垃圾焚烧炉及耐火材料探讨

垃圾焚烧炉及耐火耐磨材料探讨王雷，张运翘（上海电气环保集团，上海201108）摘要：介绍和比较了目前国内外常用垃圾焚烧炉的工艺特点，并对垃圾焚烧中存在的高温腐蚀、污染物排放控制、运行等问题进行了分析；较系统地阐述了炉排炉和循环流化床垃圾焚烧炉不同部位所用耐火耐磨材料的种类及其性能。关键词：生活垃圾；焚烧炉；耐火耐磨材料DiscussiononMunicipalSolidWaste(MSW)incineratorandRefractoryMaterialsWANGLei,ZHANGYunqiao（ShanghaiElectricEnvironmentProtectionGroup，Shanghai201108）Abstract:ThecharactersofMSWincineratorareintroducedandcomparedinthispaper,aswellasthehightemperaturecorrosion,pollutionemissioncontrolandfurnaceoperationareanalyzed.Thevarieties,propertiesandapplicationsituationofrefractorymaterialusingingratefurnaceandCFBfurnacearealsointroducedinthispaper.Keyword:MunicipalSolidWaste(MSW);Incinerator:Refractorymaterial1、前言目前，城市生活垃圾已成为全球性的环境问题之一；近20年来,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，城市生活垃圾对环境污染的影响越来越大。但由于环境卫生保护基础建设严重滞后，使得城市生活垃圾对城市生态环境的污染日益严重。现在我国每年产近1.5亿吨城市生活垃圾，而且还以年平均8%左右的速度增长，它们中的80%～90%来自大、中城市。在我国668个大、中城市中，有2/3处于垃圾围城之中；垃圾的历年堆存量达60亿吨，侵占土地多达5亿m2；而我国城市垃圾处理率仅为50%左右，无害化处理率更低[1,2]。因此，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。目前我国生活垃圾处理的常用方法是卫生填埋、焚烧和堆肥三种；垃圾焚烧方法与其他两种方法相比，能更好地达到垃圾处理减量化、资源化和无害化的治理目标，已成为我国当前发展最快的垃圾处理方式。2、常用垃圾焚烧技术分析比较垃圾焚烧处理已有100多年历史，但出现有控制的焚烧以及烟尘综合处理、余热再利用等是从20世纪70年代以后开始的。目前世界各地应用的各种型号垃圾焚烧炉达到200多种，但应用广泛、具有代表性的垃圾焚烧炉技术主要有四大类，即：炉排型焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑焚烧炉、垃圾热解气化焚烧炉(CAO)[3]。机械炉排焚烧炉是较早发展的垃圾焚烧炉型式，经过长期的发展，技术日臻完善，运行可靠性高是目前垃圾焚烧炉市场上的主导产品，其应用占全世界垃圾焚烧市场总量的80%以上。该类炉型的最大优势在于技术成熟，运行稳定、可靠，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。流化床焚烧炉可以对任何垃圾进行焚烧处理，最大优点是可以得到完全的燃烧效果并对有害物质进行彻底的破坏，一般排出炉外的未燃物均在1%左右，是几种方式中最低的，对环境保护很有利。其缺点是：飞灰量大，垃圾必须分选破碎，分选及破碎系统复杂；动力消耗量大，流态化固体颗粒对炉墙磨损严重，此技术有待于进一步完善[4,5]。回转窑焚烧炉因为转速的改变，可以影响垃圾在窑中的停留时间，并且对垃圾在高温空气及过量氧气中施加较强的机械碰撞，能得到可燃物质含量很低的炉渣。