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文档简介

1、四川理工学院毕业设计生活垃圾填埋场危险性分析和燃烧系统设计 学 生:李朝权 学 号:12031040109 专 业:安全工程 班 级:安全工程 2012.1 指导教师:杨佳祝四川理工学院化学与环境工程学院二O一六年六月四川理工学院毕业设计 中文摘要生活垃圾填埋场危险性分析和燃烧系统设计摘 要生活垃圾是世界各个国家都会存在的难题,并且各个国家都有自己不同的处理方法和技术,这是由每个国家自身的发展技术水平所决定的。在我国,主要采用的生活垃圾处理技术是卫生填埋技术,垃圾填埋对周边环境和居民健康有着极大的影响。本文将着重于分析填埋场的危险性因素,以及填埋气体燃烧系统的设计,将填埋场的危险性分为渗滤液污

2、染、废气污染、火灾爆炸、堆体稳定性等。从这些方面分析其特性、危害以及其影响因素,对填埋气体的燃烧处理进行燃烧火炬的设计、选型等,可为生活垃圾填埋场环境分析和填埋气处理提供一定的依据。关键词:卫生填埋;填埋气;渗滤液;垃圾堆体;填埋场火灾爆炸;燃烧系统IV四川理工学院毕业设计 英文摘要Domestic waste landfill site risk analysis and combustion system designAbstract Domestic waste is a difficult problem in every country in the world,and each c

3、ountry has its own different processing methods and techniques,this is determined by the level of development of each countrys own technology. In our country, the main use of domestic waste treatment technology is sanitary landfill technology,landfill has a great impact on the surrounding environmen

4、t and residents health. This text will focuses on the analysis of the risk factors of landfill site,and the design of landfill gas combustion system. The risk of landfill site is divided into leachate pollution, waste gas pollution, fire and explosion, the stability of the reactor and so on.Analysis

5、 of its characteristics, harm and its influence factors from these aspects,the design and selection of the burning torch for the combustion process of the landfill gas are carried out,can provide a certain basis for the environmental analysis and landfill gas treatment of municipal solid waste landf

6、ill site. Key words: security landfill;landfill gas;leachate;the dump body;fire and explosion of landfill site;combustion system四川理工学院毕业设计 目录目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1本课题的研究背景11.1.1 国内外垃生活垃圾处理情况11.1.2生活垃圾填埋场安全管理现状31.2 课题相关研究现状及进展31.3 本文的研究内容42 对生活垃圾填埋场存在的危险性因素分析52.1垃圾填埋场的基本构成及工艺流程概述52.2生活垃圾填埋场危险性分析62.

7、2.1渗滤液的环境危害分析62.2.2对垃圾填埋场周边废气污染的危害分析102.2.3填埋气火灾爆炸危险性分析112.2.4填埋场垃圾堆体、边坡危险性分析142.3 事故树在生活垃圾填埋场中的应用162.3.1事故树分析方法概述162.3.2事故树分析填埋场火灾爆炸173 填埋气燃烧系统设计223.1填埋气燃烧系统设计说明223.2填埋气量说明223.2.1生活垃圾和填埋气的构成223.2.3填埋场库容及填埋气量233.3燃烧系统233.4主要设备设计243.4.1输气管道243.4.2气体过滤器253.4.3脱硫塔263.4.4冷却器293.4.5鼓风机293.4.6阻火器313.4.7火炬

8、324 结论与展望344.1结论344.2展望34参考文献35致 谢37四川理工学院毕业设计 1 绪论1 绪论1.1本课题的研究背景1.1.1 国内外垃生活垃圾处理情况 我国生活垃圾的处理现状。世界各地,不管哪个国家、地区,随着经济的发展和人民生活水平逐渐的提高,生活垃圾问题越发严重。我国六七百座城市,其中大部分被垃圾环带包围,这些垃圾已经造成了很多严重的危害。 数据显示,到“十二五”期末,我国城镇代率突破50%,城镇人口达到7亿人。统计资料表明,我国城市人均年产垃圾400500kg,目前我国城市垃圾年产量高达1.2亿t,不仅如此,而且每年以8%的速度增长,中国的垃圾已经占到全世界年产垃圾的1

9、/4以上。全国现已有720亿t垃圾包围着大中小城市和乡镇,占地5.4亿平方米,并且仍在以每年占大概3000万平方米的速度发展,“垃圾围城”的消息在各种媒体报道中也屡屡出现。城市生活垃圾产量的持续增长,使得对环境造成的污染日益加剧,这样的状况已成为我国社会经济持续发展的生态文明建设的一大阻碍。 目前国内垃圾处理行业整体所处的水平,仍处于垃圾无害化处理的初级阶段。到 2010年底我国城镇生活垃圾无害化处理率已达63.5%,而这些无害化处理的垃圾中进行集中卫生填埋、焚烧和堆肥的比例分别为 77%、18%和 5%。 堆肥法对垃圾分类要求较高,处理垃圾时可减少容量70%左右,但这对垃圾分类的要求较高,而

