李俊君, 何仲文, 王 芳

(中國輕工業(yè)成都設計工程有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展進程的不斷加快,城市及農(nóng)村人口數(shù)量的持續(xù)增長,使得我國生活垃圾產(chǎn)量不斷擴大。據(jù)統(tǒng)計,2019年,我國196個大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量為23 560.2萬t。其中,上海市的城市生活垃圾產(chǎn)生量最大,約為1 076.8萬t,其次是北京、廣州、重慶和深圳,產(chǎn)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(huán)境的危害非常大,對大氣環(huán)境、地下水源、土壤和農(nóng)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(chǎn)物一度成為城市發(fā)展的負擔。目前,我國生活垃圾的處理方式卻遠遠滯后于發(fā)達國家,處理方式多為焚燒、堆肥、填埋、回收有用物質(zhì),并未達到清潔、降碳的處理結(jié)果,這使得我國每年因生產(chǎn)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(zhì)的提高和生態(tài)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(fā)展。

據(jù)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(fā)電。垃圾焚燒發(fā)電不僅能有效減量垃圾,還能有機的結(jié)合能源轉(zhuǎn)換,將廢物轉(zhuǎn)為電能,比起火電廠它的污染大大降低,垃圾焚燒發(fā)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(zhuǎn)型發(fā)展的國家政策及國情的引導下,垃圾環(huán)保發(fā)電廠發(fā)展的非常迅速,從落后于世界水平到現(xiàn)在我國已經(jīng)是全球垃圾焚燒發(fā)電技術的領先地位,中國已經(jīng)建成了年處理垃圾超300萬t的垃圾環(huán)保發(fā)電廠,每年1 515億t發(fā)電量,這一技術甚至連美國都還沒有實現(xiàn)。隨著我國提出了“碳達峰、碳中和”的發(fā)展目標,垃圾焚燒發(fā)電,將成為未來城市生活中解決生活垃圾、發(fā)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(fā)電站來實現(xiàn)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(huán)保發(fā)電廠一般分為生產(chǎn)區(qū)、辦公生活區(qū)和輔助區(qū)[1],如圖1所示。其中,生產(chǎn)區(qū)的主廠房是垃圾環(huán)保發(fā)電廠的核心,而垃圾坑區(qū)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(fā)酵可以提高垃圾熱值。垃圾貯坑的設計質(zhì)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(jié)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(nèi)垃圾堆載會對側(cè)壁產(chǎn)生較大側(cè)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(fā)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(cè)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(cè)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(chǎn)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(cè)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(xié)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(xié)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(nèi)力,達到垃圾坑框架協(xié)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(jié)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(jié)構體系進行計算,滿足規(guī)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(jié)果和三維計算結(jié)果相結(jié)合的方法進行設計。按框架結(jié)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(jù)PK二維計算的結(jié)果進行柱配筋,這樣提高了框架結(jié)構承載力,將垃圾貯坑池壁作為第一道防線,框架結(jié)構作為第二道防線,框架結(jié)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(qū)域堆放發(fā)酵,一般發(fā)酵時間為5～7天,當?shù)販囟鹊母甙l(fā)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(fā)酵過程中,經(jīng)有氧、厭氧發(fā)酵等作用下,產(chǎn)生惡臭,發(fā)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(fā)性脂肪酸、一氧化碳、甲烷等,發(fā)酵以后會產(chǎn)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(fā)電廠的垃圾坑區(qū)域的中控室、辦公區(qū)、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(cè),以方便工作人員更好地觀察垃圾坑內(nèi)垃圾的堆放、發(fā)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(nèi)部情況。垃圾坑屋面因跨度大,一般都采用鋼結(jié)構屋面,為了保證廠區(qū)、辦公區(qū)內(nèi)以及周邊的環(huán)境,因此防腐、除臭、防止臭氣、滲瀝液溢出是垃圾發(fā)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(huán)境及廠區(qū)的污染,在設計中可采取措施:

(1)廠區(qū)選址應該避開居民聚居區(qū)、自然保護區(qū)、古城景點等人口密集區(qū),應根據(jù)當?shù)刂饕L向選在人口密集區(qū)城鎮(zhèn)的下風口。

(2)廠區(qū)位置應選在城郊結(jié)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(huán)境的污染。

(3)廠區(qū)內(nèi)垃圾貯坑內(nèi)的垃圾產(chǎn)生的臭氣應通過除臭、排風處理,使垃圾貯坑內(nèi)產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(jié)構構件進行腐蝕,影響結(jié)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(jié)構超長時,不應設置現(xiàn)澆帶,而應設置混凝土加強帶,以提高混凝土的抗?jié)B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(nèi)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(qū)內(nèi)的生產(chǎn)用水。這樣既避免了環(huán)境的污染,又能回收再利用,做到綠色環(huán)保節(jié)能。

(6)由于設備管道要進入垃圾貯坑內(nèi),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(jīng)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(jié)

隨著我國對節(jié)能環(huán)保的要求和清潔能源的發(fā)展,垃圾焚燒發(fā)電站的建設需要也越來越大,并且垃圾焚燒發(fā)電站已經(jīng)從一個單純的功能性建筑開始轉(zhuǎn)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(fā)電站中核心部位—垃圾貯坑進行結(jié)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(jié),為結(jié)構設計師提供了設計參考,為我國垃圾發(fā)電站的發(fā)展提供一定的技術支持。