爐排式垃圾焚燒爐耐火材料應(yīng)用分析

王順利

（浙江嘉吉石化工程有限公司，浙江 湖州 310310）

由于我國(guó)的人口規(guī)模大，每天都會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾，但垃圾分類工作起步相對(duì)較晚，在很多方面都需要改進(jìn)。垃圾焚燒設(shè)備具有強(qiáng)大的處理能力，是推動(dòng)城市化建設(shè)不可缺少的環(huán)保設(shè)備。另外，由于我國(guó)垃圾焚燒與其他國(guó)家相比投入應(yīng)用的時(shí)間也較晚，所應(yīng)用的耐火材料都是從國(guó)外引進(jìn)的，所以需要相關(guān)人員加大對(duì)垃圾處理工作的重視程度，不斷提高垃圾處理的技術(shù)水平。

1 垃圾焚燒耐火材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

在城市生活垃圾處理中，焚燒的實(shí)際占比已經(jīng)從2015年的三成左右擴(kuò)大到2020年的五成，再加上財(cái)政補(bǔ)貼以及實(shí)際利潤(rùn)的推動(dòng)，使諸多市場(chǎng)資本投入到垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)爐排式垃圾焚燒項(xiàng)目多達(dá)三百余套，型號(hào)不一的焚燒爐更是多達(dá)千余臺(tái)。再加上，機(jī)械爐排式的耐火材料應(yīng)用，具有極為突出的個(gè)性化特點(diǎn)，超過百種的耐火磚型存在明顯的不同，無法兼容應(yīng)用，造成生產(chǎn)投入過多，周期較長(zhǎng)。而按照國(guó)內(nèi)垃圾產(chǎn)量的變化局勢(shì)，規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，熱值不斷提高，使焚燒爐的尺寸增大，因而使焚燒手段快速發(fā)展。隨著熱值波動(dòng)及處理水平的提高，使耐火材料的應(yīng)用產(chǎn)生很多問題。近年來，爐排式焚燒爐的結(jié)構(gòu)在持續(xù)更新，許多重型的絕熱焚燒爐從最初的絕熱爐膛，發(fā)展成風(fēng)冷爐墻?，F(xiàn)階段，日焚燒量達(dá)到850 t的水冷壁焚燒爐已經(jīng)在于南方地區(qū)應(yīng)用。

2 爐排式焚燒爐及其對(duì)耐火材料的要求

2.1 垃圾焚燒爐

目前，用于城市生活垃圾處理的焚燒爐，一般是機(jī)械爐排式，比較典型的爐型為馬丁爐排式，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及連續(xù)性的垃圾焚燒，主要構(gòu)成部分有給料裝置、爐排等。在垃圾處理過程中，需先經(jīng)過稱量，然后直接卸到儲(chǔ)坑內(nèi)。垃圾吊車先翻拌及混合坑內(nèi)的垃圾，并根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行分區(qū)堆棧發(fā)酵。其中，翻拌與混合處理是為了使各類垃圾分布更均勻，防止在焚燒爐內(nèi)產(chǎn)生差距過大的熱值，從而可以在源頭控制爐溫的變化。而堆棧發(fā)酵過程主要是對(duì)熱值小與水分含量大的垃圾進(jìn)行焚燒，此過程運(yùn)行的基本原理是：把垃圾中的水分析出，同時(shí)釋放出沼氣，這不僅可以提高垃圾的實(shí)際熱值，還能降低垃圾本身燃燒的難度。

垃圾經(jīng)過三日左右的發(fā)酵處理后，將其轉(zhuǎn)移至料斗處。料斗處設(shè)有料門，支持對(duì)點(diǎn)火起爐與熄火的控制。在料斗中不會(huì)存在垃圾堆積的情況，關(guān)上料門后，可將爐膛與外部空間隔開，以保持爐膛中的負(fù)壓條件?；谏郎厍€的變化，操作系統(tǒng)在確認(rèn)滿足垃圾投放條件時(shí)，立即打開料門，此時(shí)垃圾會(huì)沿著料槽進(jìn)入給料平臺(tái)，等料槽被垃圾充滿后，會(huì)自動(dòng)運(yùn)到爐排處。在翻送垃圾期間，受到燃燒器與爐風(fēng)形成的熱輻射影響，使垃圾中的水分不斷蒸發(fā)，能提高其的可燃性。與此同時(shí)，爐內(nèi)的溫度會(huì)穩(wěn)定提升，在達(dá)到600 ℃時(shí)，燃燒器會(huì)停止工作，此時(shí)焚燒垃圾的動(dòng)作屬于正常狀態(tài)。爐溫持續(xù)升高，能達(dá)到850 ℃左右。垃圾處于爐排內(nèi)，會(huì)經(jīng)過干燥、燃燒與燃盡三個(gè)處理階段。而垃圾燃燒主要涉及兩類，即完全燃燒及不可燃灰渣。其中，不可燃灰渣可利用滾筒轉(zhuǎn)移到出渣機(jī)。在該機(jī)器內(nèi)，長(zhǎng)期會(huì)保存適量的水，并通過水位的控制，起到水封的作用，因此具備維系爐內(nèi)負(fù)壓的功能。在出渣機(jī)內(nèi)，灰渣的溫度逐漸下降，轉(zhuǎn)移到專門的儲(chǔ)坑內(nèi)，經(jīng)過一系列的處理后，轉(zhuǎn)化成無害的灰渣。

