石書冰，黃曉鋒，江 興，王佳平，陳 陽，曾存峰，王文武

(1.中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司，河南 洛陽 471039；2.南寧建寧康恒環(huán)?？萍加邢挢熑喂荆瑥V西 南寧 530000；3.四川川鍋鍋爐有限責任公司，四川 成都 610400)

垃圾焚燒工藝目前是世界上公認的減量化處理垃圾的有效辦法，焚燒城市生活垃圾回收能源不但在世界經濟發(fā)達國家廣泛采用，而且隨著我國經濟社會的進步和發(fā)展、人民群眾生活水平的日益提高，近幾年在我國各地的應用也呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長。相關統(tǒng)計數(shù)據顯示我國垃圾焚燒新增發(fā)電裝機容量由2016年81萬kW增至2020年311萬kW，年均復合增長率約40%。

目前，國內垃圾焚燒爐排爐水冷壁所用襯里結構，主要是在膜式水冷壁管壁表面焊接錨固件并在其間通過澆筑或涂抹方式填充不定形澆注料。這種結構，在爐排爐運行一段時間后，特別是超負荷運行時，通常出現(xiàn)表層耐火材料逐步粉化，內部錨固件腐蝕現(xiàn)象，使得表層粉化的澆注料不能有效保護錨固件和水冷壁免受高溫腐蝕，內層未粉化澆注料又因錨固件層層密布而難以拆除，導致在耐材檢修時連同水冷壁一起更換。

本文通過對垃圾焚燒爐排爐水冷壁現(xiàn)有襯里結構體系的分析，結合垃圾焚燒爐水冷壁結構、錨固件布置、襯里耐材性能等因素，提出了爐排爐用高導盾襯里結構體系優(yōu)化方案，并對這兩種襯里結構在熱傳導、保護方式和維護更換方面進行了對比。

1 襯里結構設計

1.1 耐材襯里存在問題

在垃圾焚燒領域一體式余熱鍋爐被廣泛采用，它包含專門為垃圾焚燒而設計的燃燒室，包括燃燒室爐墻的特殊設計；還包括與燃燒室密切配合的密閉式鍋爐爐膛，也稱為第一煙道[1]。為保證全部煙氣在850 ℃以上停留2 s以上時間要求，通常在燃燒室和第一煙道水冷壁表面鋪設耐火材料。

在垃圾焚燒過程中，物料分子轉化的化學過程和各種物理傳遞過程同時發(fā)生。由于垃圾組分及輔助燃料的成分隨地域差異巨大，通常在描述可燃組分時用CxHyOzNuSvClw表示，完全燃燒情況下，各有機成分理論上的焚燒產物包含： CO2、H2O和酸性氣體HCl、HF、SOx，NOx等，而金屬等無機物根據焚燒元素的種類和焚燒溫度，在焚燒后可生產鹵化物、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽、氧化物、硅酸鹽等[2-5]。

在垃圾焚燒過程中，爐膛溫度會超過1 000 ℃，此時澆注料中SiC與高溫蒸汽理論上將發(fā)生水化反應，生成SiO2：

(1)

澆注料中Al2O3、SiO2和水化產物中SiO2與焚燒后產物CaO、K2O、Na2O等堿金屬氧化物會發(fā)生如式(2)、式(3)等的系列反應而生產相應的硅酸鹽物質[6-9]。

(2)

(3)

當以上反應發(fā)生時，其一會導致澆注料形成疏松的表觀結構，使得高溫焚燒產物很容易黏附在澆注料表面，并進一步與內部澆注料發(fā)生反應，形成連續(xù)的焦塊結構，從而影響正常煙氣的流通。其二會導致澆注料內部滲入腐蝕性氣體將錨固件侵蝕，從而造成澆注料大面積脫落或形成水冷壁漏點。

