炉排炉可视作是以生活垃圾为燃料、主要以层燃方式燃烧并能实现能源回收利用的锅炉。炉排炉是当前城市生活垃圾焚烧采用最多的炉型,市场占比约80%,单炉日处理垃圾量现最高t。机械炉排是炉排炉的最关键设备,可根据炉排的类型对炉排炉进行分类。机械炉排有固定炉排、链条炉排、滚动炉排、倾斜顺推往复炉排、倾斜逆推往复炉排等,国外较为著名的有德国马丁(MARTIN)炉排、比利时希格斯(SEGHERS)炉排、日本田熊SN炉排、瑞士伟伦(VonRoll)R-I炉排等,国内光大国际、绿色动力、浙江伟明、杭州新世纪等公司已开发出自主知识产权的炉排。
现在典型炉排炉,垃圾投入炉膛下部的炉排上,在炉排上完成干燥和燃烧,燃尽的灰渣落下并收集,热烟气在经过炉膛上方第一烟道(烟道也称通道)及后面多个烟道的过程中将热量传递给锅炉水管,产生蒸汽发电或供热,烟气中二噁英等有害成分在经第一烟道上升过程中被高温有效分解。
炉排炉炉膛正常最高温度一般不超过℃(异常情况下可超℃),第一烟道内温度一般不超过℃,后续第二、三等烟道温度依次降低。传统思想认为炉排炉的炉衬工作温度不高,耐火材料受物理化学侵蚀作用不严重,材料选择可以很宽泛,但国内炉排炉耐火材料遍存在维修频繁问题。
随着对炉排炉寿命、稳定性和发电效率等的重视,炉排炉用耐火材料的技术理念已发生重大转变,关键部位耐火材料兼具传热和保护锅炉水管的双重作用,应视为关键功能耐火材料,炉排炉用耐火材料选择、配置、结构设计、施工和维修是一项技术复杂度较高的集成技术。炉排炉用耐火材料包括耐火制品、不定形耐火材料、陶瓷纤维、纳米绝热板、硅酸钙板等,耐火制品包括SiC砖、半SiC砖、高铝砖、莫来石砖、刚玉-莫来石砖、黏土砖等;不定形耐火材料包括SiC质、Al2O3-SiC质、Al2O3质、Al2O3,-SiO2质、SiO2质浇注料或可塑料等重质和轻质不定形材料;陶瓷纤维材料主要包括陶瓷纤维板、纤维毡和纤维棉,用于保温隔热。
炉排炉不同部位应根据工况合理选用耐火材料。垃圾投入口温度一般~℃,主要受垃圾的冲击磨损,工作衬一般使用强度较高的Al2O3质耐磨浇注料,非工作衬通常使用SiO2质轻质隔热浇注料和陶瓷纤维材料。炉膛两边侧墙国内现多采用风冷隔墙结构,风冷区域隔墙和炉排两边侧墙多数使用氧化物结合SiC砖,少数使用氮化物结合SiC砖;非风冷区域工作衬多数采用高铝砖和黏土砖,少数采用Al2O3质浇注料。炉膛前拱、后拱受高温火焰和烟气的物理化学作用后容易剥落,是炉衬的薄弱区域,其工作衬常采用莫来石质锚固砖与Al2O3质浇注料组合的炉衬方式,这种衬体实际使用效果普遍偏差,该部位现越来越多采用SiC质浇注料,后面配置水冷系统,使用效果明显优于无水冷系统的炉衬。灰渣出口部位的温度一般~℃,主要受残余物的磨损,工作衬多数采用Al2O3质耐磨浇注料。
第一烟道是热烟气(N2、水蒸气、O2、CO2、含硫气体、含氯气体等)上升、有效分解二噁英的区域,是炉排炉的最关键部位,现基本上都采用水膜壁结构,工作衬为耐火材料,外围密布锅炉水管,水管与炉壳之间砌筑轻质隔热耐火材料。现在,第一烟道中下部工作衬国内主要采用Al2O3,和Al2O3-SiC质浇注料或可塑料,中上部及顶部主要采用SiC质浇注料或可塑料;欧美国家第一烟道主要采用SiC砖和SiC填补料组合的衬体,SiC砖为小块复杂异型制品,称为挂砖或挂板,每块挂砖都采用不锈钢挂钩固定位置,挂砖与锅炉水管之间(间隙一般5~8mm)采用SiC质自流浇注料填充,挂砖形状、固定方式、炉墙结构、维修方法等专有技术一般都涉及相关知识产权。第二、三烟道及其他区域温度均低于℃,工作衬通常采用SiO2-Al2O3质浇注料或可塑料。大量实践表明,炉膛前拱和后拱、第一烟道工作衬是影响炉排炉寿命的关键部位,这些区域耐火材料在很大程度上决定了炉排炉的寿命和发电效率。
目前,国内外炉排炉在耐火材料使用上存在明显不同。欧美国家的先进炉排炉用耐火材料以SiC质耐火制品为主、不定形耐火材料为辅,不定形耐火材料中SiC质浇注料占比高,其中炉膛燃烧室及炉排两侧主要使用氮化物结合SiC砖,第一烟道工作衬多数采用SiC挂砖,这种炉体检修周期长,维修快捷,平均寿命一般可达6年。国内炉排炉耐火材料使用方式与欧美国家20世纪90年代炉排炉相近,主要使用Al2O3质、SiC质和Al2O3-SiC系浇注料或可塑料,其中炉膛燃烧室及炉排两侧使用氧化物结合SiC砖,第一烟道中下部工作衬主要使用Al2O3质高强耐磨浇注料,中上部主要使用Al2O3-SiC、SiC质浇注料或可塑料,这种炉衬基本上每年都要对第一烟道工作衬进行维修,炉衬损毁严重时会导致锅炉水管损坏,这种炉体寿命偏短,年运行天数和发电效率较国外先进炉排炉差距明显,耐火材料技术升级空间很大。
目前,我国是世界上炉排炉最多的国家(约台),数量还在快速增加,炉排炉设计单位和用户对耐火材料的重视程度正在加强。基于国内先进耐火材料,集成耐火材料结构设计、配置、施工和维修等各项技术是当前我国炉排炉耐火材料的发展方向。
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