2.2 對(duì)耐火材料的要求

焚燒生活垃圾屬于比較復(fù)雜的反應(yīng)過程，一般要經(jīng)過干燥、熱分解以及燃燒三個(gè)步驟。焚燒爐結(jié)構(gòu)包括爐排式、旋轉(zhuǎn)式等，本文所述的爐排式屬于目前的主流類型。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在技術(shù)完善、運(yùn)行可靠、產(chǎn)出的灰渣比較少、適應(yīng)性強(qiáng)，大多數(shù)固體垃圾在不采取預(yù)處理的狀態(tài)下，便能投入到爐中進(jìn)行焚燒。垃圾屬于不均勻混合物，構(gòu)成元素的類型及熱值等都有差異，因此，需要焚燒爐內(nèi)襯的耐火材料，在理化性能上可滿足各階段的運(yùn)行需要。垃圾焚燒爐運(yùn)行溫度通常在1200 ℃以內(nèi)，而實(shí)際焚燒中形成的不同成分的氣體，或多或少會(huì)侵蝕耐火材料。另外，垃圾焚燒期間，會(huì)在爐內(nèi)以高溫的狀態(tài)不斷移動(dòng)，這對(duì)底部與側(cè)墻等均會(huì)帶來磨損及熱沖擊。在此情況下，應(yīng)用到焚燒爐上的耐火材料應(yīng)滿足以下要求：其一，要有較好的強(qiáng)度及耐磨性能，抵御固體顆粒引發(fā)的磨損與氣流沖刷。其二，具有抗壓、抗折高，不易變形的物理性能，且整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，并且擁有抗腐蝕的能力，以抵御垃圾中的酸性成分對(duì)其腐蝕。其三，具有較好的抗熱震性，避免爐內(nèi)高溫?fù)p壞材料。其四，可以抵抗一氧化碳等氣體的侵蝕，防止因此出現(xiàn)內(nèi)襯崩裂的問題。其五，擁有耐高溫、耐熱及隔熱等性能，并研發(fā)和使用綜合性能優(yōu)越的耐火材料。

3 爐排式垃圾焚燒爐內(nèi)襯材料的應(yīng)用情況

由于城鎮(zhèn)生活垃圾的實(shí)際熱值不高，而且成分種類較多，所以焚燒期間可能會(huì)面臨積灰及磨損的情況，不利于焚燒爐的正常應(yīng)用。而爐內(nèi)襯的耐火材料受損，一般由是垃圾里的渣土與硬塊引起材料出現(xiàn)機(jī)械性損傷。爐渣也容易引起機(jī)械磨損，并伴有附著及侵蝕的問題。垃圾焚燒爐內(nèi)的飛灰通常是氧化物與氯化物，而內(nèi)襯材料通常是由氧化鋁及二氧化硅構(gòu)成，使內(nèi)襯材料會(huì)受到不同程度的侵蝕反應(yīng)。

