炉排式垃圾焚烧炉耐火材料

由于我国的人口规模大，每天都会产生大量的垃圾，但垃圾分类工作起步相对较晚，在很多方面都需要改进。垃圾焚烧设备具有强大的处理能力，是推动城市化建设不可缺少的环保设备。另外，由于我国垃圾焚烧与其他国家相比投入应用的时间也较晚，所应用的耐火材料都是从国外引进的，所以需要相关人员加大对垃圾处理工作的重视程度，不断提高垃圾处理的技术水平。

1 垃圾焚烧耐火材料的应用现状

在城市生活垃圾处理中，焚烧的实际占比已经从2015年的三成左右扩大到2020年的五成，再加上财政补贴以及实际利润的推动，使诸多市场资本投入到垃圾焚烧发电行业。现如今，国内炉排式垃圾焚烧项目多达三百余套，型号不一的焚烧炉更是多达千余台。再加上，机械炉排式的耐火材料应用，具有极为突出的个性化特点，超过百种的耐火砖型存在明显的不同，无法兼容应用，造成生产投入过多，周期较长。而按照国内垃圾产量的变化局势，规模持续扩大，热值不断提高，使焚烧炉的尺寸增大，因而使焚烧手段快速发展。随着热值波动及处理水平的提高，使耐火材料的应用产生很多问题。近年来，炉排式焚烧炉的结构在持续更新，许多重型的绝热焚烧炉从最初的绝热炉膛，发展成风冷炉墙。现阶段，日焚烧量达到850 t的水冷壁焚烧炉已经在于南方地区应用。

2 炉排式焚烧炉及其对耐火材料的要求

2.1 垃圾焚烧炉

目前，用于城市生活垃圾处理的焚烧炉，一般是机械炉排式，比较典型的炉型为马丁炉排式，能实现自动化及连续性的垃圾焚烧，主要构成部分有给料装置、炉排等。在垃圾处理过程中，需先经过称量，然后直接卸到储坑内。垃圾吊车先翻拌及混合坑内的垃圾，并根据设定的程序进行分区堆栈发酵。其中，翻拌与混合处理是为了使各类垃圾分布更均匀，防止在焚烧炉内产生差距过大的热值，从而可以在源头控制炉温的变化。而堆栈发酵过程主要是对热值小与水分含量大的垃圾进行焚烧，此过程运行的基本原理是：把垃圾中的水分析出，同时释放出沼气，这不仅可以提高垃圾的实际热值，还能降低垃圾本身燃烧的难度。

垃圾经过三日左右的发酵处理后，将其转移至料斗处。料斗处设有料门，支持对点火起炉与熄火的控制。在料斗中不会存在垃圾堆积的情况，关上料门后，可将炉膛与外部空间隔开，以保持炉膛中的负压条件。基于升温曲线的变化，操作系统在确认满足垃圾投放条件时，立即打开料门，此时垃圾会沿着料槽进入给料平台，等料槽被垃圾充满后，会自动运到炉排处。在翻送垃圾期间，受到燃烧器与炉风形成的热辐射影响，使垃圾中的水分不断蒸发，能提高其的可燃性。与此同时，炉内的温度会稳定提升，在达到600℃时，燃烧器会停止工作，此时焚烧垃圾的动作属于正常状态。炉温持续升高，能达到850℃左右。垃圾处于炉排内，会经过干燥、燃烧与燃尽三个处理阶段。而垃圾燃烧主要涉及两类，即完全燃烧及不可燃灰渣。其中，不可燃灰渣可利用滚筒转移到出渣机。在该机器内，长期会保存适量的水，并通过水位的控制，起到水封的作用，因此具备维系炉内负压的功能。在出渣机内，灰渣的温度逐渐下降，转移到专门的储坑内，经过一系列的处理后，转化成无害的灰渣。

