某加熱保溫箱型鋼筋混凝土厭氧發酵罐的結構設計淺析

鄭中華

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

近些年來，有機垃圾厭氧發酵產生沼氣發電的工藝技術在歐洲廣泛應用，我國目前已有北京、上海、廈門等城市嘗試引進此項處理技術，部分項目已初步建成并投入試運營。

厭氧發酵也稱沼氣發酵或甲烷發酵，是指有機物在厭氧細菌作用下轉化為甲烷（或稱沼氣）的過程。自然界中，厭氧發酵廣泛存在，但發酵速度緩慢。采用人工方法，創造厭氧細菌所需的營養條件，使其在一定設備內具有很高的濃度，厭氧發酵過程則可大大加快，稱為厭氧發酵工藝。厭氧發酵工藝項目設計中的一個關鍵環節是厭氧發酵罐的選型與設計，帶加熱系統的箱形保溫發酵罐是近年來發展較快的一種，本文就從結構專業設計角度淺析國內某加熱保溫箱型厭氧發酵罐的設計要點及技術難點。

2 工程概況

某工程選用的厭氧發酵罐為臥式箱型厭氧發酵罐，設有加熱保溫裝置，以利于發酵的進行。發酵罐幾何形狀為一個長方體，平面尺寸為38.5 m×8.4 m，高度為8.64 m，長方體的一端設置進料口，另一端設置出料口，頂部設置出氣口以排出發酵產生的沼氣，圖1為施工過程中的加熱保溫箱形厭氧發酵罐，上圖為發酵罐加熱管的布設，下圖為發酵罐主體結構的外部整體視圖。

3 工程地質條件

場地內地基巖土層為：素填土、耕土、粉質粘土、殘積礫質粘性土、砂礫狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖，見表1所列。

圖1 加熱保溫箱型鋼筋混凝土厭氧發酵罐施工現場

表1 地基土主要物理力學指標及設計計算參數建議值一覽表

擬建場地整體穩定性及地基穩定性均較好，場地具備天然淺基礎條件，場地較適宜擬建物的建設。

勘察期間，地下水初見水位埋深與地下水靜止水位埋深大致同，為3.20～9.60 m（標高32.21～36.58 m），據調查年水位變動幅度約1.5 m。

地下水對混凝土結構具弱腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中的鋼筋：水下部份無腐蝕性，干濕交替帶無腐蝕性；對鋼結構具弱腐蝕性。

4 發酵罐結構設計

4.1 結構形式的確定

平面尺寸為38.5 m×8.4 m，高度為8.64 m，矩形水池，采用現澆鋼筋混凝土水池結構。根據第3節所述地質情況，選定第③層粉質粘土層為基礎持力層，取承載力特征值為200 kPa，埋深約3 m，通過綜合比較，選定在發酵罐底板底設置立柱及柱下條基的基礎形式，滿足該工程發酵罐的承載力及沉降要求。

同時，參照給排水構筑物結構設計規范，該發酵罐為長度超過25 m的地上水池，設置一道后澆帶以消除施工階段溫度應力。

4.2 荷載計算

4.2.1 罐內水壓荷載

罐內水壓荷載由池內液體產生：

式中：γw——水或液體的標準容重，kN/m3；

hw——水(液體)的深度，m，

此處由于罐內所裝為即將發酵的固液混合垃圾，建議容重γw取值為12 kN/m3。

4.2.2 罐內氣壓荷載

由于發酵產生沼氣，罐內液體表面之上存在氣壓。該氣壓屬正常使用狀態下荷載，按永久作用考慮，計算時應將氣壓作為恒載疊加在水壓荷載中，按疊加后壓力值計算池壁內力。

最不利氣壓值根據安裝在發酵罐頂板上的泄壓閥控制壓力值確定，該工程取150 mbar，即為15 kPa，則疊加后的罐內水壓荷載為：

4.2.3 溫度荷載

由于該發酵罐池壁內表面保護層內設置加熱系統（見圖2），正常運行時罐內溫度約為55～58℃，發酵過程需要維持此運行溫度。如果不設置保溫層，在寒冷季節發酵罐體壁面溫差將過大從而產生較大的溫度應力，同時加熱系統的能耗將增大，所以該工程制定設計原則時要求發酵罐外壁必須設置保溫層，并且要根據廈門地區年最低月平均溫度選取合適的保溫層，以確保發酵罐體壁面溫差小于10℃。

