垃圾焚烧发电厂炉排炉耐材衬里结构设计优化

石书冰，黄晓锋，江 兴，王佳平，陈 阳，曾存峰，王文武

(1.中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，河南 洛阳 471039；2.南宁建宁康恒环保科技有限责任公司，广西 南宁 530000；3.四川川锅锅炉有限责任公司，四川 成都 610400)

垃圾焚烧工艺目前是世界上公认的减量化处理垃圾的有效办法，焚烧城市生活垃圾回收能源不但在世界经济发达国家广泛采用，而且随着我国经济社会的进步和发展、人民群众生活水平的日益提高，近几年在我国各地的应用也呈现了爆发式增长。相关统计数据显示我国垃圾焚烧新增发电装机容量由2016年81万kW增至2020年311万kW，年均复合增长率约40%。

目前，国内垃圾焚烧炉排炉水冷壁所用衬里结构，主要是在膜式水冷壁管壁表面焊接锚固件并在其间通过浇筑或涂抹方式填充不定形浇注料。这种结构，在炉排炉运行一段时间后，特别是超负荷运行时，通常出现表层耐火材料逐步粉化，内部锚固件腐蚀现象，使得表层粉化的浇注料不能有效保护锚固件和水冷壁免受高温腐蚀，内层未粉化浇注料又因锚固件层层密布而难以拆除，导致在耐材检修时连同水冷壁一起更换。

本文通过对垃圾焚烧炉排炉水冷壁现有衬里结构体系的分析，结合垃圾焚烧炉水冷壁结构、锚固件布置、衬里耐材性能等因素，提出了炉排炉用高导盾衬里结构体系优化方案，并对这两种衬里结构在热传导、保护方式和维护更换方面进行了对比。

1 衬里结构设计

1.1 耐材衬里存在问题

在垃圾焚烧领域一体式余热锅炉被广泛采用，它包含专门为垃圾焚烧而设计的燃烧室，包括燃烧室炉墙的特殊设计；还包括与燃烧室密切配合的密闭式锅炉炉膛，也称为第一烟道[1]。为保证全部烟气在850 ℃以上停留2 s以上时间要求，通常在燃烧室和第一烟道水冷壁表面铺设耐火材料。

在垃圾焚烧过程中，物料分子转化的化学过程和各种物理传递过程同时发生。由于垃圾组分及辅助燃料的成分随地域差异巨大，通常在描述可燃组分时用CxHyOzNuSvClw表示，完全燃烧情况下，各有机成分理论上的焚烧产物包含： CO2、H2O和酸性气体HCl、HF、SOx，NOx等，而金属等无机物根据焚烧元素的种类和焚烧温度，在焚烧后可生产卤化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氧化物、硅酸盐等[2-5]。

在垃圾焚烧过程中，炉膛温度会超过1 000 ℃，此时浇注料中SiC与高温蒸汽理论上将发生水化反应，生成SiO2：

(1)

浇注料中Al2O3、SiO2和水化产物中SiO2与焚烧后产物CaO、K2O、Na2O等碱金属氧化物会发生如式(2)、式(3)等的系列反应而生产相应的硅酸盐物质[6-9]。

(2)

(3)

当以上反应发生时，其一会导致浇注料形成疏松的表观结构，使得高温焚烧产物很容易黏附在浇注料表面，并进一步与内部浇注料发生反应，形成连续的焦块结构，从而影响正常烟气的流通。其二会导致浇注料内部渗入腐蚀性气体将锚固件侵蚀，从而造成浇注料大面积脱落或形成水冷壁漏点。