2.2 对耐火材料的要求

焚烧生活垃圾属于比较复杂的反应过程，一般要经过干燥、热分解以及燃烧三个步骤。焚烧炉结构包括炉排式、旋转式等，本文所述的炉排式属于目前的主流类型。其应用优势体现在技术完善、运行可靠、产出的灰渣比较少、适应性强，大多数固体垃圾在不采取预处理的状态下，便能投入到炉中进行焚烧。垃圾属于不均匀混合物，构成元素的类型及热值等都有差异，因此，需要焚烧炉内衬的耐火材料，在理化性能上可满足各阶段的运行需要。垃圾焚烧炉运行温度通常在1 200℃以内，而实际焚烧中形成的不同成分的气体，或多或少会侵蚀耐火材料。另外，垃圾焚烧期间，会在炉内以高温的状态不断移动，这对底部与侧墙等均会带来磨损及热冲击。在此情况下，应用到焚烧炉上的耐火材料应满足以下要求：其一，要有较好的强度及耐磨性能，抵御固体颗粒引发的磨损与气流冲刷。其二，具有抗压、抗折高，不易变形的物理性能，且整体结构的稳定性较好，并且拥有抗腐蚀的能力，以抵御垃圾中的酸性成分对其腐蚀。其三，具有较好的抗热震性，避免炉内高温损坏材料。其四，可以抵抗一氧化碳等气体的侵蚀，防止因此出现内衬崩裂的问题。其五，拥有耐高温、耐热及隔热等性能，并研发和使用综合性能优越的耐火材料。

3 炉排式垃圾焚烧炉内衬材料的应用情况

由于城镇生活垃圾的实际热值不高，而且成分种类较多，所以焚烧期间可能会面临积灰及磨损的情况，不利于焚烧炉的正常应用。而炉内衬的耐火材料受损，一般由是垃圾里的渣土与硬块引起材料出现机械性损伤。炉渣也容易引起机械磨损，并伴有附着及侵蚀的问题。垃圾焚烧炉内的飞灰通常是氧化物与氯化物，而内衬材料通常是由氧化铝及二氧化硅构成，使内衬材料会受到不同程度的侵蚀反应。

3.1 基本应用情况

焚烧炉中耐火材料的运用一般分成两类，即定型耐火制品以及不定形耐火材料。其中，前者一般是粘土砖、高铝砖与碳化硅砖；后者有粘土质与碳化硅质的浇注料、高铝质的可塑料。目前，随着相关研究的持续深入，由碳化硅质的浇注料搭配磷酸盐形成的耐火材料，在耐磨损方面具有良好的表现，因此在实际垃圾焚烧项目中，该种材料的用量持续增加。而不定形的耐火材料，具有优异的施工性能，可根据焚烧炉的具体使用条件筛选出更合适的品种。比如，机械炉排式的焚烧炉，不同部分使的用耐火材料是有区别的。投料位置的温度一般在550℃上下。由于垃圾会对材料表面造成冲击磨损，再加上垃圾内携带一定量的水分，因此容易发生热剥离的情况。因此，该区域工作层使用的材料需具有更好的强度，同时具备抗热震性。在非向火面，需使用隔热效果好的浇注料。在炉排处的墙体，实际承受的温度通常会超过800℃，而且垃圾也会引起磨损，因此确定此区域第一层的耐火材料应具备耐磨损性、耐高温烟气侵蚀性，其他基层可选择导热系数偏小的材料。在炉膛的前后拱与墙体等区域，由于会接触到高温烟气，容易发生化学侵蚀的情况，应选择刚玉材料；在落灰斗区域，实际温度相对不高，基本维持在450℃上下，但会因为垃圾焚烧的残余物质发生磨损，因此应选择强度较大的材料。

3.2 墙体结构受损

在各个焚烧混合集中区域，温度值会有明显区别，而且墙体受热不均。燃烧段属于温度最高的位置，一般有绝热炉墙与风冷炉墙，并且后者的稳定性更高。但不管是何种墙体结构，使用一段时间后都会发生鼓包凸起的情况。而造成该种情况的原因为工作面和非工作面之间的温差较大，导致膨胀系数不同，加之炉内各区域的受热情况有差异，造成应力不均，从而引发鼓包凸起的问题。

