垃圾环保发电厂设计要点分析

李俊君, 何仲文, 王 芳

(中国轻工业成都设计工程有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

随着我国城镇化发展进程的不断加快,城市及农村人口数量的持续增长,使得我国生活垃圾产量不断扩大。据统计,2019年,我国196个大、中城市生活垃圾产生量为23 560.2万t。其中,上海市的城市生活垃圾产生量最大,约为1 076.8万t,其次是北京、广州、重庆和深圳,产生量分别为1 011.2万t、808.8万t、738.1万t和712.4万t。城市生活垃圾对环境的危害非常大,对大气环境、地下水源、土壤和农作物等方面都会带来污染,而且会影响到城市居民的生活与健康,垃圾作为城市代谢的产物一度成为城市发展的负担。目前,我国生活垃圾的处理方式却远远滞后于发达国家,处理方式多为焚烧、堆肥、填埋、回收有用物质,并未达到清洁、降碳的处理结果,这使得我国每年因生产垃圾不科学处理而导致的温室气体排放量巨大。随着人民生活品质的提高和生态文明建设的需要,生活垃圾的处置也朝着“资源化、能源化、无害化”方向发展。

据相关研究表明,垃圾通过合理的方式焚烧,可释放出热能,可用于供热或发电。垃圾焚烧发电不仅能有效减量垃圾,还能有机的结合能源转换,将废物转为电能,比起火电厂它的污染大大降低,垃圾焚烧发电是一种废物资源化利用、无公害的清洁能源。近年来,在绿色转型发展的国家政策及国情的引导下,垃圾环保发电厂发展的非常迅速,从落后于世界水平到现在我国已经是全球垃圾焚烧发电技术的领先地位,中国已经建成了年处理垃圾超300万t的垃圾环保发电厂,每年1 515亿t发电量,这一技术甚至连美国都还没有实现。随着我国提出了“碳达峰、碳中和”的发展目标,垃圾焚烧发电,将成为未来城市生活中解决生活垃圾、发展清洁能源的一个重要手段,我国也将会建设大量的垃圾焚烧发电站来实现垃圾的无害化、减量化和资源化。

1 垃圾贮坑受力分析

垃圾环保发电厂一般分为生产区、办公生活区和辅助区[1],如图1所示。其中,生产区的主厂房是垃圾环保发电厂的核心,而垃圾坑区域的垃圾贮坑又是主厂房最重要的部位之一,用于接收和贮存垃圾,而且垃圾贮存时,堆放发酵可以提高垃圾热值。垃圾贮坑的设计质量将直接影响到主厂房的运行效率,且垃圾贮坑的土建工程量大、施工周期长,对整个工程的总投资和工期期影响较大[2]。垃圾贮坑是一个封闭且具有防渗防腐功能的钢筋混凝土结构,由混凝土墙和混凝土框架构成,高度一般为-6～22 m,卸料门高一般为7 m,坑内垃圾堆载会对侧壁产生较大侧压力,故其设计难度也较大。因此,本文针对垃圾贮坑的设计方法进行了研究分析。

图1 垃圾发电厂总平布置

垃圾贮坑受力分析,包括池壁和底板的受力分析,按其最不利情况进行分析,即按垃圾坑为最大容量堆放计算,如图2所示。垃圾贮坑池壁的侧压力按主动土压力计算,±0.000以上垃圾容重取5 kN/m3,±0.000以下因有渗沥液,故取垃圾饱和容重10 kN/m3,垃圾贮坑池壁两侧的受力模型如图3所示,并按图3的受力模型进行池壁配筋计算。垃圾贮坑满载时,底板荷载和基础反力如图4所示;但当垃圾贮坑空载时,垃圾贮坑底板跨中可能会产生比较大的负弯矩,反力如图5所示,故在底板配筋时要验算底板空载和满载2个工况。

图2 垃圾坑堆放剖面

图3 垃圾贮坑池壁两侧的受力模型

图4 垃圾贮坑满载时底板荷载和地基反力

图5 垃圾贮坑空载时地基反力

2 垃圾贮坑概念设计及构造措施

为了抵抗垃圾贮坑池壁强大的水平力,应该加强池壁平面外刚度,在设计中可采用的概念设计和构造加强措施:

(1)在垃圾贮坑池壁周围设置附属跨,提高池壁平面外的水平刚度,让池壁和框架协同受力,以达到共同分担水平力的目的。

(2)在受力较大的池壁标准层位置设置刚度较大的扁框梁,扁框梁与框架柱连接,加强池壁外的约束,将池壁的水平力通过该扁框梁传至框架柱,以达到与框架协同受力的目的。

(3)垃圾贮坑设计的水平传力模式为:池壁传给起四周的扁框梁,再传给与扁框梁连接的框架柱,框架柱通过附属跨框架传递水平内力,达到垃圾坑框架协同受力的目的。

(4)在计算模型上也是采用三维空间模型和二维PK模型相结合的方法。先进行三维模型计算时,只保留角部墙体采用墙单元建模,其余墙体采用梁单元建模,按框架结构体系进行计算,满足规范和使用要求以后,再进行PK二维计算,垃圾贮坑四周及附属跨框架柱配筋采用PK二维计算结果和三维计算结果相结合的方法进行设计。按框架结构体系进行PK二维计算时,可不考虑垃圾贮坑池壁参与主体受力,同时,根据PK二维计算的结果进行柱配筋,这样提高了框架结构承载力,将垃圾贮坑池壁作为第一道防线,框架结构作为第二道防线,框架结构的设计是偏于安全的。

