垃圾環保發電廠設計要點分析

李俊君, 何仲文, 王 芳

(中國輕工業成都設計工程有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

隨著我國城鎮化發展進程的不斷加快,城市及農村人口數量的持續增長,使得我國生活垃圾產量不斷擴大。據統計,2019年,我國196個大、中城市生活垃圾產生量為23 560.2萬t。其中,上海市的城市生活垃圾產生量最大,約為1 076.8萬t,其次是北京、廣州、重慶和深圳,產生量分別為1 011.2萬t、808.8萬t、738.1萬t和712.4萬t。城市生活垃圾對環境的危害非常大,對大氣環境、地下水源、土壤和農作物等方面都會帶來污染,而且會影響到城市居民的生活與健康,垃圾作為城市代謝的產物一度成為城市發展的負擔。目前,我國生活垃圾的處理方式卻遠遠滯后于發達國家,處理方式多為焚燒、堆肥、填埋、回收有用物質,并未達到清潔、降碳的處理結果,這使得我國每年因生產垃圾不科學處理而導致的溫室氣體排放量巨大。隨著人民生活品質的提高和生態文明建設的需要,生活垃圾的處置也朝著“資源化、能源化、無害化”方向發展。

據相關研究表明,垃圾通過合理的方式焚燒,可釋放出熱能,可用于供熱或發電。垃圾焚燒發電不僅能有效減量垃圾,還能有機的結合能源轉換,將廢物轉為電能,比起火電廠它的污染大大降低,垃圾焚燒發電是一種廢物資源化利用、無公害的清潔能源。近年來,在綠色轉型發展的國家政策及國情的引導下,垃圾環保發電廠發展的非常迅速,從落后于世界水平到現在我國已經是全球垃圾焚燒發電技術的領先地位,中國已經建成了年處理垃圾超300萬t的垃圾環保發電廠,每年1 515億t發電量,這一技術甚至連美國都還沒有實現。隨著我國提出了“碳達峰、碳中和”的發展目標,垃圾焚燒發電,將成為未來城市生活中解決生活垃圾、發展清潔能源的一個重要手段,我國也將會建設大量的垃圾焚燒發電站來實現垃圾的無害化、減量化和資源化。

1 垃圾貯坑受力分析

垃圾環保發電廠一般分為生產區、辦公生活區和輔助區[1],如圖1所示。其中,生產區的主廠房是垃圾環保發電廠的核心,而垃圾坑區域的垃圾貯坑又是主廠房最重要的部位之一,用于接收和貯存垃圾,而且垃圾貯存時,堆放發酵可以提高垃圾熱值。垃圾貯坑的設計質量將直接影響到主廠房的運行效率,且垃圾貯坑的土建工程量大、施工周期長,對整個工程的總投資和工期期影響較大[2]。垃圾貯坑是一個封閉且具有防滲防腐功能的鋼筋混凝土結構,由混凝土墻和混凝土框架構成,高度一般為-6～22 m,卸料門高一般為7 m,坑內垃圾堆載會對側壁產生較大側壓力,故其設計難度也較大。因此,本文針對垃圾貯坑的設計方法進行了研究分析。

圖1 垃圾發電廠總平布置

垃圾貯坑受力分析,包括池壁和底板的受力分析,按其最不利情況進行分析,即按垃圾坑為最大容量堆放計算,如圖2所示。垃圾貯坑池壁的側壓力按主動土壓力計算,±0.000以上垃圾容重取5 kN/m3,±0.000以下因有滲瀝液,故取垃圾飽和容重10 kN/m3,垃圾貯坑池壁兩側的受力模型如圖3所示,并按圖3的受力模型進行池壁配筋計算。垃圾貯坑滿載時,底板荷載和基礎反力如圖4所示;但當垃圾貯坑空載時,垃圾貯坑底板跨中可能會產生比較大的負彎矩,反力如圖5所示,故在底板配筋時要驗算底板空載和滿載2個工況。

圖2 垃圾坑堆放剖面

圖3 垃圾貯坑池壁兩側的受力模型

圖4 垃圾貯坑滿載時底板荷載和地基反力

圖5 垃圾貯坑空載時地基反力

2 垃圾貯坑概念設計及構造措施

為了抵抗垃圾貯坑池壁強大的水平力,應該加強池壁平面外剛度,在設計中可采用的概念設計和構造加強措施:

(1)在垃圾貯坑池壁周圍設置附屬跨,提高池壁平面外的水平剛度,讓池壁和框架協同受力,以達到共同分擔水平力的目的。

(2)在受力較大的池壁標準層位置設置剛度較大的扁框梁,扁框梁與框架柱連接,加強池壁外的約束,將池壁的水平力通過該扁框梁傳至框架柱,以達到與框架協同受力的目的。

(3)垃圾貯坑設計的水平傳力模式為:池壁傳給起四周的扁框梁,再傳給與扁框梁連接的框架柱,框架柱通過附屬跨框架傳遞水平內力,達到垃圾坑框架協同受力的目的。

(4)在計算模型上也是采用三維空間模型和二維PK模型相結合的方法。先進行三維模型計算時,只保留角部墻體采用墻單元建模,其余墻體采用梁單元建模,按框架結構體系進行計算,滿足規范和使用要求以后,再進行PK二維計算,垃圾貯坑四周及附屬跨框架柱配筋采用PK二維計算結果和三維計算結果相結合的方法進行設計。按框架結構體系進行PK二維計算時,可不考慮垃圾貯坑池壁參與主體受力,同時,根據PK二維計算的結果進行柱配筋,這樣提高了框架結構承載力,將垃圾貯坑池壁作為第一道防線,框架結構作為第二道防線,框架結構的設計是偏于安全的。