但该技术也有一些明显的缺点：垃圾处理量不大，燃烧不易控制，这使它很难适应发电的需要；旋转焚烧炉较多使用在热值较高的工业固体废弃物的焚烧上，在生活垃圾的焚烧中应用较少。目前,世界发达国家开始采用的较先进垃圾焚烧处理技术是垃圾热解气化焚烧炉。垃圾热解气化焚烧炉(ControlledAirOxidation可控空气氧化技术,简称CAO技术)，是一种控制空气燃烧技术。CAO系统可分为加热干燥、热解气化、残碳燃烧、可燃气燃烧等4个区域。CAO燃烧系统在一定程度上解决了城市垃圾的处理问题，垃圾不用分选就可以充分地分解和燃烧，但对于水分超过50%的垃圾，在不投油助燃时则不能稳定燃烧。中国城市垃圾成分十分复杂、热值较低且含水率高，而且地区差别大，因此在我国广泛应用垃圾热解气化焚烧炉技术还有一定困难。3、垃圾焚烧技术中的一些问题20世纪八十年代末开始，我国沿海经济比较发达的大中型城市逐步开始建造垃圾焚烧厂，用以焚烧城市生活垃圾，以减轻垃圾填埋场的压力。除了一些国产的垃圾焚烧炉外，还先后引进了十几套焚烧设备，由于城市生活垃圾中可燃物很复杂，由许多成分所组成，而且各种成分有不同的燃烧特性。因此，城市生活垃圾焚烧炉的设计、运行和控制比单一固体燃料如煤的要困难得多，我国城市生活垃圾焚烧炉运行及设计上的一些问题讨论如下：3.1高温腐蚀垃圾焚烧炉中腐蚀环境十分复杂，燃烧的不同区段和过程既包括烟气引起的高温氧化、硫化、氯化、碳化等氧化性或还原性气氛腐蚀，还有焚烧灰和熔融灰引起的熔盐腐蚀，而最主要的则被认为是含氯介质引发的氯化腐蚀[6]。高温腐蚀造成垃圾焚烧炉难以提高过热蒸汽参数，目前炉排垃圾焚烧炉常用的蒸汽参数为中压次中温或更低的参数，流化床垃圾焚烧炉由于掺烧一定的辅助燃料从而改变了烟气成分，可以采用更高的蒸汽参数，目前常用的过热蒸汽参数为中温中压。因此高温腐蚀不仅降低了垃圾焚烧电厂的热效率而且大大缩减了设备的使用寿命，成为制约垃圾焚烧技术发展的关键性因素。3.2污染物排放的控制生活垃圾焚烧炉排放的污染物有粉尘、HCl、SO2、NOx、重金属(Hg、Cd、Pb等)、多环芳烃和二噁英(Dioxin),焚烧炉污染物的排放控制以二噁英控制最为重要，目前对其在燃烧过程中生成的控制主要采用‘3T+E’的原则，即：（炉温(temperature)；停留时间(time)；紊流程度(turbulence)；和空气量(excessair)），可通过在燃烧中保持850～1000℃高温，烟气在高温下停留时间2s以上，烟气含O2在6%以上来实现[7]。提高焚烧炉的燃烧温度，可以使生成的二噁英在高温下分解，但升高焚烧温度，圾焚中的重金属大部分以气态氯化物等形式存在与烟气中，反而增加了重金属处理的难度。同时炉膛出口温度增加，又会加剧受热面的高温腐蚀。由此看来，垃圾焚烧炉内的高温腐蚀、二噁英和重金属污染排放这三个问题相互影响并耦合在一起的，并且都与垃圾中的氯存在直接或间接的关系，因此，氯组分去除是垃圾焚烧技术中又一关键问题[8]。3.3垃圾成分复杂且热值较低我国垃圾分类收集和处理体系还比较落后，尚处于初级状态，垃圾多为混合收集，这给垃圾处理带来了极大的困难，尤其对于循环流化床垃圾焚烧炉，混合垃圾中的金属等不燃物在燃烧过程中会逐渐堆积在布风板上产生流化不良，这样会导致结焦、影响焚烧炉的正常运行，目前国内的垃圾焚烧流化床一般运行2个月左右需停炉清理。虽然我国部分城市(镇)和地区的垃圾热值总体已可满足焚烧要求，但垃圾中的可燃物主要是厨余类垃圾，塑料、废纸等高热值垃圾的含量较小，与国外相比垃圾热值仍然较低。由于厨余类垃圾含水量的季节性波动大，导致垃圾热值季节性的变幅较大，且垃圾中灰分也占较大比例。因此，炉排垃圾焚烧炉要维持焚烧室出口850℃的高温，离不开辅助燃料，辅助燃料费已成为垃圾焚烧厂的一项主要开支，降低辅助燃料费用是降低焚烧厂运行费用、维持焚烧厂正常运行的重要保证。3.4垃圾焚烧技术相对落后城市垃圾焚化技术比较复杂，我国在这方面的研发起步较晚，到目前为止还不能完全掌握，尤其是炉排炉技术，国内一些大城市在考虑垃圾焚化处理时，国外技术和进口设备仍然是首选。