1.2 兩種結構形式對比

當前耐火材料主流結構是水冷壁管壁錨固件+澆注料結構如圖1左側不定形澆注料結構體系所示；水冷壁鰭片錨固件+高導盾結構體系如圖1右側所示。

圖1 兩種爐排爐水冷壁襯里結構體系

水冷壁管壁錨固件+澆注料結構體系中錨固件材質為Q235A，澆注料理化性能典型指標如表1所示。水冷壁鰭片錨固件采用310S耐熱鋼，高導盾結構體系綜合性能見表1。

表1 兩種爐排爐水冷壁襯里結構材料理化指標對比

2 結構性能對比

2.1 熱傳導

焚燒垃圾產生的熱量需要通過爐排爐水冷壁耐材襯里傳至水冷管，水冷壁管壁錨固件+澆注料和高導盾結構體系兩種襯里均屬于平壁傳熱，對其傳熱計算模型進行簡化如圖2所示。

圖2 爐排爐水冷壁襯里結構計算模型示意圖

計算爐襯總熱阻時對實際工況做了簡化及適當?shù)募僭O，并選取適當?shù)膮?shù)：水冷壁材質為20G碳鋼，導熱系數(shù)48 W/(m·K)，壁厚5 mm，水冷管內溫度一般在200～300 ℃，爐膛溫度通常在1 000～1 100 ℃；掛磚厚度32 mm，自流料厚度8 mm，澆注料厚度取40 mm。根據多層導熱理論計算公式[2]，爐襯總熱阻為

(4)

式中：q為熱流密度,W/m2；t為溫度,K；δ為厚度,m；λ為導熱系數(shù),W·(m·K)-1。

結合表1、2中材料導熱系數(shù)計算可得不定形澆注料結構體系總熱阻為：4.10×10-3(m2·K)/W；高導盾結構體系總熱阻為：2.39×10-3(m2·K)/W ?？偀嶙柙礁?，爐襯導熱效果越差，故高導盾結構爐襯熱傳導性能明顯優(yōu)于不定形澆注料爐襯。

2.2 保護方式

在水冷壁管壁錨固件+澆注料結構體系中，錨固件焊接在管壁表面。水冷壁管壁表面錨固件，頂端距熱面不足20 mm，由非燒結不定形材料包裹；錨固件與不定形材料間相界間隙；不定形澆注料施工烘烤后，表層澆注料微觀氣孔或裂縫會大量存在。爐排爐在焚燒垃圾的過程中，煙氣中含有的高腐蝕酸性氣體及黏結灰必將黏附在耐火材料表面，高溫下腐蝕氣體通過微觀毛細管道在錨固釘表面出現(xiàn)液化過程，此時出現(xiàn)的固液氣三相界面將對錨固件進行腐蝕；同時由于高溫煙氣的侵蝕、澆注料的自重和焊接質量的多重因素影響，就導致腐蝕往往發(fā)生在錨固釘與管壁焊接部位，從而引起澆注料和錨固件的大面積脫落，影響鍋爐運行的安全性和穩(wěn)定性。

水冷壁鰭片錨固件+高導盾復合結構體系具有雙層防護措施。高導盾經高溫燒結氣孔率在11%明顯低于澆注料體系的15%，使得腐蝕性氣體滲透難度增大；且高導盾體系自身耐高溫腐蝕，從而保護其包裹層內錨固件及管壁免受腐蝕；高導盾復合結構體系與水冷壁之間的間隙，在體系內形成密封環(huán)境，腐蝕性氣體難以滲入，從而避免錨固件被腐蝕。

2.3 維護更換

水冷壁管壁表面錨固件+澆注料，損毀現(xiàn)象通常表現(xiàn)為表層耐火材料逐步粉化，內部錨固件腐蝕。運行一段時間后，會出現(xiàn)表層粉化的澆注料不能有效地保護錨固件和水冷壁免受高溫腐蝕，而內層未粉化澆注料又因錨固件層層密布而難以拆除。最終在檢修時只好連同水冷壁一起更換。

在高導盾結構體系中，錨固件焊接在鰭片處且有雙重防護， 該結構體系與膜式水冷壁形成自封閉環(huán)境，高導盾產品分塊固定在單獨的錨固件上，上下左右相互咬合減少了發(fā)生脫落的風險。若有局部脫落，也可在不傷及膜式水冷壁的情況下實現(xiàn)快速更換。

3 結 論

爐排爐用高導盾結構體系與水冷壁管壁表面錨固件+澆注料結構相比，高導盾襯里結構體系具有更優(yōu)異的熱傳導性能、更好的耐高溫腐蝕效果，并可在不更換膜式水冷壁的情況下實現(xiàn)快速檢修維護，從而延長膜式水冷壁的使用壽命。