10、我国垃圾分类做的不到位,导致堆肥垃圾处理量占总处理量的2%以下1。垃圾焚烧技术可有效减少垃圾容量75%以上,并且占地面积少,不易造成污水渗透等污染。此外焚烧垃圾产生的热量可进行供热和发电等二次利用。因此垃圾焚烧技术近些年来得到了迅猛的发展,并且,随着我国国民生产力的提高,我国的生活垃圾处理方法也有望从主要的填埋技术过渡到焚烧技术,实现生活垃圾的高效处理。但是至今我国焚烧垃圾的比例与发达国家仍有较大差距。2011年,国务院发出通知,批转住房城乡建设部等部门关于进一步加强城市生活垃圾处理工作的意见。意见提出到2015年,全国城市生活垃圾无害化处理率达到80%以上,直辖市、省会城市和计划单列市生活垃

11、圾全部实现无害化处理。每个省(区)建成一个以上生活垃圾分类示范城市。50%的设区城市初步实现餐厨垃圾分类收运处理。城市生活垃圾资源化利用比例达到30%,直辖市、省会城市和计划单列市达到50%。建立完善的城市生活垃圾处理监管体制机制。到2030年,全国城市生活垃圾基本实现无害化处理,全面实行生活垃圾分类收集、处置。城市生活垃圾处理设施和服务向小城镇和乡村延伸,城乡生活垃圾处理接近发达国家平均水平。虽然卫生填埋所占比重将逐渐降低,垃圾焚烧法将成为大型城市处理垃圾的首选。但是目前卫生填埋仍是我国城市垃圾处理的主要方式。生活垃圾填埋的关键的技术是防止臭气散播、防渗、防止垃圾堆体边坡发生事故、防止二次污

12、染、以及生活垃圾填埋气的燃烧设计等。如果能处理好这些问题,不仅能解决生活垃圾带来的危害,而且还能将这些资源进行回收利用。 国外一些垃圾处理情况。上个世纪90年代以前,美国、英国、德国、荷兰、西班牙和法国等一些国家的城市生活垃圾的处理式主要为填埋法。但此后,随着经济的迅速发展,越来越多的国家采用焚烧法处理生活垃圾。从表一可以看出,现今,日本、法国、卢森堡和瑞典等国采用焚烧法处理生活垃圾的比例接近或已经超过了填埋法,国外已经很少使用堆肥法处理生活垃圾。发达国家对于生活垃圾的分类等做的很好,将其中可利用物的回收也做的很好,使得其再利用率较高,平均在20% 30%之间2。在垃圾再利用方面,美国领跑。美

13、国CBS公司利用生物工程技术处理生活垃圾为有机活性肥;日本人变地沟油为垃圾车燃料,试用废料再造混凝土;2008年年底统计数字,法国在这一年从垃圾中提取3870万吨物质并最终将其转化为3190万吨初级材料如纸板金属玻璃瓶和塑料等;也有进行旧木材回收,利用垃圾制作农肥,养殖生物饲料等。(世界一些国家的垃圾处理方式比重如表1.1)表1.1 世界一些国家垃圾处理比重国家生活垃圾总量/(万t/a)填埋/(%)焚烧/(%)堆肥/(%)利用/(%)美国327466210028日本5077127396法国20004542103意大利2000741673西班利时3584935016奥地

14、利2904824820芬兰1306541516卢森堡180227512荷兰7704535515挪威220672256瑞典32030600101.1.2生活垃圾填埋场安全管理现状尽管垃圾卫生填埋技术已经有很久的历史了,但是卫生填埋存在的安全性问题仍然层出不穷。有些垃圾场超期服役,甚至违法运营。广东东莞大岭山镇在同沙水库上游水源保护区内建设垃圾填埋场,到2014年违法使用18年,260万立方米存量垃圾堆积如山。每日约100立方米的如酱油般的渗滤液散发着恶臭,穿过1.5千米长的山谷直接排入了有东莞“备用水缸”之称的同沙水库,受此影响,水库水质处于富营养化状态,不仅不能做饮用水源,连游泳水质标准都达不

