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生活垃圾焚烧发电厂暖通设计

北极星垃圾发电网  来源:浙江勘协建环与设备专业委员会  作者:方斌东等  2021/8/8 8:23:30  我要投稿  

北极星垃圾发电网讯:摘要:本文介绍了垃圾电厂的通风、空调和供暖设计思路。重点说明了增大抽风量和减少外部空气进入垃圾池的防臭设计措施。分析了垃圾电厂排烟系统设计难点,得出了锅炉间等大面积的丁类生产车间可不设置排烟系统的结论。

关键词:垃圾电厂;防臭设计;防雾;排烟;通风;空调;供暖

0 引言

我国政府高度重视垃圾分类及处理工作,在绿色发展、可持续发展政策指引下,生活垃圾焚烧发电具有很好的发展前景。生活垃圾焚烧发电是“减量化、无害化、资源化”处理生活垃圾的主要方式。经过生活垃圾焚烧发电厂(下文简称垃圾电厂)高温焚烧,垃圾可供暖、发电,排出的废渣可用作建筑材料。

新版《生活垃圾焚烧处理与能源利用工程技术规范》(下文简称《垃圾规范》征求稿)正在修订中,《建筑防烟排烟系统技术标准》(下文简称《烟规》)实施不到一年时间。设计过程中,经常会遇到无规范可依或规范内容与垃圾电厂的实际情况不甚契合的情况。笔者参与过50多个垃圾电厂项目施工图的暖通设计工作,总结了一些设计经验,分析了一些缺少规范指导的问题,供同行参考。

1 概况

本文结合项目实例,介绍了垃圾电厂有别于常规工业项目的暖通系统设计思路,重点讨论了垃圾池间防臭通风系统、垃圾电厂的排烟系统等设计难点。某垃圾电厂主厂房外景图,如图1所示。

1.jpg

图1 某垃圾电厂主厂房外景图

2通风及排烟设计

2.1 垃圾池间防臭通风

很多垃圾电厂已成为垃圾分类及环保宣传教育基地,设置了多媒体宣教大厅和参观区,参观人员、电厂工作人员以及周边居民对空气品质都有较高的要求。因此,防臭设计是垃圾电厂设计的重要组成部分,是环保需要,也是项目品质的标志。

垃圾发酵产生的恶臭,为H2S、NH3、甲硫醇、甲硫醚和三甲胺等成分[1],臭气源主要是在垃圾池间。为了保持垃圾池间负压值(一般需要控制在-40~-50Pa范围内),需从排风和进风两个方面采取措施。在排风方面,焚烧炉风机将垃圾池间的臭气抽至焚烧炉高温焚烧处理,再从烟囱高位排放[1],能有效地防止臭气的扩散[2]。在进风方面,除了围护结构泄漏外,垃圾池间主要有三个外部气体来源:一是垃圾池间卸料门的进风;二是垃圾渗滤液沟道间(下文简称沟道间)的换气排风;三是渗滤液处理站集中收集并送入垃圾池间的臭气。

增大垃圾池间的排风,减少垃圾池间的进风,才能增大垃圾池间的负压值,主要采取以下措施:

(1)减少沟道间的换气次数。

沟道间一般不进人,当特殊情况需要进入时要求采取防护措施。《垃圾规范》征求稿说明,沟道间设置通风是为了防止甲烷等可燃气体长时间聚集可能引起爆炸,最大通风次数取6次/h[2]。采用防爆防腐离心风机排风,同时设置送风机,送风量按排风量的85%设计,送排风机均一用一备。平时按换气次数3次/h连续通风,当甲烷的浓度达到爆炸下限的报警值(按空气中甲烷爆炸浓度下限的25%设定),同时启动备用送、排风机[2],报警控制系统接入垃圾电厂的DCS系统。根据多个项目反馈,只要通风系统正常运行,未出现过危险气体浓度报警的情况。

笔者了解到,很多设计院有一个误区,将沟道间通风看作为事故通风,甚至单台风机按不小于12次/h的换气次数选型[3]。从沟道间排至垃圾池间的风量越大,越不利于垃圾池间的负压控制。

(2)应重点关注卸料门、上料坡道等泄漏点和车间的负压控制,减少卸料大厅臭气扩散。如图2所示,垃圾电厂剖面图。

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1)减少卸料门的开启时间和数量[2] [4],卸料门采用感应电动门(下文简称感应门),仅在垃圾车卸料时开启卸料门。在非卸料高峰期,同时间宜只安排一辆垃圾车卸料。