3.1 基本應(yīng)用情況

焚燒爐中耐火材料的運(yùn)用一般分成兩類，即定型耐火制品以及不定形耐火材料。其中，前者一般是粘土磚、高鋁磚與碳化硅磚；后者有粘土質(zhì)與碳化硅質(zhì)的澆注料、高鋁質(zhì)的可塑料。目前，隨著相關(guān)研究的持續(xù)深入，由碳化硅質(zhì)的澆注料搭配磷酸鹽形成的耐火材料，在耐磨損方面具有良好的表現(xiàn)，因此在實(shí)際垃圾焚燒項(xiàng)目中，該種材料的用量持續(xù)增加。而不定形的耐火材料，具有優(yōu)異的施工性能，可根據(jù)焚燒爐的具體使用條件篩選出更合適的品種。比如，機(jī)械爐排式的焚燒爐，不同部分使的用耐火材料是有區(qū)別的。投料位置的溫度一般在550 ℃上下。由于垃圾會(huì)對(duì)材料表面造成沖擊磨損，再加上垃圾內(nèi)攜帶一定量的水分，因此容易發(fā)生熱剝離的情況。因此，該區(qū)域工作層使用的材料需具有更好的強(qiáng)度，同時(shí)具備抗熱震性。在非向火面，需使用隔熱效果好的澆注料。在爐排處的墻體，實(shí)際承受的溫度通常會(huì)超過800 ℃，而且垃圾也會(huì)引起磨損，因此確定此區(qū)域第一層的耐火材料應(yīng)具備耐磨損性、耐高溫?zé)煔馇治g性，其他基層可選擇導(dǎo)熱系數(shù)偏小的材料。在爐膛的前后拱與墻體等區(qū)域，由于會(huì)接觸到高溫?zé)煔?，容易發(fā)生化學(xué)侵蝕的情況，應(yīng)選擇剛玉材料；在落灰斗區(qū)域，實(shí)際溫度相對(duì)不高，基本維持在450 ℃上下，但會(huì)因?yàn)槔贌臍堄辔镔|(zhì)發(fā)生磨損，因此應(yīng)選擇強(qiáng)度較大的材料。

3.2 墻體結(jié)構(gòu)受損

在各個(gè)焚燒混合集中區(qū)域，溫度值會(huì)有明顯區(qū)別，而且墻體受熱不均。燃燒段屬于溫度最高的位置，一般有絕熱爐墻與風(fēng)冷爐墻，并且后者的穩(wěn)定性更高。但不管是何種墻體結(jié)構(gòu)，使用一段時(shí)間后都會(huì)發(fā)生鼓包凸起的情況。而造成該種情況的原因?yàn)楣ぷ髅婧头枪ぷ髅嬷g的溫差較大，導(dǎo)致膨脹系數(shù)不同，加之爐內(nèi)各區(qū)域的受熱情況有差異，造成應(yīng)力不均，從而引發(fā)鼓包凸起的問題。

3.3 垃圾造成的損傷

3.3.1 機(jī)械損傷

機(jī)械損傷通常出現(xiàn)在進(jìn)料與下料、能接觸到垃圾的側(cè)墻。正常情況下，在進(jìn)料位置以及干燥區(qū)域等，與垃圾有接觸的部分，工作溫度需在1000 ℃以下，而常規(guī)礬土材料的耐磨能力無法達(dá)到應(yīng)用需要。

3.3.2 附著結(jié)焦

在垃圾燃燒期間，會(huì)產(chǎn)生諸多飛灰，而且其化學(xué)成分也比較復(fù)雜。熔融飛灰和內(nèi)襯材料相互接觸后，會(huì)直接附著于前后拱的區(qū)域。整個(gè)附著過程會(huì)有兩種表現(xiàn)形式。其一，沉積過程是從初始的沉積層開始，而該沉積層的成分是堿金屬以及硫酸鹽，形成的薄灰層本身化學(xué)活性較明顯，顆粒規(guī)格極小。此沉積層的隔熱效果較佳，其產(chǎn)生后能提高爐壁表層的溫度。其二，沉積是由顆粒尺寸較大的飛灰受到慣性的影響，直接沖到墻體上，也就是慣性沉積。在初始沉積層存在黏性的情況下，能使被慣性運(yùn)輸?shù)念w粒附著在表面，使渣層逐漸加厚。由此形成的灰渣層，局部厚度不勻稱，造成此情況的原因，不僅和爐膛結(jié)構(gòu)，燃燒點(diǎn)、膛內(nèi)溫度、垃圾理化性能等有關(guān)，還受到耐火材料的影響。假設(shè)飛灰未被及時(shí)清除，會(huì)導(dǎo)致附著結(jié)焦層太厚，耐火材料則因?yàn)榻箤幼灾氐挠绊懀霈F(xiàn)變形坍塌的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅焚燒爐工作的安全性[1]。

