城市垃圾焚燒爐及其所用耐火材料的現狀與發展
隨著經濟的高速發展和城市人口的快速增加,工業廢物和城市生活垃圾的數量急劇增多。為了保護環境,人們采用了衛生填埋法、堆肥法及焚燒法等垃圾處理方法,其中焚燒法因其具有減容量大、處理及時、無害化程度高且可以回收熱能等一系列優點而備受關注,己成為發達國家處理垃圾的主要方式。例如日本,目前已有大約1854座垃圾焚燒爐,日處理能力達17.7萬t。我國的垃圾焚燒業始于80年代后期,已建成了深圳市環衛綜合處理廠、天津鋼管公司直接還原鐵廠(回轉窯式工業垃圾爐)和深圳龍崗區垃圾發電廠等。與此同時,垃圾焚燒爐用耐火材料經過這些年的引進、消化和探索,也得到了長足的發展,為大力推廣我國垃圾焚燒技術奠定了基礎。
1、垃圾焚燒爐的種類和特點
目前常見的垃圾焚燒爐有:爐排式焚燒爐、CAO控氣型焚燒爐!流化床式焚燒爐和回轉窯式工業垃圾爐等。
1) 爐排式（推料式）焚燒爐。其底部設有多段爐箅,垃圾堆放在爐箅上,一邊移動一邊從爐箅下部吹入燃燒空氣,進行干燥和直接燃燒。它的特點是:不必對入爐垃圾進行分選、破碎,但對垃圾熱值有一定要求;只有1個燃燒室,固體垃圾在爐內停留約l~3h,氣體在爐內停留約幾秒鐘;垃圾層表面溫度800℃,煙氣溫度800~1000℃;爐型瘦高、體積較大、造價較高,爐排必須耐高溫、耐腐蝕、可運動并且有較好的機械性能。
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2) CAO(ControlledAirOxidation,控制空氣燃燒)焚燒系統。該系統是運用垃圾熱氧化分解焚燒技術開發的新型垃圾焚燒爐,其特點是:垃圾先熱解、氣化,然后再燃燒,對入爐垃圾熱值無嚴格要求;有2個燃燒室:固體垃圾在一燃室(溫度600~800℃)停留約3~6h,氣體在二燃室(溫度800~1000℃)停留約1~3s;系統緊湊,占地面積小,用固定爐排,造價較低。
3) 流化床式焚燒爐。它利用鼓風機和空氣輸送裝置向爐內送入沸騰空氣,使載體砂子沸騰化。其特點是:垃圾懸浮燃燒,爐內床料熱容量大,可燃燒熱值較低的垃圾;爐內溫度均勻,垃圾停留時間長、燃燒充分;與前兩種焚燒爐相比處理能力較小。
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4) 回轉窯式工業垃圾爐。它由回轉窯本體、廢棄物供給裝置、二次燃燒爐、燒嘴等構成,其特點是:適合處理大型垃圾和廢棄物(如污泥、塑料等);垃圾在回轉窯中回轉燃燒;回轉窯中溫度為900℃左右,二次燃燒爐溫度為1100~1200℃。
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2、垃圾焚燒爐用耐火材料
2.1 一般要求及發展
垃圾焚燒爐的工作溫度一般不超過1200℃,但焚燒時產生的氣體(如Cl2、SO2、CO及堿金屬蒸氣等)對耐火材料的侵蝕性較強。同時,垃圾在高溫移動中對焚燒爐某些部位(如爐底、推進器及側墻等)的磨損和熱沖擊較大,因此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)良好的體積穩定性和耐酸性,以抵抗爐內酸性物質的侵蝕;(3)良好的熱震穩定性,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。