15、到。2014年05月有记者明访部分渗滤液流入城市管网,但核实渗滤液处理能力实际不足。贵阳市仙人脚垃圾填埋场丶湖南省岳阳市羊角山垃圾场丶重庆江北景观山垃圾场等诸多垃圾填埋场曾经都发生过垃圾堆体崩塌事故,造成或大或小的伤亡事故和财产损失。有些填埋场对火灾爆炸控制欠缺,因各种原因导致场内发生火灾爆炸等。不仅国内如此,国外也有很多诸如此类的事故报道。 垃圾成山、堆体不实、污水横流、渗滤液污染严重,填埋不及时,暴露部位严重,蚊蝇滋生、臭气熏天,随风散发,极度污染空气,严重影响了四周的环境,这些现状在许多垃圾填埋场仍然存在,垃圾填埋场对这些安全管理工作仍然亟待加强。1.2 课题相关研究现状及进展 目前,关

16、于城市生活垃圾填埋场环境风险分析的研究比比皆是,但这些研究都各有侧重点,或是片面而没深入分析评价。王炜3等人对垃圾填埋场火灾爆炸进行了单独的风险分析,在火灾爆炸风险这方面,他们是通过事故树以及其他模型进行分析的;孙亚敏4对城市生活垃圾卫生填埋场环境影响做出评价,简单分析了水污染丶大气污染丶土壤污染和渗滤液问题;同年,郭庶5在垃圾填埋场二次污染物对周边环境及居民健康的影响中详细分析了填埋气和渗滤液的危害,以及对周边居民健康的影响作出了深入分析;廖琳琳6详细的分析了现代垃圾填埋场的大气污染和躯体的监测方法;在垃圾堆体坍塌风险性方面,张乾飞7丶詹良通8等也做出过详细的分析;在许多研究中,对渗滤液的特

17、性分析及处理较多。类似的对于垃圾填埋场周边的环境风险评估或者填埋场危险性分析的文献研究等还有很多,但是都没有对填埋场的危险性进行很全面并且很详细的研究分析。所有,还有望将卫生填埋场的风险性分析得更透彻。1.3 本文的研究内容我国现阶段对生活垃圾的处理方式主要是采取的是填埋法。填埋法本身就是一种存在诸多风险的垃圾处理方法,不论是直接带来的危害,还是二次危害。本文的研究内容是对垃圾填埋场里面的污然物质和设施等进行全面的分析,通过对这些危险性的分析,针对各项风险带来的方式,可以阻断或降低其危险。本文的研究内容将会从以下几个方面进行。首先是填埋场产生的渗滤液,它对人体和环境的危害是相当大的,特别是对人

18、体引起的一些疾病,通过分析这类危险源,使得在垃圾处理中有此依据;其次是分析填埋场周边废气污染,控制废气污染程度;再次,填埋气中有的气体具有可燃爆炸性,本文会对这类危险因素进行分析;最后对垃圾堆体边坡的危险性进行分析,更有利于制定方案保障填埋结构的稳定性,降低边坡失稳以及其他坍塌事故或者延长填埋场的使用时长等。此外,鉴于填埋气体的排放处理,本文将研究设计填埋气体的燃烧系统,从系统的各个方面的要求进行设计。本文从生活垃圾填埋场各方面入手,系统、全面地分析填埋场的危险性因素,并且为填埋气体的处理独立设计燃烧系统,旨在为今后一些生活垃圾填埋场的安全管理工作提供一些相关的依据,也为填埋场的气体燃烧处理提

19、供一定的参考。45四川理工学院毕业设计 2 对生活垃圾填埋场存在的危险性因素分析2 对生活垃圾填埋场存在的危险性因素分析2.1垃圾填埋场的基本构成及工艺流程概述生活垃圾从不同地方运到垃圾填埋场,经过称重、卸车、碾压摊平、覆土、灭虫等处理,最后的垃圾由填埋场封场,或者垃圾焚烧或者其他利用方式进行处理。垃圾填埋场的基本组成部分包括底部衬层系统、填埋单元、雨水排放系统、渗滤液收集系统、沼气收集系统和封盖。一般垃圾填埋场运行的基本工艺流程见图2.1。填埋场会产生两大处理难点是渗滤液和填埋气体,渗滤液将有处理系统进行处理达标排放;而填埋场所产生的气体则需要集气系统将填埋气收集起来,通过燃烧处理或者其他方

20、式进行利用。 填埋场的所有构成的基本运行系统里,有些环节就会出现本课题要分析的危险源。垃圾填埋场一般存在的危险因素,从危害物质方面来分,有三类危险因素,分别是渗滤液、废气有毒有害气体、填埋气里面的爆炸性气体;从结构设施方面来讲,主要就是垃圾堆体边坡稳定性隐患。图2.1 垃圾填埋工艺2.2生活垃圾填埋场危险性分析2.2.1渗滤液的环境危害分析2.2.1.1渗滤液特性及其来源垃圾渗滤液是指垃圾在进入填埋场后,堆放和填埋过程由于发酵和雨水的淋溶、冲刷、以及地表水和地下水的浸泡而滤出来的污水,其形成过程为生物、化学、微生物降解等过程。渗滤液是一种有机废水,具有高浓度性。由于其浓度高,流动缓慢,所以渗滤

