生活垃圾分类是国家推动生态文明建设的核心举措之一。随着国内垃圾分类的逐步推进，垃圾热值明显逐步增加，这是由于分类后，入厂垃圾中厨果类占比降低，纸类与橡胶类占比升高，渗滤液产率降低。2019年7月上海市生活垃圾分类政策实施后，贾悦等研究表明相比于混合投放，干垃圾密度下降约36.4%,含水率降低约36%,干垃圾低位发热量则突增至13160kJ/kg。徐振威等4以上海某生活垃圾焚烧厂为例，研究了上海市生活垃圾分类前后热值分布对比。分类前，进入焚烧厂垃圾热值6208～7165kJ/kg,均值6634kJ/kg;分类后，进入垃圾焚烧厂垃圾热值为7490～7997kJ/kg,均值7749kJ/kg,垃圾热值上升了1115kJ/kg,同比上升了17%。

“清洁低碳、安全高效”是垃圾焚烧行业高质量发展之路。在余热锅炉内衬材料方面，图1分别列出了国内和国外(日本、美国、欧盟)典型垃圾焚烧余热锅炉一烟道耐火材料布置方式，可以明显看出国内以浇注料方式为主，国外通常以挂砖方式为主。这是由于分类前单位质量垃圾中可燃分含量低，入炉垃圾热值低，浇注料方式耐火材料可以充分满足环保要求(850℃,2s),即烟气停留2s的行程内温度高于850℃。国外入炉垃圾热值高(通常高于8372kJ/kg),一烟道耐火材料以挂砖方式为主，可以使烟气热量高效地被管内工质吸收，从而设计经济合适的辐射受热面。

图1余热国锅内炉和耐国火外材典料型布垃置圾方焚式烧炉

高温烟气中热量如不能高效地被管内工质吸收，导致炉内超温，会引起浇注料退化、开裂等严重失效形式。这时，烟气中腐蚀性物质会侵蚀水冷壁，产生高温腐蚀现象，从而给垃圾焚烧炉余热锅炉的长周期稳定运行带来了挑战。为了适应垃圾热值提升，目前余热锅炉一烟道浇注料材质选择已从导热系数低的高铝质(～2W/(m·K))变成了碳化硅质(～6W/(m·K))。同时，垃圾焚烧锅炉内腐蚀性物质成分复杂，呈中性的碳化硅(SiC)材料耐酸碱成分侵蚀能力突出。因此，不管浇注料还是挂砖方式，余热锅炉一烟道都是以SiC为主体的耐火材料。表1列出了两种方式耐火材料的性能对比分析，可以看出挂砖在气孔率、机械性能，以及导热性能方面要优于浇注料。

表1 两种方式耐火材料的性能对比

为了分析挂砖方式在国内垃圾焚烧余热锅炉辐射受热面的应用可行性，本文从材质检验、换热效果、经济效益等方面，对垃圾焚烧余热锅炉一烟道耐火材料的浇注料方式和挂砖方式进行对比分析，以期为垃圾焚烧锅炉受热面优化设计提供一定的参考借鉴。

材质检验

1.1 材质氧化机制

国内生活垃圾焚烧烟气中水蒸气含量高，特别是采取直接喷水降温手段，其水蒸气含量位于20%～30%,对碳化硅质耐火材料具有较强的氧化破坏作用。浇注料方式耐火材料主要成分为碳化硅(SiC)和氧化硅(SiO₂),其SiC含量约65%,通过在炉内浇筑成型，并且需严格按照升温曲线烘干固化。挂砖方式耐火材料属于厂内预制砖，在约1450℃温度下纯氮气氛围中烘干成型，主要成分为碳化硅(SiC)和氮化硅(Si₃N₄、Si₂N₂O),其SiC含量约75%。每块砖尺寸约260mm×260mm,重约6.6kg。

图2表示了挂砖材质和浇注料材质在氧化侵蚀过程中的变化特征，由于浇注料材料致密度方面要低于挂砖，且碳化硅氧化过程中体积膨胀明显，最终导致浇注料开裂，加速材料退化。对于挂砖，厂内制砖过程中加入抗氧化的添加剂，同时调控烧砖气氛，因此，挂砖材质体积稳定，不易开裂/剥落，从而抗氧化能力远高于浇注料，同时，致密度越高的材料抗氧化程度越强。