3 除臭設計

生活垃圾通過垃圾車運送倒入垃圾貯坑后,要按區域堆放發酵,一般發酵時間為5～7天,當地溫度的高發酵時間可更短。滿足要求以后再通過垃圾抓斗投進受料斗,進入鍋爐焚燒。垃圾中有75%～80%是有機物,并含有大量的水分,在發酵過程中,經有氧、厭氧發酵等作用下,產生惡臭,發酵作用加快,臭味變得更加嚴重。生活垃圾的臭氣有氨氣、硫化氫、有機胺、有機硫、揮發性脂肪酸、一氧化碳、甲烷等,發酵以后會產生具有腐蝕性的滲瀝液,具有腐蝕性的滲瀝液會對存放的垃圾進行在腐蝕,該液體成分復雜,夾雜的污染物濃度極高。并且,這些氣體、液體有毒且有較強的腐蝕性。垃圾發電廠的垃圾坑區域的中控室、辦公區、參觀走廊,以及鍋爐間的渣掉控制室往往都設置在垃圾坑壁外側,以方便工作人員更好地觀察垃圾坑內垃圾的堆放、發酵以及投放情況,也方便參觀人員參觀垃圾貯坑及卸料大廳內部情況。垃圾坑屋面因跨度大,一般都采用鋼結構屋面,為了保證廠區、辦公區內以及周邊的環境,因此防腐、除臭、防止臭氣、滲瀝液溢出是垃圾發電廠關注并要解決的重要問題[3]。為防止臭氣及滲瀝液溢出對周圍環境及廠區的污染,在設計中可采取措施:

(1)廠區選址應該避開居民聚居區、自然保護區、古城景點等人口密集區,應根據當地主要風向選在人口密集區城鎮的下風口。

(2)廠區位置應選在城郊結合處,并且交通便利的地方,同時采用封閉性好的垃圾車運輸,以防止在運輸過程中滲瀝液、有害臭氣外漏對周邊沿途環境的污染。

(3)廠區內垃圾貯坑內的垃圾產生的臭氣應通過除臭、排風處理,使垃圾貯坑內產生負壓,以確保卸料大廳里的臭氣進入垃圾貯坑不外溢,將垃圾貯坑內的臭氣通過一次風機排入鍋爐進行焚燒。特別需要注意的是,由于垃圾貯坑里的空氣長期被一次風抽取,會導致垃圾貯坑內外形成負壓,容易導致垃圾卸料門很難打開,因此在使用過程中,要長期保持至少一個卸料門是打開的。

(4)臭氣和滲瀝液會對結構構件進行腐蝕,影響結構的承載力和安全性,因此,在設計的時候要嚴格控制與臭氣及垃圾直接接觸部位的裂縫,防止其通過裂縫腐蝕鋼筋,在設計中通常采用在混凝土中摻入適量的微膨脹劑的方法。當垃圾貯坑結構超長時,不應設置現澆帶,而應設置混凝土加強帶,以提高混凝土的抗滲等級,同時,在與臭氣和滲瀝液接觸的位置涂防腐防滲材料。

(5)垃圾貯坑內的滲瀝液通過±0.000以下的滲瀝液排 污孔流入滲瀝液管溝,最后進入到滲瀝液收集池,由泵打入滲瀝液處理站進行處理,處理完的水可回收作為廠區內的生產用水。這樣既避免了環境的污染,又能回收再利用,做到綠色環保節能。

(6)由于設備管道要進入垃圾貯坑內,必不可免的會在垃圾坑壁上開洞,為了防止臭氣溢出,應在洞口四周預埋不銹鋼預埋件,管道安裝完成后直接焊接密封。

(7)在建設經費富裕的情況下,可將垃圾貯坑以上的圍護墻體改為鋼筋混凝土墻,這樣可進一步提高了防臭效果和耐久性能。

4 總結

隨著我國對節能環保的要求和清潔能源的發展,垃圾焚燒發電站的建設需要也越來越大,并且垃圾焚燒發電站已經從一個單純的功能性建筑開始轉向作為一個具有良好舒適性,甚至作為地方標志性建筑。本文針對垃圾焚燒發電站中核心部位—垃圾貯坑進行結構設計分析,分別對垃圾貯坑池壁和底板進行了受力分析,垃圾貯坑的概念設計和構造措施、除臭設計進行了分析和總結,為結構設計師提供了設計參考,為我國垃圾發電站的發展提供一定的技術支持。