从20世纪80年代末开始，我国已先后引进了十几套不同型式的焚烧设备，如：杭州锅炉厂引进日本三菱的改进型的马丁炉排技术和产品；上海引进ALSTOM和Steimuller炉排和余热锅炉技术；宁波引进德国诺尔—克尔茨炉排炉；北京国华荏原引进了日本EBARA的内循环流化床技术以及深圳引进的SEGHERS的摆动炉排技术等。虽然引进的设备和技术种类繁多，但我们至今还没有掌握大型城市生活垃圾炉排炉焚烧的核心技术；根据实际运行经验，照搬过来进行焚烧处理没有经过分拣、成分杂、热值低、含水率高且变化范围较大的中国城市垃圾时，处理效果并不理想。相比之下，与垃圾焚烧炉相配的余热锅炉更容易进入市场，国内垃圾电厂的余热锅炉基本上都实现了国内制造，或外方设计国内制造；与煤粉炉和工业锅炉相比，我国在垃圾焚烧余热锅炉的设计上理论基础还不完善，基本上还是参照现有的锅炉设计规范，仍需针对垃圾焚烧特性做大量的研究工作，来完善垃圾焚烧余热锅炉的设计。4、垃圾焚烧炉用耐火材料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的稳定性，近年来，许多垃圾焚烧炉都因为耐火耐磨材料的选用不当或不合格造成停炉事件，给垃圾焚烧厂造成一定的损失。垃圾焚烧炉的工作温度一般不超过1200℃，但焚烧时产生的气体（如HCl、SO2、Cl2、CO及碱金属蒸气等）对耐火材料的侵蚀性较强。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，尤其是循环流化床垃圾焚烧炉，垃圾及循环床料对炉膛布风板、燃烧区炉墙、炉膛出口与分离器进口等部位的磨损和热冲击更为强烈；因此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酸性，以抵抗炉内酸性物质的侵蚀；(3)良好的热震稳定性，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[9]。由于不同的垃圾焚烧炉对耐火耐磨材料有不同的要求，下面仅对目前国内应用最广的炉排炉和流化床垃圾焚烧炉用耐火耐磨材料进行探讨。4、1炉排垃圾焚烧炉用耐火材料炉排垃圾焚烧炉依据垃圾燃烧过程可以分为干燥区、燃烧区和燃尽区，按照位置可以分为垃圾推料器给料口区、炉排侧墙、前后拱区和排渣口；这些不同的区域炉衬所受的温度、机械强度和气氛都不相同，需要根据各自的特点选用相应的耐火材料。垃圾给料口，位于焚烧炉干燥区，烟气温度一般在500～600℃，受垃圾的磨损和水分的影响易产生热剥落，其工作层一般使用强度较高的低水泥浇注料或耐磨强度较好的莫来石浇注料；焚烧炉燃烧区,由于温度高达1000℃左右，靠炉排侧墙还受到垃圾磨损、熔渣附着等作用，普遍使用耐磨损、难附着、抗化学侵蚀性强的SiC挂砖。上部侧壁、炉顶等部位受火焰的热冲击和燃烧废气的侵蚀并且此处的烟温更高，多使用高铝质材料的铬刚玉、SiC或莫来石预制挂砖及浇注料。排渣口部位温度较低(400～500℃)，通常使用强度较高的高铝质浇注料。总之，焚烧炉的燃烧温度1200℃时,由于硅质结合剂结合的SiC制品在应用中形成环绕SiC晶粒的致密永久惰性层，SiC含量不同的材料均适于作其内衬；燃烧温度1250℃时，焚烧炉内熔融侵蚀气氛较为强烈，高铝制品的铬刚玉等耐火材料优于SiC质的制品[10]。4、2流化床垃圾焚烧炉用耐火材料循环流化床垃圾焚烧炉耐火耐磨材料的应用主要分为以下几个区域：风室、炉膛下部密相区、燃烧区、给料口、高温旋风分离器和回料管等。与炉排垃圾焚烧炉一样，不同的区域应根据气氛条件选用合理的耐火耐磨材料，一般来说，规则区域利用耐火砖为好，难于施工的不规则区采用浇注料或可塑料。水冷风室一般设计为单层衬里的防磨结构，材料可采用中质耐磨可塑料，布风板采用自流式刚玉浇注料或刚玉耐磨可塑料。对于流化床垃圾焚烧炉，床料和垃圾密度相差比较大，垃圾主要集中在稀相区燃烧，密相区的温度相对较低，磨损比较强烈，一般采用刚玉浇注料或耐磨可塑料，此处欠氧燃烧，还原性气氛强烈，应严格控制材料的Fe2O3含