國內爐排式垃圾焚燒爐耐火材料應用現狀

國內人口眾多，每天產生大量的生活垃圾，且與國外發達國家相比，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慣不同差異較大，而且隨著人民生活水平提高和城市化進程加快，垃圾的組分也逐年發生改變。我國垃圾焚燒行業較國外起步晚，內襯耐火材料設計主要以引進、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係。目前，我國垃圾焚燒爐因為內襯隔熱、耐磨、耐侵蝕材料的選用不當頻繁造成停爐事故，嚴重影響了垃圾焚燒爐的運轉率，造成了大量垃圾堆積，引起了一係列社會和民生問題。

1.城市生活垃圾無害化處理現狀

城市垃圾的無害化、減容化已成為政府和公眾非常關心的問題。隨著我國經濟的迅速發展和人口不斷向城市集中，城市化進程加快且數量和規模不斷擴大，城市生活垃圾總量持續增多。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）。

2.氧化鋅揮發窯用於對鋅浸出渣的處理

揮發回轉窯工藝在我公司是新工藝、新設備，其特點是設備大、設備處理能力大、自動化程度高、產品質量較穩定，但總體投資大。係統除部分控製儀表外，全部采用國產設備。揮發窯係統中大量使用自動或半自動控製，在節約投資的前提下，大大減少了操作工勞動強度。整個係統是目前國內先進的揮發窯處理鋅浸出渣係統。



隨著人們生活水平的提高，生活垃圾的熱值逐漸加大。傳統填埋和堆肥處理方式的減容、減量效果差，已不能適應需要；而焚燒法則由於其減容、減量大的優點得到了迅速發展。近年來我國城市垃圾的處理方式由起初的衛生填埋法逐漸轉變為焚燒法，其所占比例逐年增加（見圖2）。

垃圾處理的主流技術，在經濟比較發達的城市，垃圾焚燒廠較多，垃圾焚燒發電在我國進入了快速發展階段。如圖3 所示，截至2019 年2 月，我國（不包含港、澳、台地區）在運行的生活垃圾焚燒廠數量已達到418座，還有167 座正在建設，其中，機械爐排爐占80％以上。


2.機械爐排爐技術特點及對耐火材料要求

生活垃圾焚燒是十分複雜的物理化學反應過程，通常可將焚燒過程分為幹燥、熱分解、燃燒3 個階段。焚燒爐型可分為機械爐排式、流化床式、旋轉式，其中，機械爐排式焚燒爐是大型垃圾焚燒爐的主流設備。該類爐型的優勢在於技術成熟，運行穩定，產生的灰渣量相對少，爐渣熱灼減率低，適應性廣，絕大部分固體垃圾不需要任何預處理可直接進爐燃燒。目前，國內外主要應用的機械爐排式焚燒爐技術有德國的馬丁、日本的日立造船、比利時的西格斯等。機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、數量和熱值也有很大不同。為此，內襯耐火材料的理化性能應適應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 ℃，但焚燒時產生的氣體（如HCl、SO2、Cl2、CO 及堿金屬氣體等）對耐火材料的侵蝕較強。同時，垃圾在高溫移動中對焚燒爐某些部位（如爐底、落料口及側牆等）的磨損和熱衝擊較大。因而，要求焚燒爐用耐火材料具有以下特點：

1）高強度和良好的耐磨性，以抵抗固體物料的磨損和熱氣流的衝刷；2）良好的體積穩定性和耐腐蝕性，以抵抗爐內酸性物質的腐蝕；3）良好的抗熱震性，以抵抗爐溫的變化對材料的破壞；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）良好的高溫強度和耐熱、隔熱性。

3.機械爐排爐耐火材料應用現狀

機械爐排式垃圾焚燒爐分為幹燥區、燃燒區和燃燼區，按照耐火材料的使用位置可以分為垃圾推料器進料口區、爐排側牆、前拱、後拱、爐頂和排渣口。這些區域爐襯所受的溫度、機械強度和氣氛都不相同，需要根據各自的工況特點選用相應的耐火材料。

