城市垃圾焚烧炉及其所用耐火材料的现状与发展
随着经济的高速发展和城市人口的快速增加,工业废物和城市生活垃圾的数量急剧增多。为了保护环境,人们采用了卫生填埋法、堆肥法及焚烧法等垃圾处理方法,其中焚烧法因其具有减容量大、处理及时、无害化程度高且可以回收热能等一系列优点而备受关注,己成为发达国家处理垃圾的主要方式。例如日本,目前已有大约1854座垃圾焚烧炉,日处理能力达17.7万t。我国的垃圾焚烧业始于80年代后期,已建成了深圳市环卫综合处理厂、天津钢管公司直接还原铁厂(回转窑式工业垃圾炉)和深圳龙岗区垃圾发电厂等。与此同时,垃圾焚烧炉用耐火材料经过这些年的引进、消化和探索,也得到了长足的发展,为大力推广我国垃圾焚烧技术奠定了基础。
1、垃圾焚烧炉的种类和特点
目前常见的垃圾焚烧炉有:炉排式焚烧炉、CAO控气型焚烧炉!流化床式焚烧炉和回转窑式工业垃圾炉等。
1) 炉排式（推料式）焚烧炉。其底部设有多段炉箅,垃圾堆放在炉箅上,一边移动一边从炉箅下部吹入燃烧空气,进行干燥和直接燃烧。它的特点是:不必对入炉垃圾进行分选、破碎,但对垃圾热值有一定要求;只有1个燃烧室,固体垃圾在炉内停留约l~3h,气体在炉内停留约几秒钟;垃圾层表面温度800℃,烟气温度800~1000℃;炉型瘦高、体积较大、造价较高,炉排必须耐高温、耐腐蚀、可运动并且有较好的机械性能。
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2) CAO(ControlledAirOxidation,控制空气燃烧)焚烧系统。该系统是运用垃圾热氧化分解焚烧技术开发的新型垃圾焚烧炉,其特点是:垃圾先热解、气化,然后再燃烧,对入炉垃圾热值无严格要求;有2个燃烧室:固体垃圾在一燃室(温度600~800℃)停留约3~6h,气体在二燃室(温度800~1000℃)停留约1~3s;系统紧凑,占地面积小,用固定炉排,造价较低。
3) 流化床式焚烧炉。它利用鼓风机和空气输送装置向炉内送入沸腾空气,使载体砂子沸腾化。其特点是:垃圾悬浮燃烧,炉内床料热容量大,可燃烧热值较低的垃圾;炉内温度均匀,垃圾停留时间长、燃烧充分;与前两种焚烧炉相比处理能力较小。
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4) 回转窑式工业垃圾炉。它由回转窑本体、废弃物供给装置、二次燃烧炉、烧嘴等构成,其特点是:适合处理大型垃圾和废弃物(如污泥、塑料等);垃圾在回转窑中回转燃烧;回转窑中温度为900℃左右,二次燃烧炉温度为1100~1200℃。
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2、垃圾焚烧炉用耐火材料
2.1 一般要求及发展
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Cl2、SO2、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、推进器及侧墙等)的磨损和热冲击较大,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。
随着垃圾焚烧技术向大型化!资源化和自动化方向发展,焚烧炉用耐火材料也发生了一些变化。在日本,自70年代开始,垃圾焚烧炉用耐火材料中耐火砖和不定形耐火材料基本上各占一半,其中,耐火砖以粘土砖、高铝砖和一部分碳化硅砖为主,不定形耐火材料以粘土质、碳化硅质浇注料和可塑料为主。到了80年代,不定形耐火材料所占比例提高到75%左右,其中大部分为低水泥耐火浇注料或喷涂可塑料(性能见表1)。这是因为传统砖壁被带水冷壁的热能回收炉壁代替,而这种结构复杂的水冷壁使用不定形耐火材料,施工简单,效果较好。此外,不定形耐火材料的整体性和气密性较好,能更好地抵抗焚烧炉中的飞灰、废气、炉渣等对耐火材料的侵蚀。但对垃圾炉磨损侵蚀严重的部位(如推进器侧墙、炉底等),则使用致密刚玉砖或SiC质耐火制品较为合适。
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2.2 几种典型焚烧炉用耐火材料
1) 炉排式焚烧炉用耐火材料[3]。垃圾投入口(燃烧室干燥区温度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;燃烧室,由于温度高达1000℃以上,炉箅的下部侧墙还受到垃圾磨损、熔渣附着等作用,其工作层普遍使用耐磨损、难附着、抗化学侵蚀性强的低水泥SiC质浇注料(SiC含量一般在40%以上)。上部侧壁、炉顶等部位受火焰的热冲击和燃烧废气的侵蚀,其工作层使用粘土质或喷涂可塑料。中间层和永久层使用隔热浇注料和硬质纤维板;灰出口部位温度较低(400~500℃),但受到“生料”的磨损,通常使用强度较高的高铝质浇注料;二次燃烧室通常采用喷涂可塑料。
另外,近几年为了回收余热和降低燃烧室壁面温度,多设置锅炉管(水冷管)。保护这些锅炉管用耐火材料,也普遍使用高热传导性的SiC质耐火制品。
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2) CAO焚烧系统用耐火材料.适用于焚烧炉不同部位的两种牌号的耐火浇注料(性能见表3 ):FLCl20-I,用于一燃室炉墙、炉顶和二燃室非风口部位;FLCl20-II,用于一燃室炉底,连接一、二燃烧室的喉管和二燃室燃油烧嘴及风口处。该炉衬采用低水泥耐火浇注料(FLCl20-I!II)与高铝纤维模块的复合炉衬结构,这种结构具有整体性能好、强度高、耐磨性和耐酸性好等特点,特别是重量轻、保温性能好且表面经过硬化处理的全纤维模块的采用,使这种新型炉衬的散热损失和蓄热损失大幅度降低。
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垃圾焚烧发电的热能利用率是一个关键因素。以前采用粘土砖砌筑的余热锅炉炉衬散热大、蓄热多、寿命较短(1~2年)。为此,他们采用了全纤维炉衬技术,它有如下特点:由于纤维制品的热导率低(仅为锅炉用粘土砖的1/8左右),热容量小,对热辐射的反射作用大,因此使得余热锅炉本身的热损失降到最低;施工简便,无需养护,可快速烘烤;使用寿命长,维修方便。该炉衬自1999年投入生产,炉况运转正常。
3) 回转窑式工业垃圾炉用耐火材料。天津钢管公司直接还原铁厂,引进英国Davy公司的两条回转窑生产线,其配套的全部耐火浇注料性能见表4.
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3、结语
(1)耐火浇注料-全纤维复合炉衬是垃圾焚烧炉比较理想的炉衬结构,在热工、节能和炉体轻型化等方面都具有致密耐火制品和轻质保温砖所无法比拟的优点。
(2)SiC材料具有耐磨损、难附着、热导率高、热膨胀系数低等特点,是推进器侧墙(炉排)、炉底、锅炉管壁等关键部位的首选材料。
(3)回转窑式工业垃圾炉用高强度抗CO侵蚀的耐火浇注料的成功应用,填补了国内此项技术的空白,对我国推广直接还原铁技术有重要的意义。
(4)为满足今后我国垃圾焚烧业发展的需求,研究开发高效、经济的焚烧炉用耐火材料,是大力推广垃圾焚烧技术的关键课题之一。
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