3.3.3 灰渣熔融

焚燒爐煙氣出口位置，屬于二次燃燒區(qū)，該部分的內(nèi)襯材料一般是由氧化鋁含量在80%左右的剛玉與莫來石混合配制。在此區(qū)域的煙氣能達(dá)到1100～1300 ℃左右的高溫，飛灰通過此位置會(huì)發(fā)生熔融，而后產(chǎn)生熔渣直接附著于材料表層，二者發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的物質(zhì)，熔點(diǎn)極低。而此類低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)直接被帶有灰塵的煙氣不斷沖刷，造成耐火材料的表面始終暴露在外，出現(xiàn)逐層侵蝕的情況，最終使此區(qū)域的鋼板溫度過高，呈現(xiàn)燒紅的狀態(tài)，不得不停爐降溫。而造成此區(qū)域灰渣熔融，出現(xiàn)高溫侵蝕問題的原因?yàn)椋何锪媳旧淼臒嶂挡粩嗵岣?，使焚燒爐溫度持續(xù)上升；與焚燒爐本身二次燃燒區(qū)域的實(shí)際規(guī)格有一定關(guān)系，如果此區(qū)域的口徑偏小，會(huì)加劇侵蝕問題；與采用的運(yùn)行技術(shù)有關(guān)，有的焚燒爐會(huì)為了抑制飛灰的附著，降低清灰的頻率、改變工藝技術(shù)、調(diào)整燃燒區(qū)的位置，使溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的數(shù)值改變。根據(jù)相關(guān)分析，現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中，長(zhǎng)石類的礦物，熔點(diǎn)普遍不高，而且高溫處于熔融的狀態(tài)中，熔渣和材料發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的低熔點(diǎn)物質(zhì)會(huì)直接被溶解，且不斷被沖刷，使耐火材料逐漸變薄，出現(xiàn)磨穿的情況。

3.3.4 材料剝落

余熱發(fā)電鍋爐的水冷壁使用耐火材料，厚度大約在70～100 mm，應(yīng)用后容易發(fā)生分層及脫落的情況，同時(shí)伴有細(xì)微的裂紋。在高溫環(huán)境中，金屬材質(zhì)的錨固件，熱膨脹表現(xiàn)比耐火材料強(qiáng)烈。由此導(dǎo)致在耐火材料和金屬銷釘之間形成應(yīng)力較大的接觸面，前者會(huì)在后者的作用下逐漸分層，并出現(xiàn)脫落的情況。

4 爐排式垃圾焚燒爐耐火磚的應(yīng)用探討

本文以耐火磚為例，分析爐排式焚燒爐上耐火材料的使用。在此類焚燒爐中，工作區(qū)域的耐火磚一般集中在標(biāo)準(zhǔn)磚、拉固磚與專用磚三類。按照焚燒爐中此類耐火材料的實(shí)際應(yīng)用，在爐排式焚燒爐中，這三種型號(hào)的磚均可應(yīng)用，在豎直墻處可使用標(biāo)準(zhǔn)磚與拉固磚。另外，鑲嵌結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷爐墻，是裝配對(duì)應(yīng)形式的空冷磚。而在爐排式焚燒爐的框架起腳處，應(yīng)用起腳磚。

4.1 耐火磚

4.1.1 標(biāo)準(zhǔn)磚

此類耐火磚是一種表面有凹凸的直型磚，可細(xì)分為主體磚及錯(cuò)縫調(diào)節(jié)磚、堵頭磚。在砌筑爐襯中，會(huì)用到大量的主體磚，而錯(cuò)縫調(diào)節(jié)磚是負(fù)責(zé)優(yōu)化磚縫的方磚，另一種堵頭磚可進(jìn)行封堵處理。按照相關(guān)資料顯示，不同類型的耐火磚，其尺寸也會(huì)有差異。方磚根據(jù)長(zhǎng)度能分成兩個(gè)類型，一是長(zhǎng)度為230 mm，半磚的尺寸是114 mm，而半磚是在砌筑中，進(jìn)行錯(cuò)縫處理；二是根據(jù)砌筑任務(wù)、實(shí)際工作襯的厚度尺寸分出多個(gè)規(guī)格的磚型，以滿足多種高容量焚燒爐的磚墻要求。與常規(guī)的直型磚相較，經(jīng)過尺寸上的優(yōu)化調(diào)整，可擁有幾項(xiàng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。具體來說，一方面，表面凹凸結(jié)構(gòu)，可強(qiáng)化爐墻本身的錨固水平，有效消除內(nèi)部垃圾擠壓差造成的墻體滑移問題，并可預(yù)防由于高溫?zé)釕?yīng)力，使墻體發(fā)生鼓包及倒塌的情況出現(xiàn)。另一方面，此種方磚在利用高溫膠泥處理后，具有較強(qiáng)的密封性，能避免爐中焚燒產(chǎn)生的煙氣，并透過磚縫排出。