21、液会持续渗漏,对周围地下水、地表水以及土壤均会造成严重的污染,其污染延续时间相当长,可以持续几十年到几百年。试验研究显示,城市垃圾填埋场渗滤液有机污染物高达 77 种,其中芳烃类29种,烯烃类18种,酸类8种,酯类5种,醇、酚类6种,酮、醛类4种,酞胺类2种,其它5种9。另外,张兰英等人采用GC-MS-DS联用技术鉴定出,在垃圾渗滤液中有93种有机化合物10,其中 22 种被列人我国和美国环保局环境优先控制污染物的“黑名单”中。垃圾渗滤液中主要污染物及其浓度范围11,12见表2.1)。表2.1 渗滤液的化学成分化学成分浓度化学成分浓度碱度0-20 850COD0-89520Al0.5-85.0

22、电导率480-72500Sb0-3.19Cu0-9.9As0-70.2氰化物0-6Ba0-12.5氟化物0.1-1.3Be0-0.36硬度0.1-225BOD0-195Fe0-42000B0.413Pb0-14.2Cd0-1.16Mg115600Ca5-4080Mn0.05-1400氯化物11375Hg0-3Cr0-22.5氨氮0-1250化学成分浓度化学成分浓度硝氮0-9.8Na0-8000亚硝氮0-1.46Tl0-0.32有机氮0-1000Sn0-0.16凯氏氮3320TDS584-55000Ni0-7.5TSS140900苯酚0.17-6.6TOC335000总磷0-234TVA0-19

23、000磷酸盐0.01-154混浊度40-500pH1.5-9.5硫酸盐0-1850K0.16-370Zn0-1000Se0-1.85Ag0-1.96渗滤液的特性一般有以下几点:水质复杂,危害性大;COD(化学需氧量)和BOD(生化需氧量)浓度高;氨氮含量高;色度深,有恶臭;水质变化大。新陈渗滤液比较:新鲜垃圾渗滤液无论是主要污染指标浓度还是其动态衰减规律均较老年垃圾渗滤液高或者复杂的多,如新鲜垃圾中CODcr、CI副负离子分别是陈垃圾中相应祖坟浓度的10.84和5.42倍;垃圾淋滤过程中这两种组分经历了由低到高,再由高到低的过程,即垃圾填埋过程中经历了好氧分解、兼性好氧分解及完全厌氧分解等三个

24、阶段;新鲜垃圾淋滤液在初期呈酸性的还原状态,中期呈弱酸性的还原状态,后期呈践行的弱氧化环境,陈垃圾淋滤液在整个淋滤过程中则呈碱性的氧化或弱还原环境。渗滤液的来源13:第一,大气降水和径流,它是渗滤液产生的主要来源。降水包括降雪和降雨,影响渗滤液产生数量的降雨特性有降水量、降水强度、降水频率、降水持续时间等,而对于降雪则受积雪期、升华量、融雪速度等影响。径流量取决于填埋场地周围的地势、覆土材料的种类及渗透性能、场地的植被情况及排水设施的完善程度等。第二,是填埋垃圾含水,包括垃圾本身携带的水分以及收运填埋过程中从大气和雨水中的吸附量。第三,是垃圾填埋后由于微生物发酵分解作用而产生的水,垃圾中的有机

25、组分在填埋场内经厌氧分解会产生水分,其产生量与垃圾的组成、pH值、温度和所携带的微生物菌群等因素有关。2.2.1.2渗滤液对环境的污染 垃圾填埋场周围地下水、地表水的污染与垃圾渗滤液密切相关。渗滤液对地表水、地下水的污染特点主要表现在:水体混浊,有臭味,油、酚等有毒有机物污染严重,COD、三氮含量高,细菌、大肠菌超标等。 垃圾渗滤液中含有高浓度氨态氮14 ,当渗滤液下渗到地下水中,造成严重的氮污染。由于地下水处于还原状态,故主要以NH3-N污染为主。使用受渗滤液污染的水体灌溉农田会引起富营养化和生态毒理效应,对农作物造成不良影响,如使水稻出现贪青徒长现象,空穗率、批谷率增加,导致产量减50%-

26、70 %15。此外,渗滤液往往含有多种金属离子,生活垃圾与工业垃圾混埋,金属离子将更高。由于渗滤液的产量从填埋期一封顶期一封闭后期逐渐下降,因此其对地下水的污染也逐渐减缓,但污染是一个长期的过程。填埋场封场后,生物分解的过程仍然会进行一段时间,大概会持续1020年,即使在封场后70100年的时间仍可能有渗滤液渗出。目前,国内外关于渗滤液对周围土壤和植物污染的报道较为少见。主要包括:垃圾渗滤液对周边土壤和植物环境污染特点的研究;垃圾渗滤液对周边土壤中重金属元素生物有效性等地球化学行为影响的研究。城市垃圾填埋场周边土壤的污染特点结果表明15,17 :受垃圾渗滤液的浸蚀影响,垃圾区周围土壤酸性增大,

