耐热耐磨炉排材质的组织和性能研究(综述)

文献综述报告

耐热耐磨炉排材质的组织和性能研究

研究生：陈家坚

指导教师：朱权利

学号：200920102154

学院：机械与汽车工程学院

专业：材料加工工程

华南理工大学研究生院

二〇一〇年十一月

耐热耐磨炉排材质的组织和性能研究

摘要：研究了我国大型城市生活垃圾倾斜逆推式炉排炉中炉排片的工况条件，提出了相应工况下对炉排片材质耐热耐磨的要求。对国内外耐热合金及高温耐磨合金材料的发展现状作了简述，并综合分析了国内外炉排材质的研究和应用状况，提出了我国大型城市生活垃圾焚烧往复炉排材质的现存问题，进而指出其发展趋势。最后，提出了大型城市生活垃圾焚烧炉往复炉排材质的成分设计及其优化思想，为炉排材质的成分设计和组织性能研究提供一定的理论指导。

关键词：炉排，耐热，耐磨，组织，性能

1 前言

当前，城市生活垃圾处理已成为我国各个城市面临的严峻问题。随着国民经济的高速发展以及人民生活水平的提高，生活垃圾日渐增多,如果处理不当将造成生态环境的严重破坏。采用焚烧法来处理固态垃圾是实现其无害化、减量化、资源化的有效手段，在国内外受到了日益广泛的重视[1]。

目前，大型生活垃圾焚烧设备通常有流化床、回转窑、热分解炉和机械炉排焚烧炉等。机械炉排焚烧炉的技术完善可靠，容量大，对垃圾的适应性强，绝大部分固体垃圾不需要任何预处理可直接进炉燃烧，尤其适用于大规模垃圾的集中处理，可进行垃圾焚烧发电（或供热），其应用占全世界垃圾焚烧市场总量的80%以上[2]。针对我国目前垃圾处理的现状以及我国城市生活垃圾高水分、低热值的特点，机械往复炉排焚烧炉技术是最适宜我国城市垃圾焚烧的技术。

由于垃圾焚烧技术较复杂、技术含量高，我国在这方面的技术力量相对来说还比较薄弱，其中大型城市生活垃圾往复炉排炉焚烧厂的建设主要还是依靠引进国外先进的焚烧炉，建设投资相对较高。炉排是往复炉排中堆置垃圾并使之充分燃烧的重要部件，生产高性能的炉排是大规模焚烧炉的关键技术之一。然而，炉排的进口价格昂贵，运行成本很高，如果长期依赖国外进口，势必影响企业的效益，导致垃圾发电的推广应用受到阻碍。因此，在消化吸收国外先进技术的基础上，研制适合我国城市垃圾焚烧往复炉用炉排，使其综合性能和使用寿命达到或超越国外先进产品的水平，同时降低制造成本，提高其商业应用水平，具有重要的意义。

2 机械往复炉排的工况特点及其对材质的要求

机械往复炉排是垃圾焚烧炉中当前最为优越的城市生活垃圾焚烧设备，分为水平式和倾斜式两种，其中倾斜式又可分为逆推式和顺推式。倾斜逆推式往复炉排在机械往复炉排中焚烧效率最高，但其炉排的工况条件也最为恶劣，因而对炉排材质也提出了更高的要求。现以某大型逆推倾斜式垃圾焚烧炉排为例来阐述炉排的工况特点，其示意图见图1。

图1倾斜逆推式往复炉排示意图

生活垃圾焚烧炉排的技术特点、我国城市垃圾的特点、焚烧工艺以及垃圾燃烧产物特点决定了炉排的工况条件。

（1）技术特点：大型焚烧炉单机日处理量可达800t/d；可以以油为辅助燃料，不需掺煤；进炉垃圾不需预处理；依靠炉排的机械特殊运动实现对垃圾的翻动与混合，提高垃圾燃烧效率；焚烧炉内垃圾可稳定燃烧，飞灰量少，炉渣热酌减率较低；各方面技术成熟，设备年运行时间达8000小时以上；不宜经常起炉或停炉。