图2 挂砖材质和浇注料材质氧化过程

式(1)～式(4)列出了浇注料和挂砖材质在炉内高温高水蒸气氧化性气氛下成分变化，一般认为在温度大于500℃情况下，碳化硅和氮化硅会先被氧化成氧化硅晶粒4,同时，生成的氧化硅会进一步被水蒸气氧化成气态氢氧化物。

相宇博等基于GB/T2997—2015检测试样氧化前后的体积密度、显气孔率，计算氧化处理前后试样的体积变化率和质量变化率。结果表明：氮化硅氧化后体积变化率要低于碳化硅，且碳化硅结合氮化硅的挂砖材质展现出良好的抗氧化能力。

1.2 材质氧化试验

为适应国内生活垃圾焚烧烟气中水蒸气含量高的特点，挂砖材质进行了改善。根据ASTMC863(83/88/2000)评价碳化硅耐火材料高温抗氧化性试验方法，将挂砖材质和浇注料材质放置于恒温电阻炉中，控制温度在900～1000℃,通入计量的水蒸气流量，每小时32kg/m³,试验时间500h。

图3展示了挂砖材质和浇注料材质氧化后质量和体积变化率，可以看出挂砖材质质量增重逐步变缓，意味着材质形成了抗氧化的保护层。同时，挂砖材质体积变化率小于0.8%,满足出厂验收要求，这是由于氧化产物填充了挂砖内的气孔，形成保护层阻止了基材进一步氧化。对比可以明显看出浇注料材质质量增重和体积膨胀明显，易产生开裂脱落现象，符合上述材质氧化机制。

图3 挂砖材质和浇注料材质氧化后质量和体积变化率

换热效果

2.1 传热系数对比

以单条线处理规模750t/d、设计低位热值8372kJ/kg的生活垃圾焚烧炉为计算对象，其主蒸汽参数为6.4MPa/450℃,水冷壁管规格φ60mm×5mm,管间距85mm。采取上述两种方式对耐火材料进行敷设，如图4所示，两种方式的耐火材料敷设在管子表面厚度相同，均为40mm。此外，实际锅炉运行过程中耐火材料表面还会黏附积灰层。受热面总的传热系数可以通过热流平衡计算，如式(5)。

式中：K为受热面总的传热系数，W/(m²·K);h₁为烟气侧对耐火材料的表面传热系数，W/(m²·K);h₂为管内工质对管内壁的表面传热系数，W/(m²·K);δ;分别为管壁、耐火材料以及结焦层厚度，m;λ;分别为管壁、耐火材料以及积灰层导热系数，W/(m·K)。

假设浇注料和挂砖表面积灰厚度都是5mm,受热面总的传热系数分别为84W/(m²·K)和109W/(m²·K)。考虑到浇注料表面积灰趋势强，假设其表面积灰厚度15mm,受热面总的传热系数为65W/(m²·K)。因此，采取挂砖方式的受热面总的传热系数是浇注料的1.3～1.67倍。

图4 两种耐火材料布置方式示意图

2.2 锅炉热力计算结果对比

余热锅炉一烟道耐火材料分别采取浇注料和挂砖方式，以单条线处理规模750t/d、设计低位热值8372kJ/kg的生活垃圾焚烧炉为计算对象，锅炉热力计算结果见表2,可以看出相比于浇注料，采取挂砖方式的一烟道出口计算烟温可降低32℃。同时，按照焚烧炉烟气停留2s的行程内温度高于850℃的计算模型[8],可以计算出锅炉最大连续出力(BMCR)工况下温度高于850℃的烟气停留时间为3.3s,70%BMCR工况下温度高于850℃的烟气停留时间为3.1s。因此，从热力计算角度，挂砖方式耐火材料不仅可以有效降低炉膛内烟温，而且满足环保监测要求。

表2 两种方式耐火材料的锅炉热力计算结果对比

经济效益

3.1 工艺流程说明

一烟道挂砖方式耐火材料工艺流程：加工厂内烧制成型十炉内焊接挂钩十自流料拼接十自流料烘炉固化。浇注料方式耐火材料工艺流程：加工厂内水冷壁管焊接销钉十现场调配浇注料、浇注料立模十烘炉固化。