1.2 两种结构形式对比

当前耐火材料主流结构是水冷壁管壁锚固件+浇注料结构如图1左侧不定形浇注料结构体系所示；水冷壁鳍片锚固件+高导盾结构体系如图1右侧所示。

图1 两种炉排炉水冷壁衬里结构体系

水冷壁管壁锚固件+浇注料结构体系中锚固件材质为Q235A，浇注料理化性能典型指标如表1所示。水冷壁鳍片锚固件采用310S耐热钢，高导盾结构体系综合性能见表1。

表1 两种炉排炉水冷壁衬里结构材料理化指标对比

2 结构性能对比

2.1 热传导

焚烧垃圾产生的热量需要通过炉排炉水冷壁耐材衬里传至水冷管，水冷壁管壁锚固件+浇注料和高导盾结构体系两种衬里均属于平壁传热，对其传热计算模型进行简化如图2所示。

图2 炉排炉水冷壁衬里结构计算模型示意图

计算炉衬总热阻时对实际工况做了简化及适当的假设，并选取适当的参数：水冷壁材质为20G碳钢，导热系数48 W/(m·K)，壁厚5 mm，水冷管内温度一般在200～300 ℃，炉膛温度通常在1 000～1 100 ℃；挂砖厚度32 mm，自流料厚度8 mm，浇注料厚度取40 mm。根据多层导热理论计算公式[2]，炉衬总热阻为

(4)

式中：q为热流密度,W/m2；t为温度,K；δ为厚度,m；λ为导热系数,W·(m·K)-1。

结合表1、2中材料导热系数计算可得不定形浇注料结构体系总热阻为：4.10×10-3(m2·K)/W；高导盾结构体系总热阻为：2.39×10-3(m2·K)/W 。总热阻越高，炉衬导热效果越差，故高导盾结构炉衬热传导性能明显优于不定形浇注料炉衬。

2.2 保护方式

在水冷壁管壁锚固件+浇注料结构体系中，锚固件焊接在管壁表面。水冷壁管壁表面锚固件，顶端距热面不足20 mm，由非烧结不定形材料包裹；锚固件与不定形材料间相界间隙；不定形浇注料施工烘烤后，表层浇注料微观气孔或裂缝会大量存在。炉排炉在焚烧垃圾的过程中，烟气中含有的高腐蚀酸性气体及黏结灰必将黏附在耐火材料表面，高温下腐蚀气体通过微观毛细管道在锚固钉表面出现液化过程，此时出现的固液气三相界面将对锚固件进行腐蚀；同时由于高温烟气的侵蚀、浇注料的自重和焊接质量的多重因素影响，就导致腐蚀往往发生在锚固钉与管壁焊接部位，从而引起浇注料和锚固件的大面积脱落，影响锅炉运行的安全性和稳定性。

水冷壁鳍片锚固件+高导盾复合结构体系具有双层防护措施。高导盾经高温烧结气孔率在11%明显低于浇注料体系的15%，使得腐蚀性气体渗透难度增大；且高导盾体系自身耐高温腐蚀，从而保护其包裹层内锚固件及管壁免受腐蚀；高导盾复合结构体系与水冷壁之间的间隙，在体系内形成密封环境，腐蚀性气体难以渗入，从而避免锚固件被腐蚀。

2.3 维护更换

水冷壁管壁表面锚固件+浇注料，损毁现象通常表现为表层耐火材料逐步粉化，内部锚固件腐蚀。运行一段时间后，会出现表层粉化的浇注料不能有效地保护锚固件和水冷壁免受高温腐蚀，而内层未粉化浇注料又因锚固件层层密布而难以拆除。最终在检修时只好连同水冷壁一起更换。

在高导盾结构体系中，锚固件焊接在鳍片处且有双重防护， 该结构体系与膜式水冷壁形成自封闭环境，高导盾产品分块固定在单独的锚固件上，上下左右相互咬合减少了发生脱落的风险。若有局部脱落，也可在不伤及膜式水冷壁的情况下实现快速更换。

3 结 论

炉排炉用高导盾结构体系与水冷壁管壁表面锚固件+浇注料结构相比，高导盾衬里结构体系具有更优异的热传导性能、更好的耐高温腐蚀效果，并可在不更换膜式水冷壁的情况下实现快速检修维护，从而延长膜式水冷壁的使用寿命。