垃圾焚燒爐牆損毀形式主要包括熱應力造成爐牆結構破壞以及垃圾對爐牆耐火材料的機械磨損、附著、滲透和侵蝕等。

3.1 爐牆結構破壞

不同焚燒階段，工藝溫度差異較大，各段爐牆受熱不均勻。其中，燃燒段是溫度較高區域，主要是絕熱爐牆和風冷爐牆兩種結構，風冷爐牆的穩定性要明顯好於絕熱爐牆的。但是無論哪種結構，服役時間較長以後，均會出現鼓包凸起。圖5（a）是絕熱爐牆服役一段時間後爐牆明顯鼓包照片，中心區域凸起高度達到200 mm 以上。圖5（b）示出了爐牆服役過程中的風冷爐牆，殘餘風冷爐牆空氣夾層厚度由設計的60 mm 擴展為120 mm。


焚燒爐運行過程中爐牆受熱，爐牆內、外溫度存在差異。爐牆耐火磚模擬分析的溫度分布雲圖如圖6 所示，構成爐牆的碳化矽磚由內部到外部存在較大的溫度梯度。工作麵與非工作麵溫度的差異使耐火磚向火麵產生的膨脹比背火麵的大。同時，焚燒爐內不同燃燒區域爐牆溫度分布不均，使爐牆在溫度較高的部位膨脹量較大。由於爐牆受爐體尺寸的約束，使整個爐牆產生較大的內應力，溫度越高的區域產生的內應力越大，這導致高溫區爐牆有向爐內凸起、鼓包的趨勢。爐牆鼓包、凸起還與超負荷運營、工藝溫度控製、起停爐頻次、操作水平以及爐牆設計有關。


當爐牆變形向爐內凸起時，拉固磚對爐牆產生拉應力，起到穩定爐牆的作用。若拉固件變形、斷裂，拉固力減弱，爐牆在這種熱應力的持續作用下逐漸產生變形。不同區域爐牆向爐內凸起程度不同，嚴重部位可能發生坍塌。

3.2 垃圾對耐火材料作用造成的損毀

生活垃圾的熱值較低、成分複雜，在焚燒的過程中很容易產生積灰、磨損、腐蝕等問題，對焚燒爐的安全、穩定運行造成不利影響。城市生活垃圾的組成與城市化程度相關，越是經濟發達的城市，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、組分複雜等特點，在焚燒過程中存在很多影響設備運行的因素。焚燒爐內襯耐火材料的損毀首先是生活垃圾中的渣土和硬塊對爐襯的機械磨損，其次是爐渣對耐火材料內襯的機械磨損、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成。焚燒爐內襯耐火材料主要組成為Al2 O3、SiO2，焚燒爐內不同部位，爐渣對耐火材料的侵蝕損毀程度存在差異。

（1）進料口、幹燥段等部位的機械磨損

焚燒爐進料口、下料平台以及焚燒爐側牆下部直接接觸垃圾部位的機械磨損嚴重（見圖7）。進料口、幹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。


（2）前、後拱區飛灰附著結焦

垃圾在燃燒過程中形成了大量飛灰，其化學組成見表1


熔融的飛灰與前後拱內襯耐火材料接觸，並發生反應附著在前後拱部位。飛灰在爐牆上附著存在兩個不同的過程：起初沉積過程是初始沉積層的形成過程。初始沉積層為化學活性較高的堿金屬類和堿土金屬類硫酸鹽構成的薄灰層，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，它的形成使爐壁表麵溫度升高。再次沉積過程是較大灰粒在慣性力作用下衝擊到爐牆的初始沉積層上（慣性沉積），當初始沉積層具有黏性時，它可以捕獲慣性力輸運的灰顆粒，並使渣層厚度迅速增加。灰渣層的厚度通常是不均勻的，它除了主要與爐膛的結構、燃燒中心位置、空氣動力特性、爐膛溫度特性及垃圾的理化性質有關外，還與耐火材料組成有一定關係。如果飛灰清理不及時造成飛灰附著結焦過厚，爐牆耐火材料會在焦層重力的作用下發生變形坍塌，嚴重影響焚燒爐的安全運行。

（3）二次燃燒區灰渣熔融及侵蝕

焚燒爐煙氣出口是二次燃燒區，二次燃燒區內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。二次燃燒區富氧燃燒的煙氣溫度可高達1 400℃，飛灰在這個區域熔融後形成熔渣附著在耐火材料表麵，這些熔渣與耐火材料反應生成低熔點物。這些熔融態的低熔點物很容易被高速含塵煙氣衝刷磨損，導致耐火材料逐層反應、侵蝕、減薄，以致使二次燃燒區鋼板燒紅而被迫停爐。導致二次燃燒區飛灰熔融並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煙氣出口設計尺寸有關，例如三峰馬丁爐型二次燃燒區工況相對較好，巴高克爐型二次燃燒區設計縮口較小，飛灰熔融以及對耐火材料侵蝕嚴重；3）與運行工藝相關，部焚燒爐為了減少飛灰附著程度，減少停爐清灰次數，調整工藝使燃燒區後移，使得二次燃燒區溫度場和流場均發生改變。