27、土壤有机质和其它养分含量明显增加。离堆体越近,土壤有机物增加越明显,说明垃圾渗滤液改变了周围土壤的性状;垃圾场周围土壤重金属含量明显高于对照土壤,表明垃圾区周围土壤已受到渗滤液的重金属污染。2.2.1.3渗滤液水量和水质影响因素分析 垃圾渗滤液产量估算和分析:垃圾填埋场是一个敞开的作业系统,渗滤液的产生受气候和季节变化影响较大,产生量最大值和最小值之比甚至可达101以上,而且其变化呈明显的无周期性18。在填埋场内,渗滤液产量可以根据进出物料平衡,从而用公式进行估算: (2.1)式中: 渗滤液水量; 填埋场汇水面积; 降雨; 单位面积地下水渗入; 单位面积垃圾及覆土的含水量; 单位面积地表径流量

28、; 单位面积自然蒸发量。埋场场构造、降雨、径流、水量等各方面因素都会影响填埋场渗滤液的产量。渗滤液水质的影响因素分析(1)填埋垃圾组成成分的影响:填埋垃圾的物理组成对渗滤液水质的影响很大,渗滤液中COD、BOD 浓度的高低是直接受垃圾中厨渣含量的高低所影响的 。灰渣对渗滤液中污染物具有吸附、过滤作用,因此垃圾中灰渣的含量也会影响渗滤液COD、BOD浓度的高低。(2)填埋工艺的影响:渗滤液水质也受填埋操作运行方式如覆盖、压实、分区、单元填埋等所影响。临时覆盖与及时覆盖可减少雨水的浸入量,减少渗滤液水量,渗滤液中污染物负荷增加。增加填埋垃圾的压实密度和填埋深度,可延迟垃圾中污染物的溶出,从而使渗滤

29、液中污染物负荷降低,渗滤液污染时间延长。此外,不同的填埋方式也会造成不同的渗滤液水质特征。厌氧填埋和好氧填埋相比,厌氧填埋所产生的渗滤液中有机物含量较高且处理相对较难。(3)填埋时间的影响:垃圾填埋场内一直存在着生物反应,填埋初期渗滤液污染物浓度高,并一直延续至封场,封场以后便随着填埋时间的延续而降低,其关系可以用微生物代谢一级反应速率方程描述,反应式如下: (2.2)式中: t 时污染物浓度,mg/L; 0 时污染物 浓度,mg/L;反应时间,(月);降解速率常数。填埋场渗滤液的水质除受上述因素影响外,当地的气候条件、地形地貌也对渗滤液水质有一定的影响。填埋场渗滤液污染指数变化与降雨量呈一定

30、的负相关性,夏季降雨频繁雨水充沛,渗滤液污染指数较低,而冬季降雨量较少渗滤液污染指数较高。 2.2.2对垃圾填埋场周边废气污染的危害分析2.2.2.1大气污染的主要方式和填埋废气主要成分造成污染的主要方式。一是固体废弃物中的有机成分在微生物作用下发生分解并释放出有害气体而污染大气;二是固体废弃物中细粒、粉末在风力作用下可加重大气粉尘污染;三是一些易燃性固体废弃物在自然堆放时易发生自燃产生大量的有害气体而污染大气。填埋场中的废气大致由50%60%的,40%50%的以及少量的、和组成,垃圾填埋场造成大气污染的污染物主要有以下两类: 一类是气溶胶状态污染物,如粉尘;一类是气体状态污染物,如含硫化合物

31、(硫化氢、甲硫醇等)、含氮化合物(氨等)、碳的化合物(一氧化碳、二氧化 碳)、其他化合物(臭氧、甲醛、甲烷等)6。根据 (CJJ T3037 -95)生活垃圾填埋场环境监测技术 标准的规定,生活垃圾填埋场环境影响评价报告的分析结论及实验室长期监测的结果,将以下污染物确定为重点污染因子:硫化氢、氨、甲硫醇、 甲烷、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、总悬浮颗粒物、 臭气强度6。2.2.2.2废气污染造成的危害对人体造成的直接危害:人体需要以呼吸维持生命。因此,大气污染对人体的直接危害是多方面的。主要表现在呼吸道疾病、生理机能障碍和眼鼻等粘膜组织受到刺激而患的各种疾病。大气中污染物的浓度很高时,会造成急性污