（2）我国城市垃圾特点:我国城市生活垃圾具有“高水分、低热值”的特点，且垃圾组成中餐厨余垃圾所占比例高，生活垃圾管理不规范，混合收集，固体杂质较多。

（3）工艺特点：炉排炉燃烧室分为预热干燥区、主燃区和燃烬区, 为了防止垃圾低温燃烧时产生有害气体，燃烧温度需控制在850℃-950℃，且烟气在该温度区域停留时间至少2s[3]。为保证垃圾的充分燃烧，加速垃圾的干燥过程，一般燃烧空气先进行预热后再进入炉内，针对我国垃圾的特性，通常将一次风加热到250℃左右[4]。垃圾焚烧炉一次风主要来自垃圾贮存坑，其中含有少量垃圾腐蚀发酵产生的臭气NH3、H2S等。但为了使垃圾充分稳定燃烧，一次风加热后由炉排底部引入且燃烧过剩空气系数为：1.2～1.6，这使得炉排工作在氧分压保持较高的条件下，一次风同时也对炉排片起到了冷却的作用[5]。

（4）燃烧产物特性：垃圾焚烧过程中产生的炉渣是由陶瓷和砖石碎片、石头、玻璃、熔渣、铁和其他金属及可燃物组成的不均匀混合物。大颗粒炉渣（>20mm）以陶瓷/砖块和铁为主；小颗粒炉渣（<20mm）则

主要为熔渣和玻璃[6]。炉渣中部分径粒较大的会留在炉排上部，在垃圾焚烧过程将对炉排片的工作面产生磨

损作用。炉渣的主要组成元素有Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K和Mg，与飞灰相比,炉渣中的重金属（如Cd、Hg、Pb和Zn）含量比较低；炉渣的溶解盐量小于1%（主要为Ca、Na和K的氯化物），炉渣的主要成分为SiO2、Al2O3、CaO等[7]。

同时，我国城市垃圾中含有大量的塑料等有机物，燃烧时会产生较多的HCl、SO2等酸性气体。文献[8]中指出，在高温下垃圾焚烧锅炉的过热器及蒸汽管道部位金属材质易于产生高温氯化型腐蚀。氯化物型腐蚀发生的条件[9]，一是有足够高浓度的HCl存在，一般应≥0. 35 %；二是近壁处是还原性气氛，存在CO 和H2。氯化物型腐蚀单独存在的可能性不大，主要是HCl作为一种破坏氧化膜的腐蚀性气体，起到加速其它类型腐蚀的作用，同时受热面处于氧化性气氛可减轻氯化物型腐蚀。由垃圾焚烧的工艺特点可知，炉排片始终在氧分压较高的高温环境下，高温氧化应该是其主要的腐蚀形式。

综上可知，炉排片是在高温氧化性气氛为主、高温磨料磨损且负载条件下长时间不间断运行的。根据马晓茜等人对大型城市生活垃圾焚烧炉进行的数值模拟结果[10]，主燃区的温度最高，达到了950℃。同时炉排在使用过程中要求相互间配合紧凑，各部位间隙尺寸一致，一般间隙尺寸应在3～5mm之间。根据文献[11]、[12]的研究，炉排片的加强筋板与其工作面存在较大的温差，温差约在150-250℃左右。因此，恶劣的工况条件对炉排片的材质提出了以下要求：

（1）具有优良的耐热能力，即高温抗氧化性、热强性及高温下的组织稳定性；

（2）具有良好的抗高温磨粒磨损能力；

（3）热膨胀系数适宜，即炉排材质的热膨胀不影响炉排的正常工作。

3 国内外耐热合金及高温耐磨合金材料的发展现状

3.1 国内外耐热合金的发展现状

耐热合金材料包括耐热合金铸钢及耐热合金铸铁。耐热合金铸钢是指通过合金化设计，在高温下具有高的抗氧化性即热稳定性和热强性的特殊钢。耐热合金铸铁与耐热合金铸钢相比，其含碳量较高，但二者的合金化原理相似。为了提高合金的热稳定性，通过合金化方法加入Cr、Si、Al和Ni等元素后，合金在高温氧化环境下表面就容易生成高熔点致密的且与基体结合牢固的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，或形成致密的复合氧化膜，提高合金氧化膜的热稳定性。因此，根据合金化方法可将炉排材质分为Cr系、Si系和Al系耐热材料。

随着工业的发展，高温工况条件越来越恶劣，为了延长设备的使用寿命，国内外一直致力于耐热合金材料的研究，发展了一系列的耐热铸钢和耐热铸铁。Cr系耐热钢以其优异的热强性、抗蠕变性以及良好的抗高温氧化与其它类型腐蚀能力，引起了人们广泛的关注[13,14,15]。国内外对其的研究大多是应用于石油、化工和电站锅炉[16,17]等行业，例如锅炉过热器、联箱和蒸汽管道等。这些耐热钢主要为铬含量在9 %~12 %的高铬耐