垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐耐材襯里結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

石書冰，黃曉鋒，江 興，王佳平，陳 陽(yáng)，曾存峰，王文武

(1.中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.南寧建寧康恒環(huán)保科技有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000；3.四川川鍋鍋爐有限責(zé)任公司，四川 成都 610400)

垃圾焚燒工藝目前是世界上公認(rèn)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(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用，而且隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展、人民群眾生活水平的日益提高，近幾年在我國(guó)各地的應(yīng)用也呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示我國(guó)垃圾焚燒新增發(fā)電裝機(jī)容量由2016年81萬(wàn)kW增至2020年311萬(wàn)kW，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約40%。

目前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒爐排爐水冷壁所用襯里結(jié)構(gòu)，主要是在膜式水冷壁管壁表面焊接錨固件并在其間通過(guò)澆筑或涂抹方式填充不定形澆注料。這種結(jié)構(gòu)，在爐排爐運(yùn)行一段時(shí)間后，特別是超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通常出現(xiàn)表層耐火材料逐步粉化，內(nèi)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(hù)錨固件和水冷壁免受高溫腐蝕，內(nèi)層未粉化澆注料又因錨固件層層密布而難以拆除，導(dǎo)致在耐材檢修時(shí)連同水冷壁一起更換。

本文通過(guò)對(duì)垃圾焚燒爐排爐水冷壁現(xiàn)有襯里結(jié)構(gòu)體系的分析，結(jié)合垃圾焚燒爐水冷壁結(jié)構(gòu)、錨固件布置、襯里耐材性能等因素，提出了爐排爐用高導(dǎo)盾襯里結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化方案，并對(duì)這兩種襯里結(jié)構(gòu)在熱傳導(dǎo)、保護(hù)方式和維護(hù)更換方面進(jìn)行了對(duì)比。

1 襯里結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 耐材襯里存在問(wèn)題

在垃圾焚燒領(lǐng)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(shè)計(jì)的燃燒室，包括燃燒室爐墻的特殊設(shè)計(jì)；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(shí)間要求，通常在燃燒室和第一煙道水冷壁表面鋪設(shè)耐火材料。

在垃圾焚燒過(guò)程中，物料分子轉(zhuǎn)化的化學(xué)過(guò)程和各種物理傳遞過(guò)程同時(shí)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(shí)用CxHyOzNuSvClw表示，完全燃燒情況下，各有機(jī)成分理論上的焚燒產(chǎn)物包含： CO2、H2O和酸性氣體HCl、HF、SOx，NOx等，而金屬等無(wú)機(jī)物根據(jù)焚燒元素的種類和焚燒溫度，在焚燒后可生產(chǎn)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(guò)程中，爐膛溫度會(huì)超過(guò)1 000 ℃，此時(shí)澆注料中SiC與高溫蒸汽理論上將發(fā)生水化反應(yīng)，生成SiO2：

(1)

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

(2)

(3)

當(dāng)以上反應(yīng)發(fā)生時(shí)，其一會(huì)導(dǎo)致澆注料形成疏松的表觀結(jié)構(gòu)，使得高溫焚燒產(chǎn)物很容易黏附在澆注料表面，并進(jìn)一步與內(nèi)部澆注料發(fā)生反應(yīng)，形成連續(xù)的焦塊結(jié)構(gòu)，從而影響正常煙氣的流通。其二會(huì)導(dǎo)致澆注料內(nèi)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(diǎn)。

1.2 兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

當(dāng)前耐火材料主流結(jié)構(gòu)是水冷壁管壁錨固件+澆注料結(jié)構(gòu)如圖1左側(cè)不定形澆注料結(jié)構(gòu)體系所示；水冷壁鰭片錨固件+高導(dǎo)盾結(jié)構(gòu)體系如圖1右側(cè)所示。

圖1 兩種爐排爐水冷壁襯里結(jié)構(gòu)體系

水冷壁管壁錨固件+澆注料結(jié)構(gòu)體系中錨固件材質(zhì)為Q235A，澆注料理化性能典型指標(biāo)如表1所示。水冷壁鰭片錨固件采用310S耐熱鋼，高導(dǎo)盾結(jié)構(gòu)體系綜合性能見(jiàn)表1。

表1 兩種爐排爐水冷壁襯里結(jié)構(gòu)材料理化指標(biāo)對(duì)比

2 結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

2.1 熱傳導(dǎo)

焚燒垃圾產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)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(dǎo)盾結(jié)構(gòu)體系兩種襯里均屬于平壁傳熱，對(duì)其傳熱計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2 爐排爐水冷壁襯里結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖

計(jì)算爐襯總熱阻時(shí)對(duì)實(shí)際工況做了簡(jiǎn)化及適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，并選取適當(dāng)?shù)膮?shù)：水冷壁材質(zhì)為20G碳鋼，導(dǎo)熱系數(shù)48 W/(m·K)，壁厚5 mm，水冷管內(nèi)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(jù)多層導(dǎo)熱理論計(jì)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(dǎo)熱系數(shù),W·(m·K)-1。

結(jié)合表1、2中材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算可得不定形澆注料結(jié)構(gòu)體系總熱阻為：4.10×10-3(m2·K)/W；高導(dǎo)盾結(jié)構(gòu)體系總熱阻為：2.39×10-3(m2·K)/W 。總熱阻越高，爐襯導(dǎo)熱效果越差，故高導(dǎo)盾結(jié)構(gòu)爐襯熱傳導(dǎo)性能明顯優(yōu)于不定形澆注料爐襯。

2.2 保護(hù)方式

在水冷壁管壁錨固件+澆注料結(jié)構(gòu)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(jié)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(huì)大量存在。爐排爐在焚燒垃圾的過(guò)程中，煙氣中含有的高腐蝕酸性氣體及黏結(jié)灰必將黏附在耐火材料表面，高溫下腐蝕氣體通過(guò)微觀毛細(xì)管道在錨固釘表面出現(xiàn)液化過(guò)程，此時(shí)出現(xiàn)的固液氣三相界面將對(duì)錨固件進(jìn)行腐蝕；同時(shí)由于高溫?zé)煔獾那治g、澆注料的自重和焊接質(zhì)量的多重因素影響，就導(dǎo)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(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

水冷壁鰭片錨固件+高導(dǎo)盾復(fù)合結(jié)構(gòu)體系具有雙層防護(hù)措施。高導(dǎo)盾經(jīng)高溫?zé)Y(jié)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(dǎo)盾體系自身耐高溫腐蝕，從而保護(hù)其包裹層內(nèi)錨固件及管壁免受腐蝕；高導(dǎo)盾復(fù)合結(jié)構(gòu)體系與水冷壁之間的間隙，在體系內(nèi)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(hù)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(nèi)部錨固件腐蝕。運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)表層粉化的澆注料不能有效地保護(hù)錨固件和水冷壁免受高溫腐蝕，而內(nèi)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(shí)只好連同水冷壁一起更換。

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

3 結(jié) 論

爐排爐用高導(dǎo)盾結(jié)構(gòu)體系與水冷壁管壁表面錨固件+澆注料結(jié)構(gòu)相比，高導(dǎo)盾襯里結(jié)構(gòu)體系具有更優(yōu)異的熱傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)快速檢修維護(hù)，從而延長(zhǎng)膜式水冷壁的使用壽命。