32、染中毒,或使病状恶化,甚至在几天内夺去成百上千人的生命。其实,即使大气中污染物浓度不高,但人体成年累月呼吸这种受废气污染了的空气,也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等疾病。对植物的危害:大气污染物,尤其是二氧化硫、氟化物等对植物的危害是十分严重的。当污染物浓度很高时,会对植物产生急性危害,使植物叶表面产生伤斑,或者直接使叶枯萎脱落;当污染物浓度不高时,会对植物产生慢性危害,使植物叶片褪绿,或者表面上看不见什么危害症状,但植物的生理机能已受到了影响,造成植物产量下降,品质变坏。对天气和气候的影响:减少到达地面的太阳辐射量、增加大气降水量、下酸雨等。甲烷和二氧化碳同属于“温室气体” ,

33、填埋气中甲烷含量高于二氧化碳含量,人们只知道二氧化碳造成温室效应,但是实际上甲烷对温室效应的影响更大。2.2.2.3废气产量及其对环境污染程度的影响因素分析 所填埋的垃圾在整个分解过程中,废气的产生量与垃圾的成分、温度、湿度、PH值、有毒物形成等因素都有关系,所以,填埋方式、覆盖层、空气温度、降雨量、压力、地形、水文等因素也直接影响垃圾填埋场废气的产生量。垃圾填埋场中,对环境污染影响较大的恶臭气体主要是和,除了废气本身组成的不同程度对环境污染会有不同影响之外,这些恶臭毒害气体对环境的影响程度还与其所在位置、地形点和风向等因素有关。通常,填埋场内的固体有机废物经微生物分解产生的恶臭气体的影响范围

34、与废气源强、温度成正比,与垃圾填埋时间成反比19。综上所述,从污染源排到大气中的污染物的传输和扩散过程,与污染源本身的特性、气象条件、地面特征和填埋场周边建筑物分布等因素都有密切关系,特别是与气象条件的关系更为密切。气象要素主有温度、空气湿度、风向、风速、气压、降雨量等,这些气象要素都是从观测中直接获得。随着气象要素的变化,污染物在大气中的扩散稀释情况千差万别,所造成的污染程度也有很大不同。2.2.3填埋场火灾爆炸危险性分析2.2.3.1垃圾填埋场发生的爆炸种类特性生活垃圾填埋场里面所产生的气体成分中,存在可燃爆炸性气体,这种气体的主要是沼气,它的主要成分是甲烷和二氧化碳。若对填埋场的管理控制

35、不当,则可能发生火灾甚至发生更为严重的爆炸。填埋场的爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸20。物理性爆炸:物理爆炸是由于甲烷在垃圾层中大量积聚,形成了强大的能量当积聚的压力大于覆盖层压力时,在瞬间将垃圾以迅猛速度突出,发生减压的膨胀。发生物理爆炸事故,除垃圾产生甲烷是必要条件外,填埋的深度、覆盖层的厚度和层数,以及覆盖层的透气性都是影响爆炸的因素。如果垃圾层上面不进行覆盖,一般情况下由于垃圾的透气性较好,甲烷的迁移会垂直向上进入大气中,在垃圾层中不会积累大量甲烷,其气体压力不足以将垃圾层顶起。如果垃圾上覆盖土层或填埋深度增加,透气性受到影响,垃圾中容易积累甲烷而增加爆炸的危险性。另外,在特定的条件下,

36、比如连绵的阴雨或是结冰等都可能影响透气度,从而也可能会导致填埋场发生物理爆炸事故。化学性爆炸:当大量释放与扩散可燃性填埋气体没有立即遇到火源时,这些气体大量聚集,在相当大的空间范围内形成云状气团,并不断扩散,当遇到火源时,则可能被点燃,由于外界环境、火源特性不同,产生的爆炸也不同3。可燃气与空气混合后,其浓度处于爆炸范围内,遇到明火等合适的点火条件而发生激烈的放热反应,产生大量的热量,气体受热膨胀,将垃圾抛到高空和远处。由此可见,垃圾化学爆炸必须同时满足前面提到的可燃气浓度、引火温度和氧气浓度三个条件。如果甲烷排入大气或积聚在建筑物内,且浓度处在爆炸范围,那么引火温度达到650以上时,甲烷就会

37、发生化学爆炸;如果空气进入垃圾层中,和那里积聚的甲烷混合形成爆炸性气体,那么也可能会由于垃圾中存在没有熄灭的香烟头、煤球等,而引起垃圾化学爆炸;当然,在甲烷与空气的混合气在浓度比例合适时,雷电也会引起填埋场发生化学性燃烧爆炸事故的。由于外界环境和火源特性等因素的不同,产生的爆炸也不同,填埋场发生的火灾爆炸事故基本为蒸汽云爆炸和闪火。利用事件树分析(ETA)填埋场发生的主要爆炸后果类型见图2.2。图2.2 填埋场火灾爆炸事件树2.2.3.2垃圾填埋场发生火灾爆炸的危害首先,是对工作人员直接的危害。从生活垃圾填埋场的运作工艺来看,填埋场中垃圾的卸车、碾压摊平、覆土、灭虫等工序都需要工作人员来进行操