3 除臭设计

生活垃圾通过垃圾车运送倒入垃圾贮坑后,要按区域堆放发酵,一般发酵时间为5～7天,当地温度的高发酵时间可更短。满足要求以后再通过垃圾抓斗投进受料斗,进入锅炉焚烧。垃圾中有75%～80%是有机物,并含有大量的水分,在发酵过程中,经有氧、厌氧发酵等作用下,产生恶臭,发酵作用加快,臭味变得更加严重。生活垃圾的臭气有氨气、硫化氢、有机胺、有机硫、挥发性脂肪酸、一氧化碳、甲烷等,发酵以后会产生具有腐蚀性的渗沥液,具有腐蚀性的渗沥液会对存放的垃圾进行在腐蚀,该液体成分复杂,夹杂的污染物浓度极高。并且,这些气体、液体有毒且有较强的腐蚀性。垃圾发电厂的垃圾坑区域的中控室、办公区、参观走廊,以及锅炉间的渣掉控制室往往都设置在垃圾坑壁外侧,以方便工作人员更好地观察垃圾坑内垃圾的堆放、发酵以及投放情况,也方便参观人员参观垃圾贮坑及卸料大厅内部情况。垃圾坑屋面因跨度大,一般都采用钢结构屋面,为了保证厂区、办公区内以及周边的环境,因此防腐、除臭、防止臭气、渗沥液溢出是垃圾发电厂关注并要解决的重要问题[3]。为防止臭气及渗沥液溢出对周围环境及厂区的污染,在设计中可采取措施:

(1)厂区选址应该避开居民聚居区、自然保护区、古城景点等人口密集区,应根据当地主要风向选在人口密集区城镇的下风口。

(2)厂区位置应选在城郊结合处,并且交通便利的地方,同时采用封闭性好的垃圾车运输,以防止在运输过程中渗沥液、有害臭气外漏对周边沿途环境的污染。

(3)厂区内垃圾贮坑内的垃圾产生的臭气应通过除臭、排风处理,使垃圾贮坑内产生负压,以确保卸料大厅里的臭气进入垃圾贮坑不外溢,将垃圾贮坑内的臭气通过一次风机排入锅炉进行焚烧。特别需要注意的是,由于垃圾贮坑里的空气长期被一次风抽取,会导致垃圾贮坑内外形成负压,容易导致垃圾卸料门很难打开,因此在使用过程中,要长期保持至少一个卸料门是打开的。

(4)臭气和渗沥液会对结构构件进行腐蚀,影响结构的承载力和安全性,因此,在设计的时候要严格控制与臭气及垃圾直接接触部位的裂缝,防止其通过裂缝腐蚀钢筋,在设计中通常采用在混凝土中掺入适量的微膨胀剂的方法。当垃圾贮坑结构超长时,不应设置现浇带,而应设置混凝土加强带,以提高混凝土的抗渗等级,同时,在与臭气和渗沥液接触的位置涂防腐防渗材料。

(5)垃圾贮坑内的渗沥液通过±0.000以下的渗沥液排 污孔流入渗沥液管沟,最后进入到渗沥液收集池,由泵打入渗沥液处理站进行处理,处理完的水可回收作为厂区内的生产用水。这样既避免了环境的污染,又能回收再利用,做到绿色环保节能。

(6)由于设备管道要进入垃圾贮坑内,必不可免的会在垃圾坑壁上开洞,为了防止臭气溢出,应在洞口四周预埋不锈钢预埋件,管道安装完成后直接焊接密封。

(7)在建设经费富裕的情况下,可将垃圾贮坑以上的围护墙体改为钢筋混凝土墙,这样可进一步提高了防臭效果和耐久性能。

4 总结

随着我国对节能环保的要求和清洁能源的发展,垃圾焚烧发电站的建设需要也越来越大,并且垃圾焚烧发电站已经从一个单纯的功能性建筑开始转向作为一个具有良好舒适性,甚至作为地方标志性建筑。本文针对垃圾焚烧发电站中核心部位—垃圾贮坑进行结构设计分析,分别对垃圾贮坑池壁和底板进行了受力分析,垃圾贮坑的概念设计和构造措施、除臭设计进行了分析和总结,为结构设计师提供了设计参考,为我国垃圾发电站的发展提供一定的技术支持。