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利用水泥窯消納城市垃圾是當(dāng)前乃至今后較長(zhǎng)時(shí)期處理垃圾的一種方向性手段，為配合垃圾處理系統(tǒng)的運(yùn)行，原水泥燒成系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備必須做一定的技術(shù)改造。中信重工機(jī)械股份有限公司洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱在利用水泥窯消納城市生活垃圾的科研項(xiàng)目中，依托洛陽(yáng)黃河水泥有限公司一期4500 t/d水泥熟料生產(chǎn)線的條件來(lái)設(shè)計(jì)城市生活垃圾處理線。該生產(chǎn)線主要是由皮帶機(jī)將破碎后的生活垃圾輸送到垃圾焚燒爐中，在焚燒爐內(nèi)引入水泥窯系統(tǒng)三次風(fēng)對(duì)生活垃圾進(jìn)行高溫焚燒。灰渣再經(jīng)過(guò)灰渣冷卻器進(jìn)行冷卻。部分垃圾焚燒飛灰隨三次風(fēng)管內(nèi)煙氣進(jìn)入分解爐內(nèi)，隨水泥生料進(jìn)入水泥窯鍛燒，得到穩(wěn)定固化處理。為調(diào)整垃圾焚燒爐中熱風(fēng)用量，需要對(duì)原水泥線三次風(fēng)管進(jìn)行改造，即在該管道上安裝一個(gè)重量達(dá)25 t調(diào)節(jié)閘閥，以下簡(jiǎn)稱“閘閥協(xié)并在該管道前后開口取風(fēng)和回氣。對(duì)于已經(jīng)建好并正在使用的設(shè)備來(lái)說(shuō)，此番改造具有相當(dāng)大的難度。本文就此改造的設(shè)計(jì)方案確定及相關(guān)強(qiáng)度CAE分析驗(yàn)算作一介紹。
原三次風(fēng)管直徑φ3.1 m，長(zhǎng)度近60 m最高點(diǎn)離地約40 m，最低端距地約16 m，由三段管段組成，長(zhǎng)度分別為14.5，23，22.4m，各段通過(guò)耐高溫膨脹節(jié)連接過(guò)渡，以補(bǔ)償熱工狀態(tài)下的熱漲量。管道內(nèi)部還設(shè)有厚度為200 mm耐火材料，管道總重量約410 t。管道中間設(shè)有兩個(gè)支架，其高度分別為18.462 m和27.600 m。
在垃圾焚燒系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)之初，考慮閘閥的操作和維護(hù)，我公司將閘閥的位置設(shè)計(jì)在三次風(fēng)管的低端短管上，距離地面17m處。但在施工之前，業(yè)主提出：低端增加閘閥以后，對(duì)管道內(nèi)粉塵流動(dòng)會(huì)有影響，在熱工運(yùn)行時(shí)，容易造成粉塵堆積，產(chǎn)生大量積灰，影響熱工操作及設(shè)備的穩(wěn)定性，建議將閘閥位置向上移，在接近到焚燒爐排風(fēng)管與三次風(fēng)管交匯口處，以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。
但按方案2，閘閥將安裝在三次風(fēng)管支撐的上方，對(duì)原有管道的支承形式和穩(wěn)定性都是一個(gè)考驗(yàn)。因?yàn)榇斯芏渭雀哂珠L(zhǎng)，跨距較大，且閘閥自重近25 t。如果重新另外設(shè)置新支架，需要設(shè)置一個(gè)接近35 m高的四柱支架，使用近lOt的鋼材，并需要開挖較大面積的土方；而且閘閥的安裝施工周期也將大大延長(zhǎng)，影響下次燒成線的點(diǎn)火計(jì)劃；同時(shí)，若要重新設(shè)置的支架，其位置將會(huì)影響附近一條道路的通暢，會(huì)給生產(chǎn)流通帶來(lái)諸多不便。
為了滿足生產(chǎn)使用需求，減少管道內(nèi)的積灰量，又可使閘閥能夠順利安裝，保證施工周期，我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察和圖紙資料分析，決定在三次風(fēng)管支架 (標(biāo)高27.600 m)上做文章。即在支架的兩個(gè)支撐點(diǎn)之間，利用管道的膨脹段節(jié)的間距，對(duì)膨脹節(jié)位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)對(duì)其中一個(gè)支撐點(diǎn)的支撐形式進(jìn)行改造，就可以實(shí)現(xiàn)閘閥的安裝。
為此，我們根據(jù)閘閥安裝要求，將原膨脹節(jié)位置向下挪移，將原來(lái)支架上部的傾斜支撐改為垂直支撐，在管道端口處通過(guò)橢圓形配對(duì)法蘭與閘閥連接，從而實(shí)現(xiàn)閘閥的安裝。這既滿足了垃圾焚燒系統(tǒng)用風(fēng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)要求，又滿足了業(yè)主對(duì)水泥線的生產(chǎn)要求，成為本次三次風(fēng)管改造工程的一個(gè)亮點(diǎn)。
為了確保三次風(fēng)管改造方案不出紕漏，做到萬(wàn)無(wú)一失，我們根據(jù)有限資料和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，利用我公司CAE的技術(shù)力量，對(duì)最終考慮方案進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。在模擬過(guò)程中，通過(guò)對(duì)比和分析，篩選出可行的方案并進(jìn)行修改完善，得出了一個(gè)穩(wěn)妥可靠的設(shè)計(jì)方案，以用于實(shí)際的改造施工當(dāng)中。
三次風(fēng)管及支承的材料為Q235，常溫下的屈服強(qiáng)度235 MPa。考慮到三次風(fēng)管的鋼板處工況溫度為200℃(風(fēng)管內(nèi)有保溫材料)，三次風(fēng)管及支撐在200℃下的屈服強(qiáng)度為210 Mpa。
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