炉排式垃圾焚烧炉耐火材料应用现状
摘 要：概述了我国城市垃圾无害化处理现状、机械炉排炉特点以及对耐火材料的要求，阐述了我国炉排式垃圾焚烧炉用耐火材料应用现状和关键部位损毁机制，分析了我国垃圾焚烧行业面临的形势以及耐火材料行业的机遇和挑战，并对炉排式垃圾焚烧炉用耐火材料研究方向提出了几点建议。
我国人口众多，每天产生大量的生活垃圾，且与国外发达国家相比，我国垃圾分类程度较低。垃圾特性（物性、热值、含水率等）因地域性气候和生活习惯不同差异较大，而且随着人民生活水平提高和城市化进程加快，垃圾的组分也逐年发生改变。我国垃圾焚烧行业较国外起步晚，内衬耐火材料设计主要以引进、消化为主，还没有建立起符合我国炉排炉使用要求的材料体系。目前，我国垃圾焚烧炉因为内衬隔热、耐磨、耐侵蚀材料的选用不当频繁造成停炉事故，严重影响了垃圾焚烧炉的运转率，造成了大量垃圾堆积，引起了一系列社会和民生问题。
1 城市生活垃圾无害化处理现状
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。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，城市生活垃圾总量持续增多。近十几年来，我国城市垃圾无害化处理从无到有，无害化处理率也在逐年增长（见图1）。
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随着人们生活水平的提高，生活垃圾的热值逐渐增大。传统填埋和堆肥处理方式的减容、减量效果差，已不能适应需要；而焚烧法则由于其减容、减量大的优点得到了迅速发展。近年来我国城市垃圾的处理方式由最初的卫生填埋法逐渐转变为焚烧法，其所占比例逐年增加（见图2）。
垃圾处理的主流技术，在经济比较发达的城市，垃圾焚烧厂较多，垃圾焚烧发电在我国进入了快速发展阶段。如图3 所示，截至2019 年2 月，我国（不包含港、澳、台地区）在运行的生活垃圾焚烧厂数量已达到418座，还有167 座正在建设，其中，机械炉排炉占80％以上。
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2 机械炉排炉技术特点及对耐火材料要求
生活垃圾焚烧是十分复杂的物理化学反应过程，通常可将焚烧过程分为干燥、热分解、燃烧3 个阶段。焚烧炉型可分为机械炉排式、流化床式、旋转式，其中，机械炉排式焚烧炉是大型垃圾焚烧炉的主流设备。该类炉型的最大优势在于技术成熟，运行稳定，产生的灰渣量相对少，炉渣热灼减率低，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。目前，国内外主要应用的机械炉排式焚烧炉技术有德国的马丁、日本的日立造船、比利时的西格斯等。机械炉排式焚烧炉示意图如图4 所示。
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垃圾为不同组成的非均匀性混合物，其类型、数量和热值也有很大不同。为此，内衬耐火材料的理化性能应适应操作期间不同阶段的要求。垃圾焚烧炉的工作温度一般不超过1 200 ℃，但焚烧时产生的气体（如HCl、SO2、Cl2、CO 及碱金属气体等）对耐火材料的侵蚀较强。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。因而，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腐蚀性，以抵抗炉内酸性物质的腐蚀；3）良好的抗热震性，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。
3 机械炉排炉耐火材料应用现状
机械炉排式垃圾焚烧炉分为干燥区、燃烧区和燃烬区，按照耐火材料的使用位置可以分为垃圾推料器进料口区、炉排侧墙、前拱、后拱、炉顶和排渣口。这些区域炉衬所受的温度、机械强度和气氛都不相同，需要根据各自的工况特点选用相应的耐火材料。
垃圾焚烧炉墙损毁形式主要包括热应力造成炉墙结构破坏以及垃圾对炉墙耐火材料的机械磨损、附着、渗透和侵蚀等。
3. 1 炉墙结构破坏
不同焚烧阶段，工艺温度差异较大，各段炉墙受热不均匀。其中，燃烧段是温度最高区域，主要是绝热炉墙和风冷炉墙两种结构，风冷炉墙的稳定性要明显好于绝热炉墙的。但是无论哪种结构，服役时间较长以后，均会出现鼓包凸起。图5（a）是绝热炉墙服役一段时间后炉墙明显鼓包照片，中心区域凸起高度达到200 mm 以上。图5（b）示出了炉墙服役过程中的风冷炉墙，残余风冷炉墙空气夹层厚度由设计的60 mm 扩展为120 mm。
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焚烧炉运行过程中炉墙受热，炉墙内、外温度存在差异。炉墙耐火砖模拟分析的温度分布云图如图6 所示，构成炉墙的碳化硅砖由内部到外部存在较大的温度梯度。工作面与非工作面温度的差异使耐火砖向火面产生的膨胀比背火面的大。同时，焚烧炉内不同燃烧区域炉墙温度分布不均，使炉墙在温度较高的部位膨胀量较大。由于炉墙受炉体尺寸的约束，使整个炉墙产生较大的内应力，温度越高的区域产生的内应力越大，这导致高温区炉墙有向炉内凸起、鼓包的趋势。炉墙鼓包、凸起还与超负荷运营、工艺温度控制、起停炉频次、操作水平以及炉墙设计有关。
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