4.1.2 拉固磚

該種耐火磚主要應(yīng)用在拉固立墻，外觀屬于異形磚的一種，將凹凸部分嵌入方磚上，其尾部設(shè)有拉固槽，利用金屬錨固件安裝在鋼架構(gòu)上，并且拉固磚的厚度也有不同的尺寸，如170 mm、260 mm等。與常規(guī)拉固磚對(duì)比，由于其帶有凹凸結(jié)構(gòu)，和上文中的方磚有相同的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。另外，增設(shè)拉固件可強(qiáng)化拉固性能，由利于現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)，從而有效避免拉固件被爐內(nèi)煙氣腐蝕。

4.1.3 起腳磚

起腳磚安裝在側(cè)墻和爐排框架的起腳處，其下表面會(huì)與框架完美連接，而上表面設(shè)有凹凸槽，并且左右兩個(gè)面上都設(shè)置了用于拉固的孔洞，能直接從外端將磚塊安裝在爐殼上。兩個(gè)側(cè)墻應(yīng)用的起腳磚是完全對(duì)稱的狀態(tài)，上方是固定的卯榫，目前比較常見的爐排結(jié)構(gòu)，分成15°、21°和25°三種，在砌筑中可選擇不同厚度的起腳磚。

4.2 應(yīng)用實(shí)踐

按照功能需求分析耐火磚的類型及規(guī)格，有利于使?fàn)t排式焚燒爐的耐火磚更加規(guī)范化。事實(shí)上，焚燒爐的爐墻能分成多個(gè)構(gòu)成單元，而各單元之間屬于相互獨(dú)立且連接的關(guān)系。應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)，比較符合當(dāng)前爐排式焚燒爐項(xiàng)目的建設(shè)及檢修，操作簡(jiǎn)單，有明顯的通用性優(yōu)勢(shì)。比如，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)目與砌筑處理方法，使主體磚及調(diào)節(jié)磚等構(gòu)成兩層的爐墻單元。目前，磚型調(diào)整以及模塊化設(shè)計(jì)的方式，已經(jīng)有應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間。而此種耐火材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)、檢修時(shí)間短，還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）多層的拉固形式可提高拉固力，切實(shí)克服爐墻因?yàn)槭軣岢霈F(xiàn)鼓包的現(xiàn)象，可提高墻體的穩(wěn)定性。例如，某垃圾發(fā)電工程中，運(yùn)用爐排式的焚燒爐，日處理量是1000 t。原的爐墻中會(huì)用到七十多種磚型，曾由于焚燒區(qū)的墻體鼓包而停工檢修。在運(yùn)用上述磚型以及模塊化調(diào)整后，磚型僅有五種，并且多層的拉固架構(gòu)也比較穩(wěn)定，使?fàn)t墻應(yīng)用年限延長(zhǎng)四年左右。

（2）在模塊化的墻體結(jié)構(gòu)中，爐墻的每個(gè)部分均能實(shí)現(xiàn)封閉獨(dú)立，因此，能在溫度較高的位置加設(shè)風(fēng)冷爐墻。此種結(jié)構(gòu)可使?fàn)t墻承受的溫度有所下降，有利于提升結(jié)構(gòu)的可靠性并延長(zhǎng)耐火材料的應(yīng)用年限。在此結(jié)構(gòu)下，高溫爐墻可借助冷風(fēng)，控制實(shí)際溫度，部分熱量可被氣流帶走。通?？僧a(chǎn)生170～200℃的熱風(fēng)，不僅能引到焚燒爐中作為助燃風(fēng)，還能排到爐外，用作二次風(fēng)。比如，某垃圾發(fā)電工程，其爐排式的焚燒爐，最初設(shè)計(jì)用260種磚型，通過優(yōu)化調(diào)整后，實(shí)際應(yīng)用磚型僅有13種。另外，高溫區(qū)選擇風(fēng)冷結(jié)構(gòu)可有效控制材料表層的溫度，這對(duì)于保障墻體穩(wěn)定有重要作用。同時(shí)，還可控制墻體表面飛灰的吸附量，使停爐清理從每月一次變成每四個(gè)月一次，減輕勞動(dòng)壓力，提升了焚燒爐的工作效率[2]。

5 結(jié)語

焚燒爐的工作狀態(tài)受耐火材料的影響較大。結(jié)合相關(guān)分析，未來對(duì)于耐火材料的開發(fā)及研究應(yīng)從爐墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化、焚燒爐個(gè)別位置的特殊處理等方面著手，以提高焚燒爐的可用性。