2)沟道间送风机的吸风口可以设置在卸料大厅,以增大卸料大厅相对于室外的负压值。

3)卸料大厅的垃圾车上料坡道采取封闭措施,并在进口和出口处均设置感应门。通过将上料坡道设计成“缓冲间”,使得垃圾车进出上料坡道时至少有一处坡道门保持关闭,能有效地减少室外空气通过上料坡道侵入卸料大厅。

4)《垃圾规范》征求稿有条文要求“车辆出入口宜设置空气幕[2]”。笔者建议,采取有效防护措施后,可取消空气幕。如果要保留空气幕,需设置空气幕和坡道门的连锁启闭功能。

(3)建议锅炉的一次、二次风机都从垃圾池间吸风。有些项目将二次风机吸风口设置在锅炉间的上部,主要目的是用锅炉二次风机的吸风(下文简称二次风)降低锅炉间上部的环境温度。经计算,二次风只占到锅炉间降温需要通风量的2%左右,用二次风降温效果并不明显。如果将二次风用在垃圾池间抽风,起到防臭效果更为显著。

(4)根据锅炉的数量、抽风量、年运行小时数,选择臭气处理装置。仅在项目启动调试阶段和大面积停炉检修时短期(不超过14天为宜)运行,可选择活性炭除臭装置。如果锅炉的抽风量长期无法满足负压防臭要求,应设置适合长期连续运行的生物除臭或化学洗涤等除臭装置[4]。

2.2 出渣间防尘防雾通风

锅炉的高温炉渣经捞渣机浸水降温后,排放至渣坑。炉渣落入渣坑及堆放、装车过程中,散发的雾气和少量扬尘,会影响出渣间作业区的卫生条件及能见度。因此,出渣间需要设置机械通风,排风口设置在出渣口的上部[2](如图2所示),排风经过除尘除雾装置处理后排至室外。《垃圾规范》征求稿有条文指出“也可将排风口接至垃圾池间[2]”。将这部分较高温度、湿度的空气排入垃圾池间,除了不利于垃圾池间钢结构的防腐外,还会影响垃圾池间的负压值。因此,笔者建议出渣间应独立设置净化处理装置,将排风处理后接至室外。

此外,《垃圾规范》征求稿要求,出渣间换气次数不宜小于4次/h[2]。设计取值时,需综合考虑当地冬季室外空气的温湿度、炉渣排放温度和冷却水量等因素,有些项目换气次数甚至需8次/h以上才能有效地控制雾气。

建议渣除尘除雾装置的风机采用变频风机,可根据室外空气温湿度分阶段调节运行频率,以降低风机运行能耗。

2.3 垃圾池间排烟

以福建某垃圾电厂的垃圾池间为例,垃圾池及给料平台整个车间面积为2800m2,净高45m,垃圾堆放高度15m。垃圾吊控制室设置在垃圾池间的外部,运行管理人员一般不进入垃圾池间。

垃圾池间的转运平台上设置两支固定消防水炮,每支流量为30L/S[2](一般室内消火栓流量为5L/S[5])。

根据《烟规》要求设置机械排烟系统。车间划分两个面积相等的防烟分区,由于垃圾池间空间高度大于9m,防烟分区之间不需要设置挡烟设施。除臭装置和排烟风机分别布置在独立机房内。排烟系统和除臭系统合用垃圾池间内的排风管道,设备分支管和主管之间采用电动阀和防火阀隔离。排烟补风从室外引入,且补风量不小于排烟量的50%。如图2所示,火灾时,连锁开启2扇卸料门和坡道门自然补风,控制补风速度低于3 m/S。该项目采用了钢结构屋顶,由于垃圾池间为丙类建筑,且面积超过了2500m2,根据《烟规》要求,在屋顶设置了不小于车间面积10%的可熔性采光带替代固定窗。[6]

垃圾电厂是由火力发电厂发展而来,其工艺流程、建筑功能与火力发电厂类似。《火力发电厂与变电站设计防火标准》条文说明指出:“火灾时排烟,有可能加剧火势蔓延”,“贮煤场”可不设排烟设施[7]。煤的火灾危险性和垃圾类似,垃圾电厂借鉴该规范具有实际意义。