復合層保溫池壁部分的傳熱按下式計算：

式中：q——熱流量，W/m2；

Ri——材料的熱阻；

t1——廈門地區最冷時的大氣月平均溫度，取13℃；

tw——池內液體溫度，取58℃；

a1——砂漿外表面與大氣的熱交換系數；

a2——混凝土內表面與水的熱交換系數；

λ1——鋼筋混凝土的導熱系數；

λ2——保溫層的導熱系數，該工程選用聚苯板的導熱系數；

λ3——水泥砂漿的導熱系數。

圖2 發酵管加熱、保溫設計圖（單位：mm）

該工程選用10 cm厚聚苯板保溫層，將數值帶入上式得，q=13.78 W/m2，混凝土內表面溫度t1=，混凝土外表面溫度=53.10（℃），由此得出發酵罐壁面溫差在設置保溫層以后僅為4.66℃，考慮發酵罐內溫度的局部差異，最終計算時取壁面溫差10℃。

值得一提的是，所選用的保溫材料不僅要有良好的隔熱性，還應滿足所在地區防火規范要求，位于底板底部的保溫層還需要滿足一定的強度要求。

4.3 荷載組合（見表2）

表2 地上式發酵罐結構計算的荷載組合一覽表

按照表2中的荷載組合，分別采用有限元軟件ROBOT2010進行整體計算，以及理正結構工具箱V5.62進行單塊板計算并相互校核，發酵罐長邊池壁準永久組合作用下的主要計算結果匯總如表3所列。

值得注意的是，采用有限元整體計算時，完全按照剛度分配彎矩，計算出發酵罐池壁外側豎直跨中：Myy=-303 kN·m/m（理正計算為 -155.84）；內測豎直下邊緣：Myy=264 kN·m/m（理正計算為348.64）；內測水平邊緣為 Myy=199 kN·m/m（理正計算為183.04）；與按照三邊固定，一邊簡支假定等效原則進行單塊板計算的理正計算結果有一定的偏差，尤其是豎向彎矩的跨中和根部分配差距較大。該工程最終采用兩者計算值的包絡值進行配筋。

考慮到該工程發酵罐有氣密性要求，且其內部高溫發酵物對發酵罐罐體存在強腐蝕性，該工程按照《工業建筑防腐蝕規范》中強腐蝕要求控制發酵罐體正常使用極限狀態下的裂縫限值，即0.15 mm。

4.4 加熱系統及其他預埋件設計

該工程加熱系統類似于家裝中的地熱系統，首先在發酵罐土建施工時，將直徑20 mm的軟管，間距200 mm，預埋在發酵罐體內壁保護層內，罐體需要加熱時將熱水循環打入軟管即可。工程設計時主要是考慮熱水軟管的預埋方法。該工程針對底板和側壁分別采用兩種不同的預埋方法：底板軟管預埋時直接將軟管固定在綁扎好的上層鋼筋上；側壁軟管預埋時先將軟管在平地上固定在D6@200的鋼絲網片上，然后分區域吊裝、固定在已經搭設好的池壁內側模板上，安裝時應采用預制增強纖維混凝土墊塊來確保混凝土保護層。

由于發酵罐有水密、氣密要求，罐體上的所有預埋件均應設置止水翼環，同時，根據需要在內壁、外壁進行鋼板包邊密封，圖3即為該工程進料口預埋管設計圖。

4.5 防腐設計

根據工藝專業提交的罐內化學成份組成，判定發酵罐內部為強腐蝕等級，相關技術參數見表4所列。

表4中腐蝕性等級是按照《工業建筑防腐蝕規范》（GB50046-2008）中3.1節確定的，根據該規范3.1.2條“同一形態的多種介質同時作用同一部位時，腐蝕性等級應取最高者”，該工程將發酵罐內表面腐蝕性等級確定為強腐蝕等級。根據規范對強腐蝕環境下混凝土材料的要求，發酵罐體采用C40混凝土，抗滲等級P8。罐體結構混凝土內參入礦物料、鋼筋阻銹劑，同時采用42.5級抗硫酸鹽水泥。

