废弃物焚烧炉所用耐火材料的选择

随着城市化进程加速和环保要求日益严格，废弃物焚烧作为一种减量化、无害化、资源化的处理方式，其重要性日益凸显。焚烧炉作为核心设备，其内衬长期处于高温、复杂化学侵蚀（酸性气体、熔融盐、碱金属蒸汽）、机械磨损（灰渣冲刷）以及频繁启停带来的热震等极端恶劣工况下。耐火材料作为保障焚烧炉安全、稳定、长周期运行的关键屏障，其合理选择与应用至关重要。选择不当不仅会导致内衬过早损坏、频繁停炉检修，增加运行成本，还可能影响焚烧效率与污染物排放控制。因此，深入理解焚烧炉各部位工况特点，科学选择适配的耐火材料，是提升焚烧设施整体效能的关键环节。

一、 焚烧炉工况特点与对耐火材料的核心要求

废弃物成分复杂多变（包含有机质、无机盐、金属、含氯/硫/碱金属化合物等），燃烧过程产生极具侵蚀性的环境：

高温：炉膛温度通常维持在850°C至1200°C以上（确保二噁英分解）。

复杂化学侵蚀：

酸性气体侵蚀：HCl、SO₂、SO₃等气体在高温下与耐火材料中的碱性成分（如CaO、MgO）反应生成低熔点化合物，导致熔蚀和结构疏松。

碱金属侵蚀：Na、K 等碱金属化合物以蒸汽或熔盐形式渗透侵入耐火材料内部，与基质反应生成膨胀性矿物（如钾霞石、白榴石），导致材料粉化、剥落（俗称“碱爆”）。

熔融灰渣侵蚀与渗透：焚烧产生的低熔点灰渣（含多种硅酸盐、铝酸盐）附着、熔融并渗透至耐火材料气孔和裂缝中，发生化学反应并改变材料结构。

热应力与热震：启停炉、工况波动导致温度急剧变化，产生巨大热应力；灰渣附着层剥落也会引起局部温度骤变。

机械磨损与冲刷：高速烟气携带的飞灰颗粒对炉墙、烟道等部位造成冲刷磨损；炉排上垃圾移动也带来机械摩擦。

还原-氧化气氛波动：不同燃烧区域可能存在局部还原性气氛，影响某些耐火材料（如含Cr₂O₃材料）的稳定性。

二、 焚烧炉关键部位与耐火材料选择考量

不同部位承受的侵蚀类型和强度存在差异，选材需“因地制宜”：

干燥段/燃烧段（炉排炉上部拱顶与侧墙）：

工况：高温、高浓度酸性气体（HCl为主）、碱金属蒸汽、熔融灰渣附着与侵蚀、热震。

选材考量：高抗酸性、良好的抗碱侵蚀性、抗热震性、一定的抗渣侵蚀性。通常避免使用含碱性的镁质、镁铬质材料。

常用选择：

高铝质耐火材料（Al₂O₃ ≥ 60-75%）：成本相对较低，抗酸性较好，但抗碱性和抗热震性可能不足。适用于侵蚀相对较轻区域或作为工作层后的背衬。

碳化硅（SiC）质耐火材料（浇注料、砖）：优势显著，优异的导热性（利于挂渣层稳定）、高硬度（耐磨性好）、出色的抗酸性、抗碱侵蚀性和抗氧化性（表面形成SiO₂保护层）、良好的抗热震性。是高侵蚀区域的常用选择，如侧墙、拱顶关键部位。

铬刚玉质或含铬刚玉质耐火材料：具有优异的抗侵蚀性（尤其抗渣、抗碱）和高温强度。需注意在还原气氛和特定温度下Cr³⁺可能转化为有毒的Cr⁶⁺的环保风险（“无铬化”是趋势）。

抗碱侵蚀特种浇注料：采用低钙、低硅、高纯原料（如板状刚玉、致密电熔刚玉），添加抗碱侵蚀剂（如锆英石、斜锆石），优化基质组成，显著提升抗碱爆能力。是当前研究与应用热点。