挂砖方式的安装模型图见图5,金属挂钩焊接在肋板上，而不是受热面上，保证了受热面的安全。浇注料方式固定的销钉焊接在受热面上，焊接处为应力集中点，抗腐蚀能力最弱，因此，焊接处为爆管风险点，需要定期维护。为了防止挂砖脱落，每块挂砖由2个金属挂钩独立支撑，周边配套耐高温纤维纸和自流料以阻隔炉内热气流对金属部件的腐蚀。

图5 挂砖方式的安装模型图

为了验证挂砖方式耐火材料施工质量，开展了挂砖施工试验，采取了管屏材质/尺寸、挂钩材质/尺寸、挂砖材质、自流料、焊机参数及其他辅助材料与实际项目施工现场完全一致的方式。图6展示了挂砖施工试验过程，灌注自流料后，不同部位的自流料液面高度一致，说明自流料的流动性良好。

图6 挂砖施工试验过程

为更好地检测挂砖结合强度以及灌注的自流料在砖内充满度，对挂砖后的砖面进行破坏性试验。图7展示了破坏性试验过程，现场试验显示挂砖方式耐火材料耐冲击，抗压，常温耐压强度高达147MPa,能够满足炉内高温氛围下机械性能要求。同时，观察其背部凝固后自流料，见图7(b),未发现气泡和空洞，且表面光滑，挂口位置与挂砖挂口形状一致，说明自流料填充饱满。

图7 挂砖材料破坏性试验过程

3.2 经济效益分析

对于单条线处理规模750t/d、设计低位热值8372kJ/kg的生活垃圾焚烧炉，余热锅炉一烟道耐火材料面积为360m²左右。表3汇总了两种方式耐火材料的经济计算结果，在投入方面，主要考虑建设费用和维修费用;在产出方面，相比于浇注料方式，主要考虑挂砖方式在运行期间垃圾处理量和发电量增加带来的收益，以及减少停炉时长带来的损失。采取浇注料方式，单条线投入约为40万元，挂砖方式投入约100万元。在炉膛高温高水蒸气氧化性氛围下，浇注料的耐用性约2a,挂砖约5a。因此，折算成每年耐火材料投入都是约20万元。后期维修费用方面，考虑挂砖每年的替换率约3%,每年维护费用约10万元;浇注料每年的维护费用约20万元。

挂砖方式耐火材料相比于浇注料，具有吸热性能优，抗氧化性强特点。通过测算，每年可多烧6000t垃圾，多发电270万kW·h,以垃圾处理80元/t、标杆电价0.42元/(kW·h)计，带来直接经济效益160万元。同时，考虑挂砖维修方便，减少了停炉时间，以年减少停炉时间4d,每天停炉损失18.75万元计，折算每年减少停炉损失约75万元。因此，一烟道采取挂砖方式耐火材料具有良好的经济效益，每年约235万元。

表3 两种方式耐火材料的经济计算结果汇总

结语

本文系统地从材质检验、换热效果、经济效益方面对垃圾焚烧余热锅炉一烟道耐火材料的浇注料方式和挂砖方式进行了对比研究，以单条线处理规模750t/d、设计低位热值8372kJ/kg的生活垃圾焚烧炉为例，得出以下结论：

(1)随着国内垃圾分类的逐步成熟，以及垃圾热值的提高，一烟道合理布置挂砖方式耐火材料有助于加强垃圾焚烧余热锅炉辐射受热面吸热能力，为受热面的经济布置提供依据。

(2)为适应国内生活垃圾焚烧烟气中水蒸气含量高的特点，挂砖材质进行了改善。从而相比于浇注料，挂砖方式具有吸热性能优，抗氧化性强等优点。折算成每年耐火材料总投入减少了10万元，总收入增加了235万元，具有良好的经济效益。

(3)采取挂砖方式的一烟道出口计算烟温可降低32℃(BMCR下),同时烟气停留时间满足850℃、2s环保监测要求。后期结合实炉的应用效果，为高热值锅炉受热面的优化设计和技术改造提供借鉴。

文章来源：锅炉技术

作者单位：上海康恒环境股份有限公司