厉的形势下，耐火材料行业面临前所未有的新机遇和新挑战。鉴于此，建议垃圾焚烧炉用耐火材料研究从以下几个方向发展：1）完善炉排式垃圾焚烧炉用耐火材料体系，合理设计炉墙结构，提高炉墙稳定性；2）开发焚烧炉关键部位耐火材料产品，解决垃圾磨损、飞灰附着、熔渣侵蚀以及剥落严重等问题；3）研究湿法喷涂、泵送等施工技术在焚烧炉上的应用，提高施工效率，同时提高不定形产品比例；4）研究焚烧炉用后废弃耐火材料再利用技术，实现资源循环利用。
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炉排式垃圾焚烧炉耐火材料应用现状 - 图文