3.3 垃圾造成的损伤

3.3.1 机械损伤

机械损伤通常出现在进料与下料、能接触到垃圾的侧墙。正常情况下，在进料位置以及干燥区域等，与垃圾有接触的部分，工作温度需在1 000℃以下，而常规矾土材料的耐磨能力无法达到应用需要。

3.3.2 附着结焦

在垃圾燃烧期间，会产生诸多飞灰，而且其化学成分也比较复杂。熔融飞灰和内衬材料相互接触后，会直接附着于前后拱的区域。整个附着过程会有两种表现形式。其一，沉积过程是从初始的沉积层开始，而该沉积层的成分是碱金属以及硫酸盐，形成的薄灰层本身化学活性较明显，颗粒规格极小。此沉积层的隔热效果较佳，其产生后能提高炉壁表层的温度。其二，沉积是由颗粒尺寸较大的飞灰受到惯性的影响，直接冲到墙体上，也就是惯性沉积。在初始沉积层存在黏性的情况下，能使被惯性运输的颗粒附着在表面，使渣层逐渐加厚。由此形成的灰渣层，局部厚度不匀称，造成此情况的原因，不仅和炉膛结构，燃烧点、膛内温度、垃圾理化性能等有关，还受到耐火材料的影响。假设飞灰未被及时清除，会导致附着结焦层太厚，耐火材料则因为焦层自重的影响，出现变形坍塌的情况，严重时会威胁焚烧炉工作的安全性[1]。

3.3.3 灰渣熔融

焚烧炉烟气出口位置，属于二次燃烧区，该部分的内衬材料一般是由氧化铝含量在80%左右的刚玉与莫来石混合配制。在此区域的烟气能达到1 100～1 300℃左右的高温，飞灰通过此位置会发生熔融，而后产生熔渣直接附着于材料表层，二者发生反应后产生的物质，熔点极低。而此类低熔点物质会直接被带有灰尘的烟气不断冲刷，造成耐火材料的表面始终暴露在外，出现逐层侵蚀的情况，最终使此区域的钢板温度过高，呈现烧红的状态，不得不停炉降温。而造成此区域灰渣熔融，出现高温侵蚀问题的原因为：物料本身的热值不断提高，使焚烧炉温度持续上升；与焚烧炉本身二次燃烧区域的实际规格有一定关系，如果此区域的口径偏小，会加剧侵蚀问题；与采用的运行技术有关，有的焚烧炉会为了抑制飞灰的附着，降低清灰的频率、改变工艺技术、调整燃烧区的位置，使温度场与流场的数值改变。根据相关分析，现实运行中，长石类的矿物，熔点普遍不高，而且高温处于熔融的状态中，熔渣和材料发生反应后产生的低熔点物质会直接被溶解，且不断被冲刷，使耐火材料逐渐变薄，出现磨穿的情况。

3.3.4 材料剥落

余热发电锅炉的水冷壁使用耐火材料，厚度大约在70～100 mm，应用后容易发生分层及脱落的情况，同时伴有细微的裂纹。在高温环境中，金属材质的锚固件，热膨胀表现比耐火材料强烈。由此导致在耐火材料和金属销钉之间形成应力较大的接触面，前者会在后者的作用下逐渐分层，并出现脱落的情况。

4 炉排式垃圾焚烧炉耐火砖的应用探讨

本文以耐火砖为例，分析炉排式焚烧炉上耐火材料的使用。在此类焚烧炉中，工作区域的耐火砖一般集中在标准砖、拉固砖与专用砖三类。按照焚烧炉中此类耐火材料的实际应用，在炉排式焚烧炉中，这三种型号的砖均可应用，在竖直墙处可使用标准砖与拉固砖。另外，镶嵌结构的风冷炉墙，是装配对应形式的空冷砖。而在炉排式焚烧炉的框架起脚处，应用起脚砖。

