摘 要：概述了我國城市垃圾無害化處理現(xiàn)狀、機械爐排爐特點以及對耐火材料的要求，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)鍵部位損毀機制，分析了我國垃圾焚燒行業(yè)面臨的形勢以及耐火材料行業(yè)的機遇和挑戰(zhàn)，并對爐排式垃圾焚燒爐用耐火材料研究方向提出了幾點建議。
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，我國垃圾焚燒爐因為內(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轉(zhuǎn)率，造成了大量垃圾堆積，引起了一系列社會和民生問題。
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、臺地區(qū)）在運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，機械爐排爐占80％以上。
2 機械爐排爐技術(shù)特點及對耐火材料要求
生活垃圾焚燒是十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，通常可將焚燒過程分為干燥、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(zhuǎn)式，其中，機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)勢在于技術(shù)成熟，運行穩(wěn)定，產(chǎn)生的灰渣量相對少，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(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 ℃，但焚燒時產(chǎn)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(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：
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(yīng)用現(xiàn)狀
機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、機械強度和氣氛都不相同，需要根據(jù)各自的工況特點選用相應(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)破壞以及垃圾對爐墻耐火材料的機械磨損、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)，服役時間較長以后，均會出現(xiàn)鼓包凸起。圖5（a）是絕熱爐墻服役一段時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)計的60 mm 擴展為120 mm。
焚燒爐運行過程中爐墻受熱，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，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。爐墻鼓包、凸起還與超負(fù)荷運營、工藝溫度控制、起停爐頻次、操作水平以及爐墻設(shè)計有關(guān)。
當(dāng)爐墻變形向爐內(nèi)凸起時，拉固磚對爐墻產(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，對焚燒爐的安全、穩(wěn)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(guān)，越是經(jīng)濟發(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，在焚燒過程中存在很多影響設(shè)備運行的因素。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爐襯的機械磨損，其次是爐渣對耐火材料內(nèi)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(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、干燥段等部位的機械磨損
焚燒爐進(jìn)料口、下料平臺以及焚燒爐側(cè)墻下部直接接觸垃圾部位的機械磨損嚴(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不同的過程：第一個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，它可以捕獲慣性力輸運的灰顆粒，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造成飛灰附著結(jié)焦過厚，爐墻耐火材料會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)生成低熔點物。這些熔融態(tài)的低熔點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)計尺寸有關(guān)，例如三峰馬丁爐型二次燃燒區(qū)工況相對較好，巴高克爐型二次燃燒區(qū)設(shè)計縮口較小，飛灰熔融以及對耐火材料侵蝕嚴(yán)重；3）與運行工藝相關(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)溫度場和流場均發(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。在實際工況下，長石類礦物的熔點較低，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
我國目前有三百多個爐排式生活垃圾焚燒項目，約有一千多臺焚燒爐且大小不一，爐型繁多。機械爐排爐耐火材料設(shè)計方案個性化問題突出，耐火磚型設(shè)計差異較大，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)計在不斷創(chuàng)新，很多重型絕熱焚燒爐設(shè)計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。新型大型化焚燒技術(shù)給耐火材料設(shè)計、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(fā)電行業(yè)中，進(jìn)行著“能者割據(jù)”的產(chǎn)業(yè)競爭。這類情況下，很多企業(yè)往往在“跑馬圈地”拿到項目后，在工程運營、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)電廠自動監(jiān)測數(shù)據(jù)用于環(huán)境管理的規(guī)定（試行）》，提出了要對垃圾焚燒企業(yè)的達(dá)標(biāo)排放和高質(zhì)量運營采取有力的監(jiān)管舉措。設(shè)計選材缺陷和環(huán)保管控壓力，使得焚燒爐長周期穩(wěn)定運行風(fēng)險較高。
5 結(jié)語
垃圾焚燒爐的安全可靠運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、選材以及高效維護。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，在國家環(huán)保管控日趨嚴(yán)厲的形勢下，耐火材料行業(yè)面臨前所未有的新機遇和新挑戰(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)，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。
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