隨著垃圾焚燒技術向大型化!資源化和自動化方向發展,焚燒爐用耐火材料也發生了一些變化。在日本,自70年代開始,垃圾焚燒爐用耐火材料中耐火磚和不定形耐火材料基本上各占一半,其中,耐火磚以粘土磚、高鋁磚和一部分碳化硅磚為主,不定形耐火材料以粘土質、碳化硅質澆注料和可塑料為主。到了80年代,不定形耐火材料所占比例提高到75%左右,其中大部分為低水泥耐火澆注料或噴涂可塑料(性能見表1)。這是因為傳統磚壁被帶水冷壁的熱能回收爐壁代替,而這種結構復雜的水冷壁使用不定形耐火材料,施工簡單,效果較好。此外,不定形耐火材料的整體性和氣密性較好,能更好地抵抗焚燒爐中的飛灰、廢氣、爐渣等對耐火材料的侵蝕。但對垃圾爐磨損侵蝕嚴重的部位(如推進器側墻、爐底等),則使用致密剛玉磚或SiC質耐火制品較為合適。
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2.2 幾種典型焚燒爐用耐火材料
1) 爐排式焚燒爐用耐火材料[3]。垃圾投入口(燃燒室干燥區溫度500~600℃)受垃圾的磨損和水分的影響易產生熱剝落,其工作層一般使用強度較高的低水泥澆注料;燃燒室,由于溫度高達1000℃以上,爐箅的下部側墻還受到垃圾磨損、熔渣附著等作用,其工作層普遍使用耐磨損、難附著、抗化學侵蝕性強的低水泥SiC質澆注料(SiC含量一般在40%以上)。上部側壁、爐頂等部位受火焰的熱沖擊和燃燒廢氣的侵蝕,其工作層使用粘土質或噴涂可塑料。中間層和永久層使用隔熱澆注料和硬質纖維板;灰出口部位溫度較低(400~500℃),但受到“生料”的磨損,通常使用強度較高的高鋁質澆注料;二次燃燒室通常采用噴涂可塑料。
另外,近幾年為了回收余熱和降低燃燒室壁面溫度,多設置鍋爐管(水冷管)。保護這些鍋爐管用耐火材料,也普遍使用高熱傳導性的SiC質耐火制品。
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2) CAO焚燒系統用耐火材料.適用于焚燒爐不同部位的兩種牌號的耐火澆注料(性能見表3 ):FLCl20-I,用于一燃室爐墻、爐頂和二燃室非風口部位;FLCl20-II,用于一燃室爐底,連接一、二燃燒室的喉管和二燃室燃油燒嘴及風口處。該爐襯采用低水泥耐火澆注料(FLCl20-I!II)與高鋁纖維模塊的復合爐襯結構,這種結構具有整體性能好、強度高、耐磨性和耐酸性好等特點,特別是重量輕、保溫性能好且表面經過硬化處理的全纖維模塊的采用,使這種新型爐襯的散熱損失和蓄熱損失大幅度降低。
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垃圾焚燒發電的熱能利用率是一個關鍵因素。以前采用粘土磚砌筑的余熱鍋爐爐襯散熱大、蓄熱多、壽命較短(1~2年)。為此,他們采用了全纖維爐襯技術,它有如下特點:由于纖維制品的熱導率低(僅為鍋爐用粘土磚的1/8左右),熱容量小,對熱輻射的反射作用大,因此使得余熱鍋爐本身的熱損失降到最低;施工簡便,無需養護,可快速烘烤;使用壽命長,維修方便。該爐襯自1999年投入生產,爐況運轉正常。
3) 回轉窯式工業垃圾爐用耐火材料。天津鋼管公司直接還原鐵廠,引進英國Davy公司的兩條回轉窯生產線,其配套的全部耐火澆注料性能見表4.
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3、結語
(1)耐火澆注料-全纖維復合爐襯是垃圾焚燒爐比較理想的爐襯結構,在熱工、節能和爐體輕型化等方面都具有致密耐火制品和輕質保溫磚所無法比擬的優點。
(2)SiC材料具有耐磨損、難附著、熱導率高、熱膨脹系數低等特點,是推進器側墻(爐排)、爐底、鍋爐管壁等關鍵部位的首選材料。
(3)回轉窯式工業垃圾爐用高強度抗CO侵蝕的耐火澆注料的成功應用,填補了國內此項技術的空白,對我國推廣直接還原鐵技術有重要的意義。
(4)為滿足今后我國垃圾焚燒業發展的需求,研究開發高效、經濟的焚燒爐用耐火材料,是大力推廣垃圾焚燒技術的關鍵課題之一。
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