圖8是二次燃燒區用後剛玉－ 莫來石澆注料殘襯照片以及各層的XRD 圖譜。分析表明，反應層、滲透層形成了少量的長石類礦物相。在實際工況下，長石類礦物的熔點較低，高溫是熔融狀態，熔渣與耐火材料反應形成的低熔點物向熔渣中溶解，並逐漸被高速含塵煙氣衝刷掉，終導致內襯耐火材料被磨穿。

（4）水冷壁耐火材料剝落

焚燒爐餘熱發電鍋爐水冷壁配置厚度70 ～ 110mm 耐火可塑料或者澆注料，使用後會出現銷釘頭端麵以外的耐火材料分層並脫落，脫落區域附近有細小裂紋。根據圖9 所示水冷爐壁應力模擬分析可知，高溫條下，金屬錨固件的熱膨脹大於耐火材料的，在耐火材料與金屬銷釘界麵應力較大區域，大量銷釘共同作用使耐火材料產生分層，導致耐火材料脫落。


4.垃圾焚燒用耐火材料麵臨形勢

我國目前有三百多個爐排式生活垃圾焚燒項目，約有一千多台焚燒爐且大小不一，爐型繁多。機械爐排爐耐火材料設計方案個性化問題突出，耐火磚型設計差異較大，多者達上百種磚型，而且無法交換使用，導致生產成本高，周期長。

我國垃圾產量增長，熱值逐年升高，垃圾焚燒爐大型化勢在必行，因此，新的爐排爐焚燒技術發展迅速。焚燒爐垃圾熱值波動和處理能力加大，導致耐火材料使用過程中出現新的係列問題。近年來，新型爐排爐結構設計在不斷創新，很多重型絕熱焚燒爐設計逐漸由絕熱爐膛至風冷爐牆再到水冷爐牆轉變。目前，日處理850 t 大型水冷壁結構焚燒爐在垃圾熱值較為穩定的南方地區陸續啟動。新型大型化焚燒技術給耐火材料設計、產品研究以及施工技術提出了新的課題。

根據發改委印發的《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》，垃圾焚燒在全國城鎮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，隨著國家政策補貼和巨大市值利潤的雙重力量推動，讓越來越多的市場力量開始聚集在垃圾焚燒發電行業中，進行著“能者割據”的產業競爭。這類情況下，很多企業往往在“跑馬圈地”拿到項目後，在工程運營、汙染排放等方麵進行偷工減料，以降低成本，但終會導致項目的環境效益大打折扣，這其中也包括降低耐火材料設計和選材成本。2019 年3 月16 日，生態環境部公布了《生活垃圾焚燒發電廠自動監測數據用於環境管理的規定（試行）》，提出了要對垃圾焚燒企業的達標排放和高質量運營采取有力的監管舉措。設計選材缺陷和環保管控壓力，使得焚燒爐長周期穩定運行風險較高。

5.結語

垃圾焚燒爐的安全可靠運行在很大程度上取決於耐火材料質量的穩定、可靠，取決於耐火材料的合理設計、選材以及維護效能高。目前，以鋁礬土、黏土原料為主的耐火材料產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品結構也逐漸發生了變化。同時，在國家環保管控日趨嚴厲的形勢下，耐火材料行業麵臨著新機遇和新挑戰。鑒於此，建議垃圾焚燒爐用耐火材料研究從以下幾個方向發展：1）完善爐排式垃圾焚燒爐用耐火材料體係，合理設計爐牆結構，提高爐牆穩定性；2）開發焚燒爐關鍵部位耐火材料產品，解決垃圾磨損、飛灰附著、熔渣侵蝕以及剝落嚴重等問題；3）研究濕法噴塗、泵送等施工技術在焚燒爐上的應用，提高施工效率，同時提高不定形產品比例；4）研究焚燒爐用後廢棄耐火材料再利用技術，實現資源循環利用。