38、作,而当填埋场中突然发生火灾爆炸事故的时候,就极有可能对在场工作人员造成直接的伤害。其次,填埋场发生的火灾爆炸还会对场内的设施设备造成损坏,使场内工作不能正常运行,影响填埋场对管理片区的垃圾处理效率,继而还可能引发其他事故,造成巨大的损失。再次,是对填埋场的基本结构造成破坏。不论是垃圾填埋场内部发生的物理爆炸,还是聚集气体发生的化学性爆炸,其产生的破坏力极有可能对填埋场的结构产生影响。比如垃圾堆体本身,若因爆炸使其经正常工艺填埋的结构遭到破坏,则可能会造成垃圾山体坍塌类事故;填埋场爆炸也会对填埋场的边坡产生影响,填埋场的边坡设计时即便有考虑到类似的震动影响,但是也会对其使用寿命有一定的影响;再

39、有就是对填埋场设计的其他系统比如集气系统、排水系统之类的产生破坏,因此而造成的不良影响。2.2.3.3垃圾填埋场发生火灾爆炸的影响因素分析本文将从两个大的方面分析填埋场发生火灾爆炸的影响因素。首先从燃烧爆炸的条件着手,填埋气体发生爆炸必须具备三个条件。一是一定的甲烷浓度,一般在515之间,最强烈的爆炸发生在甲烷浓度为9.5左右的时候。二是甲烷的点火温度,一般认为甲烷的点火温度为650750,明火、电气火花、雷电火花、吸烟甚至撞击产生的火花等,都可以点燃甲烷,造成填埋场的燃烧爆炸,甲烷的浓度不同,则甲烷能被点燃的温度也有所差异,甲烷浓度在6.58时最容易被点燃,即引火需求温度最低。三是氧气的浓度

40、,燃气爆炸极限与氧气浓度有很大的关系,氧气浓度增加,则气体的爆炸极限范围增大,尤其是上限,氧气浓度增加时爆炸上限增加相对更快;当氧气浓度降低时,燃气爆炸下限缓慢增高,但是上限却迅速降低,氧气浓度降低到12时,甲烷混合气体则失去爆炸性,即使施以点火也不会爆炸。其次,是管理因素。管理得不得当,很大地影响到填埋场发不发生火灾爆炸。管理的切入方向主要是气体收集效率和气体的引火条件,若填埋场气体收集系统效率很高,则很不容易形成气体聚集的条件。点火条件是火灾爆炸管理的重点,填埋场火种的管理、场内动火作业的管理、以及雷电防避的管理都影响到火灾爆炸的发生率,若在此方面管理很到位,则能大大降低火灾爆炸的发生率。

41、2.2.4填埋场垃圾堆体、边坡危险性分析2.2.4.1垃圾堆体稳定性概述垃圾堆体稳定问题包括垃圾填埋场边坡的稳定和垃圾堆体自身的稳定。无论是填埋场边坡的稳定性还是垃圾自身堆体的稳定性,都与垃圾(土)的抗剪强度、重力密度、坡高、坡角以及孔隙水应力等因素有关;如果是边坡位置多层衬垫系统和覆盖系统的稳定性问题,还与这些衬垫系统中不同接触面上的抗剪强度有关7。2.2.4.2垃圾堆体、边坡稳定性破坏造成的危害后果一是填埋场结构性的破坏。垃圾填埋场结构性的破坏直接影响到填埋场的垃圾填埋,垃圾堆体坍塌影响垃圾堆体的密度,若处理不善则会影响到其他垃圾堆体的稳定性。填埋场边坡如果遭到破坏,则会影响到垃圾填埋场的

42、使用年限等。二是由于垃圾堆体坍塌、边坡失稳破坏后造成的其他事故。最主要的危害就是垃圾填埋场垃圾水、渗滤液的泄露,填埋场产生的渗滤液等具有危害性的物质,正常的情况下经过填埋场设计的系统能安全处理,一旦边坡破坏,则可能造成泄露,从而污染填埋场附近环境。2.2.4.3边坡稳定性分析方法介绍 边坡稳定分析方法通常有传统的确定性方法和考虑变量不确定性的随机方法。由于垃圾土工程性质的统计指标变化范围都比较大,说明垃圾土参数具有较大的不确定性,理论上讲垃圾土边坡稳定分析最好采用考虑变量不确定性的随机方法。但相关方法和规范都尚未达到能在实际中应用的程度,因此都是采用传统确定性方法进行分析的。用于边坡稳定分析的