综合两本规范,该工程的设计思路为,火灾前期启动机械排烟系统,保持能见度,便于固定消防水炮和消火栓的灭火作业。火灾中后期,当能见度无法维持时,关闭垃圾卸料门,停运排烟风机,以减小室外空气的助燃作用。在排烟风机入口防火阀达到280℃前,要否停运排烟系统[6],有待于进一步研究确证。

2.4 锅炉间及烟气净化间排烟及通风

以福建某垃圾电厂为例,锅炉间和烟气净化间是连成一个空间的大车间,属于丁类生产车间,总面积为6800m2,净高46m。按《建筑设计防火规范》(下文简称《建规》),应设置排烟设施[8]。

如果按《烟规》设计自然排烟系统,需要划分防烟分区,每个防烟分区面积不大于2000 m2。当设置在屋顶时,自然排烟口应在屋面均匀设置且采用自动控制方式开启;由于该屋面斜度小于12°,屋面每200m2的建筑面积应设置相应的自然排烟口。经校核计算,储烟仓的烟层与周围空气温差大于15℃,符合设置自然排烟条件。[6]

设置防排烟系统的本意,主要是为疏散和救援创造有利条件。根据垃圾电厂实际情况分析,主厂房内人员活动区域只是在近地面和操作平台层附近,外墙有可开启的外窗,屋顶设有屋顶自然器通风器。这种大空间高热厂房,着火时,烟气向上积聚或排出,屋顶下部的空间是一个很大的蓄烟空间,可以满足人员的安全疏散要求[7]。厂房内人员较少,且对现场熟悉,为安全疏散提供了必要条件。

车间内,配备有足够数量的室内消灭栓和移动式灭火器[5] [7]。主厂房外围设有环形消防车道和室外消火栓[7] [8]。诸如主厂房锅炉间、汽机间和垃圾池间等重要场所均设有监控,运行管理人员在集控室24小时监视,安全运行有较好的保障。

NFPA等国外规程对于燃煤电厂的汽机房、锅炉房均没有规定要求设置排烟设施。从国内燃煤电厂运行经验看,没有出现人员疏散不及而遇险的情况。[7]

因此,笔者认为,这类高大空间的大面积丁类生产车间,可不设置排烟设施[7]。只需按排热要求设置通风装置,为了节能,一般设置屋顶自然通风器[9] [10]。在风力较强地区和供暖地区,屋顶自然通风器需要配置电动启闭的阀板。

3空调设计

垃圾电厂的主控楼、汽机间、锅炉间与烟气净化间、卸料大厅与垃圾池间及其辅助用房等各个车间,一般组合布置成一个“联合厂房”。空调系统主要包括配电间、变频器室和机柜间等电气自控用房的工艺性空调,以及参观、办公区域的舒适性空调。考虑到垃圾电厂的建筑格局、外立面美观、空调负荷特点等因素,一般选择风冷或水冷的多联式空调机或单元式空调机为主、分体式空调为辅的空调形式。有蒸汽或热水余热的电厂,技术经济合理时,可采用溴化锂吸收式冷水机组[10] [11]和热水换热器组合的水空调系统。

空调机的冷热水或冷却水管道不应直接接入电气自控用房,可将空调用水通过空调设备制成冷热风再送入空调房间[12]。空调设备、送风管及凝结水管不宜布置在电控设备正上方,以防止凝结水滴下[12] [13]。电气用房可根据室外气温,选择使用空调系统或通风系统进行降温。[13]。

集控室、机柜间等重要房间的建筑围护结构最大传热系数应控制在合理范围内,其中外墙、屋面须满足建筑所在地的气候分区一类工业建筑围护结构的热工性能[14],内墙及楼板不大于1.2W/(m2.℃)[10]。有利于减小空调配置和降低运行能耗,还能防止布置在其下层的电缆夹层楼板侧产生冷凝水。

空调新风设备的余压和风量取值时,要注意到垃圾电厂环境污染因素,空调房间与室外的压差值宜按15~30Pa设计[3][10]。不宜采用新风全热换热器。参观工作区与臭气扩散区之间,必须设置隔离间[2],还应在参观工作区的通道上设置新风系统维持正压。正压设计值的梯度为空调房间>走道>生产车间[4]。