二次燃烧室/炉膛出口（炉排炉）或燃烬室（回转窑）：

工况：温度较高（≥1000°C），气流速度可能较快，飞灰冲刷磨损，气体侵蚀（含SOx），仍需关注碱金属和热震。

选材考量：良好的高温强度、抗热震性、抗飞灰冲刷磨损性、抗气体侵蚀性。

常用选择：高铝质、碳化硅质、抗碱侵蚀特种浇注料应用广泛。根据具体温度和冲刷强度选择不同等级的材料。

炉排区域（炉排炉特有）：

工况：直接接触移动垃圾，承受强烈机械磨损、冲击、高温氧化，以及垃圾渗滤液、熔融灰渣的化学侵蚀。

选材考量：极高的耐磨性、抗机械冲击性、良好的高温强度和抗热震性、一定的抗化学侵蚀性。

常用选择：高耐磨碳化硅砖/浇注料是主流，因其卓越的硬度和耐磨性。特殊合金铸件（如耐热耐磨铸铁/铸钢）也常与耐火材料配合使用。

流化床锅炉（布风板、风帽、密相区、稀相区）：

工况：床料（砂、灰）剧烈流化冲刷，磨损极其严重；高温；化学侵蚀（尤其含氯、硫、碱金属）。

选材考量：极端耐磨性是首要要求，同时需具备良好的抗侵蚀性和抗热震性。

常用选择：高耐磨、高强刚玉质或碳化硅质浇注料/捣打料是布风板、风帽周围、密相区等关键高磨损部位的核心选择。风帽本身通常采用耐热合金钢。稀相区可选用耐磨等级稍低的浇注料。

烟道、旋风分离器：

工况：含尘烟气高速冲刷，温度相对燃烧室较低（但仍可能高于酸露点），存在酸性气体冷凝腐蚀风险（尤其在低温段）。

选材考量：良好的耐磨性、抗酸性（尤其耐酸冷凝液腐蚀）、抗热震性。

常用选择：耐磨耐火浇注料（如高铝质、刚玉质、碳化硅质）用于高温段。低温段或易冷凝部位可考虑耐酸砖/板或耐酸浇注料。

三、 选材原则与综合考量

精准匹配工况：首要原则是深入分析具体部位的侵蚀主导因素（化学、热、机械）、温度范围、气氛、应力状态，选择针对性强的材料。

性能平衡：通常没有“全能”材料，需要在抗侵蚀性、抗热震性、耐磨性、导热性、成本之间寻求最佳平衡点。例如，碳化硅综合性能优异但成本较高；高铝质成本较低但抗碱蚀性可能不足。

结构设计与施工质量：合理的炉衬结构设计（如设置保温层、补偿缝）、规范的施工工艺（搅拌、浇注/捣打、养护）和严格的烘烤制度，对充分发挥耐火材料性能、延长寿命至关重要。

经济性与寿命周期成本（LCC）：不能仅看初始材料成本，需综合考虑使用寿命、维护频率、停炉损失、能耗（如导热性影响）等，选择综合效益更优的方案。

环保与可持续性：优先选择环保型材料（如无铬材料），关注材料的可回收利用性。

  废弃物焚烧炉耐火材料的选择是一项涉及多学科知识、需要丰富工程经验的综合性技术决策。面对复杂严苛的服役环境，单一材料难以胜任所有需求。成功的选材策略在于深刻理解各部位特定的损伤机理，精准匹配具备相应优势的材料体系（如在高侵蚀区侧重碳化硅或抗碱蚀特种材料，在高磨损区强调刚玉或碳化硅的耐磨特性），并结合合理的衬体设计和施工维护保障。随着废弃物组分日趋复杂和环保标准不断提升，耐火材料行业也在持续创新，开发性能更优、更环保、更长寿命的产品（如高性能低水泥/超低水泥结合浇注料、新型抗碱蚀添加剂、无铬环保材料等）。通过科学选材、精细施工与规范操作维护，可以有效提升焚烧炉运行可靠性，降低维护成本，为废弃物无害化处理与资源化利用提供坚实保障，助力循环经济发展与生态环境保护。