4.1 耐火砖

4.1.1 标准砖

此类耐火砖是一种表面有凹凸的直型砖，可细分为主体砖及错缝调节砖、堵头砖。在砌筑炉衬中，会用到大量的主体砖，而错缝调节砖是负责优化砖缝的方砖，另一种堵头砖可进行封堵处理。按照相关资料显示，不同类型的耐火砖，其尺寸也会有差异。方砖根据长度能分成两个类型，一是长度为230 mm，半砖的尺寸是114 mm，而半砖是在砌筑中，进行错缝处理；二是根据砌筑任务、实际工作衬的厚度尺寸分出多个规格的砖型，以满足多种高容量焚烧炉的砖墙要求。与常规的直型砖相较，经过尺寸上的优化调整，可拥有几项应用优势。具体来说，一方面，表面凹凸结构，可强化炉墙本身的锚固水平，有效消除内部垃圾挤压差造成的墙体滑移问题，并可预防由于高温热应力，使墙体发生鼓包及倒塌的情况出现。另一方面，此种方砖在利用高温胶泥处理后，具有较强的密封性，能避免炉中焚烧产生的烟气，并透过砖缝排出。

4.1.2 拉固砖

该种耐火砖主要应用在拉固立墙，外观属于异形砖的一种，将凹凸部分嵌入方砖上，其尾部设有拉固槽，利用金属锚固件安装在钢架构上，并且拉固砖的厚度也有不同的尺寸，如170 mm、260 mm等。与常规拉固砖对比，由于其带有凹凸结构，和上文中的方砖有相同的应用优势。另外，增设拉固件可强化拉固性能，由利于现场安设，从而有效避免拉固件被炉内烟气腐蚀。

4.1.3 起脚砖

起脚砖安装在侧墙和炉排框架的起脚处，其下表面会与框架完美连接，而上表面设有凹凸槽，并且左右两个面上都设置了用于拉固的孔洞，能直接从外端将砖块安装在炉壳上。两个侧墙应用的起脚砖是完全对称的状态，上方是固定的卯榫，目前比较常见的炉排结构，分成15°、21°和25°三种，在砌筑中可选择不同厚度的起脚砖。

4.2 应用实践

按照功能需求分析耐火砖的类型及规格，有利于使炉排式焚烧炉的耐火砖更加规范化。事实上，焚烧炉的炉墙能分成多个构成单元，而各单元之间属于相互独立且连接的关系。应用模块化的设计，比较符合当前炉排式焚烧炉项目的建设及检修，操作简单，有明显的通用性优势。比如，根据设计数目与砌筑处理方法，使主体砖及调节砖等构成两层的炉墙单元。目前，砖型调整以及模块化设计的方式，已经有应用了很长时间。而此种耐火材料的应用优势不仅体现在生产、检修时间短，还具有以下优势：

(1）多层的拉固形式可提高拉固力，切实克服炉墙因为受热出现鼓包的现象，可提高墙体的稳定性。例如，某垃圾发电工程中，运用炉排式的焚烧炉，日处理量是1 000 t。原的炉墙中会用到七十多种砖型，曾由于焚烧区的墙体鼓包而停工检修。在运用上述砖型以及模块化调整后，砖型仅有五种，并且多层的拉固架构也比较稳定，使炉墙应用年限延长四年左右。

(2）在模块化的墙体结构中，炉墙的每个部分均能实现封闭独立，因此，能在温度较高的位置加设风冷炉墙。此种结构可使炉墙承受的温度有所下降，有利于提升结构的可靠性并延长耐火材料的应用年限。在此结构下，高温炉墙可借助冷风，控制实际温度，部分热量可被气流带走。通常可产生170～200℃的热风，不仅能引到焚烧炉中作为助燃风，还能排到炉外，用作二次风。比如，某垃圾发电工程，其炉排式的焚烧炉，最初设计用260种砖型，通过优化调整后，实际应用砖型仅有13种。另外，高温区选择风冷结构可有效控制材料表层的温度，这对于保障墙体稳定有重要作用。同时，还可控制墙体表面飞灰的吸附量，使停炉清理从每月一次变成每四个月一次，减轻劳动压力，提升了焚烧炉的工作效率[2]。

5 结语

焚烧炉的工作状态受耐火材料的影响较大。结合相关分析，未来对于耐火材料的开发及研究应从炉墙结构优化、焚烧炉个别位置的特殊处理等方面着手，以提高焚烧炉的可用性。#耐火材料#