运行管理人员长期在渣吊控制室和垃圾吊车控制室工作,这些房间周边的环境较为恶劣,位置相对独立且面积较小。为了降低成本,可采用静音型送风机提供新风。静音型送风机特点是,噪音低、电量低、风量小且有高低档风量调节功能。缺点是,室外气温低、湿度大时,室内送风口可能会产生雾气。可根据当地项目气象条件配置电加热功能,冬季送风加热至5℃。

4 供暖设计

以河南某垃圾电厂为例,采用热水供暖系统,热媒采用供回水温度分别为85℃和60℃。选用外表光洁的、防腐性能好的钢制柱型散热器[3]。在锅炉间、烟气净化间、汽机间等热负荷大的车间,选择中心距为900mm的6柱散热器。部分外墙处内外双层布置散热器。避免了热空气幕的使用,热空气幕耗电且易积尘。

垃圾电厂不宜选用蒸汽供暖系统[3] [10],蒸汽系统的散热器及管道外表面易附着有机灰尘而发出异味。蒸汽系统启动慢,疏水器故障多,系统运行稳定性较差,易进空气抗腐蚀性能差。

没有设置空调机,或空调供暖量不足的电气自控房间,可采用电热油汀等电热设备供暖。由于电热油汀没有风机,不会有风机损坏停运而电热部件继续发热引起的安全事故。

垃圾卸料大厅、垃圾池间等空气流通量大的车间,以及石灰干粉间、飞灰固化车间等水管道较少的车间,可将水管道进行保温并设置电伴热防冻,此类车间内一般不设置供暖系统。有发热源的锅炉间、烟气净化间、汽机间和除氧间等车间,按维持室内温度5℃计算热负荷,计算时不考虑设备、管道散热量[10] [15]。

5 结语

1) 防臭设计的要点是,尽量增大锅炉风机在垃圾池的抽风,尽量减少外部空气进入有臭气源的场所。

2) 垃圾池的排烟系统应符合运行现场实际情况;锅炉间及烟气净化间等大面积的丁类生产车间可不设置排烟系统。

3) 空调、通风和供暖措施应合理、有效,满足垃圾电厂长期安全、可靠、经济运行的要求。

参考文献:

[1] 燕忠. 生活垃圾焚烧发电厂臭气控制分析[J].环境卫生工程,2015,23(3): 42-44.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中国电力联合会. 生活垃圾焚烧处理与能源利用工程技术规范(征求意见稿):GB 5XXXX -20XX [S]. 20XX.

[3] 中国有色金属工业协会.工业建筑供暖通风与空气调节设计规范:GB50019-2015 [S]. 北京:中国计划出版社,2015.16,21,41,62.

[4] 艾庆文,李先旺,吕晨峰等.垃圾焚烧发电厂通风除臭设计[J].暖通空调,2011,41(6):72-75.

[5] 中华人民共和国公安部.消防给水及消火栓系统技术规范:GB50974-2014 [S]. 北京:中国计划出版社,2014.19.

[6] 中华人民共和国公安部. 建筑防烟排烟系统技术标准:GB51251-2017 [S]. 北京:中国计划出版社,2017. 19,26,31.

[7] 中华人民共和国应急管理部,中国电力企业联合会. 火力发电厂与变电站设计防火标准:GB 50229- 2019 [S]. 北京:中国计划出版社,2019.35-38,44-46,53,169-172.

[8] 中华人民共和国公安部. 建筑设计防火规范:GB 50016-2014(2018年版) [S]. 北京:中国计划出版社,2018. 105-108,121

[9] 电力规划设计总院. 火力发电厂职业卫生设计规程:DL5454-2012[S]. 北京:中国计划出版社,2012. 14-15.

[10]电力规划设计总院.发电厂供暖通风与空气调节设计技术规范:DL-T5035-2016 [S]. 北京:中国计划出版社,2016.4, 11-13,17,64-70.

[11]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调 动力 [M]. 北京:中国计划出版社,2009:129.

[12]方斌东,邹昊舒,冯旭东等. 哥伦比亚G电厂暖通设计[J].电站系统工程,2019,35(5):1-4.

[13]方斌东. 溴化锂吸收式机组在电厂的应用[J].暖通空调,2019,49(8):68-71.

[14]中国冶金建设协会. 工业建筑节能设计统一标准:GB51245-2017[S]. 北京:中国计划出版社,2017. 8-11.

[15]中国电力企业联合会. 小型火力发电厂设计规范:GB50049-2011[S]. 北京:中国计划出版社,2011. 145.

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