考慮到罐體內部長期處于攪拌摩擦狀態，如果采用混凝土表面涂層抗腐蝕將無法長久，采用塊材襯里時又影響加熱系統運行效果，結合國外工程經驗，并按照《工業建筑防腐蝕設計規范》（GB50046-2008），該工程設計采取以下防腐措施：（1）罐體混凝土要求按照《工業建筑防腐蝕設計規范》（GB50046-2008）中強腐蝕等級（同時結合歐洲規范中XA3腐蝕等級）下的混凝土要求，即C40，最大水膠比0.40；采用抗硫酸鹽水泥，水泥含量360～380 kg/m3；最大氯離子含量0.08；裂縫控制等級為三級0.15 mm。（2）罐體內表面混凝土保護層設置如下：池壁內表面、底板上表面70 mm（結合加熱管布置），頂板下表面50 mm。

表3 準永久組合作用彎矩表(單位：kN·m/m)（理正計算結果）

圖3 DN500進料管預埋件設計圖

表4 發酵罐內部腐蝕性等級確定一覽表

4.6 抗滲設計及氣密性、水密性試驗

鋼筋混凝土水池結構,一般宜加強混凝土本身的密實性來滿足抗滲要求。增加水泥用量可提高抗滲性,但用量過多會加大干縮量,反而對抗滲性不利,所以對水泥用量應有限制。該工程結合防腐要求采用抗硫酸鹽水泥，水泥含量360～380 kg/m3，最大水膠比0.40。一般可在混凝土制備過程中加入各種防水摻合料來提高其抗滲性，該工程要求罐體混凝土摻抗滲防裂劑，抗滲等級設計為P8。

由于整個罐體的正常工作狀態為下部液體，上部氣體，且存在一定的氣壓，這就要求整個發酵罐不僅要滿足水密性要求，同時也要滿足氣密性要求，這對整個混凝土的澆筑質量提出了很高的要求，包括一些施工縫等節點的處理都需要有更為可靠的技術措施。以下為該工程設計部分節點的做法（見圖5）：主要考慮了加熱系統嵌在結構混凝土內的構造，以及施工縫處二次注漿密封措施。

圖5 發酵罐防水構造設計圖

考慮到整個發酵罐對氣密性、水密性的要求，該工程設計時要求發酵罐體按照《給水排水構筑物工程施工及驗收規范》（GB50141-2008）進行滿水試驗。滿水試驗合格后，再進行氣密性試驗，試驗壓力宜為池體工作壓力的1.5倍。

5 結論和建議

加熱保溫箱形鋼筋混凝土厭氧發酵罐由于其加熱系統的存在，以及其氣密性要求，區別于常規的排水水池構筑物。該工程對于同樣具有加熱保溫要求的鋼筋混凝土水池，以及有氣密性要求的水池等類似工程的結構設計有一定的參考價值。對于類似工程的發酵罐結構設計應注意以下問題：

（1）基礎應坐落在壓縮性低并有充分承載力的天然地基上，或者是端承型樁基礎上，以避免不均勻沉降造成的罐體裂縫，影響發酵罐的正常使用。

（2）如有條件，可以采用高性能混凝土代替普通混凝土，施工時尤其注意振搗密實和加強養護，確保發酵罐體水密性和氣密性。

（3）頂板、池壁交界部位，可以通過設置腋角來避免局部彎矩過大造成的裂縫漏氣，從而滿足氣密性要求。

（4）發酵罐外所選保溫層，應滿足鋼筋混凝土罐體內外壁面溫差不大于10℃，對于寒冷的北方地區，可以將發酵罐布置在車間室內，以達到上述壁面溫差控制要求。

（5）由于發酵罐內部需要安裝攪拌器，發酵罐頂板澆筑前，應將攪拌器槳片、轉軸等設備零件提前擱置在罐體內，以便于后期設備安裝。

（6）待滿水試驗及氣密性試驗均判定為合格后，方可進行池壁外側保溫層施工。

[1]GB50069-2002，給水排水工程構筑物結構設計規范[S].

[2]給水排水工程結構設計手冊 [M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[3]大慶油田水池保溫設計.油田地面工程 (OSE)第11卷第5期（1992.10）[Z].

[4]GB50010-2010，鋼筋混凝土結構設計規范.[S].

[5]CECS l38-2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[S].