43、确定性方法有极限平衡法和有限元法两种,对工程实践而言,极限平衡法是被推荐和常用的方法。极限平衡分析包括 两个方面:一、用条分法计算边坡稳定安全系数;二、搜索最危险滑动面( 即安全系数最低值)7。在求得垃圾堆体的最小安全系数后,还需对其进行安全判别,也就是如何确定其允许安全系数。对于允许安全系数:碾压式土石坝设计规范(SL2742001)对坝坡抗滑稳定最小安全系数的规定选定,对不同计算方法规定了不同的最小安全系数。2.2.4.4垃圾填埋场稳定性分析不同计算方法、堆高、坡度、渗沥液水位、接触面强度参数、加筋作用、地震因素等对垃圾填埋场的稳定性分析有着不同程度的影响。计算方法的影响:目前有关边坡稳定

44、计算的允许安全系数都只规定一个允许值Fp,SL2742001指出对可以同时利用有效应力法和总应力法计算的情况,以较小的安全系数为准,即按照FsFp作为控制条件,而Fs较大的情况则作为安全富裕度来考虑。垃圾土的抗剪强度受控于有效应力,而不是总应力。有效应力强度指标比较稳定可靠,应作为基本方法来计算垃圾堆体的稳定状况,但是,由于垃圾堆体中浸润线和孔隙水压力状况很难真正模拟,有效应力法运用起来较困难。实际分析时,通常采用以总应力计的固结不排水抗剪强度指标,认为垃圾堆体内孔隙水压力不消散、不排水来分析垃圾堆体的稳定状况。垃圾堆体高度的影响:有关研究表明,随着垃圾堆体增高,无论是有无地震作用因素,垃圾边

45、坡稳定安全系数Fs逐渐减少,但增加到某高度后,Fs不减反增,Fs的最小值不是相应于最大填埋标高,而是位于中间某一堆高。对有地震作用下的稳定分析来说,这可能是由于垃圾堆体的自振频率在中间某个堆高时与地震频率接近或相同而引起共振,使其安全性降低。地震烈度越大时,相应的中间堆高值也越低。无地震时最危险工况不在最大堆高时的原因,与稳定分析时所考虑的渗沥液水位有关。垃圾堆体高度越高 ,浸润线埋深越大,当堆体增加到某个高度后,浸润线以上垃圾堆体所提供的抗滑力开始起主导作用,而由浸润线以下饱和垃圾堆体所引起的滑动力所占比例逐渐减小,从而导致抗滑力的增加比例要比滑动力的增加比例大,使得垃圾堆体安全系数开始增加

46、。比滑动力的增加比例大,使得垃圾堆体安全系数开始增加。垃圾堆体坡度的影响:垃圾堆体边坡坡度的大小对堆体稳定性成反相关关系,坡度越小,安全系数越大。从稳定安全的角度来看,边坡越缓越好,但太缓会影响填埋场的库容,故应综合考虑。渗沥液水位的影响:所有垃圾堆体的失稳破坏几乎都与暴雨有较大联系, 主要是由于暴雨引起垃圾堆体渗沥液浸润线上升,垃圾堆体处于饱和状况。甚至类似于“浮”在水中这样一种状态,致使有效应力降低,安全性下降。有关分析发现浸润线位置对垃圾堆体稳定有较大影响,降低浸润线可以有效提高垃圾边坡的稳定性。因此,凡是能够减少垃圾填埋场渗沥液产生量和有效排出渗沥液使浸润线下降的工程措施,都有利于改善

47、垃圾边坡的稳定状况。浸润线究竟在堆体中处于什么位置才能使得垃圾堆体不致发生稳定破坏。有学者认为当 h/H0.40.5( h为渗沥液水位高度、H为垃圾堆体高度)时,垃圾堆体是满足边坡稳定要求的21。对最小安全系数 Fs小于允许安全系数Fp,或者 Fs1. 0的填埋场,在遇到暴雨天气时是极有可能发生失稳破坏的。因此, 在垃圾填埋过程中应加强运营管理,尽最大可能控制垃圾堆体周围山体雨水进入填埋库区,及时导排淤积在垃圾堆体中的渗沥液,保证渗沥液导排系统畅通无阻,确保垃圾堆体稳定安全,尤其在夏季暴雨较多的季节,更应密切监视。2.3 事故树在生活垃圾填埋场中的应用2.3.1事故树分析方法概述 事故树分析(

48、Fault Tree Analysis, FTA)又称故障树分析,是从结果到原因找出与灾害有关的各种因素之间因果关系和逻辑关系的分析法。这种方法是把系统可能发生的事故放在图的最上面,称为顶上事件,按系统构成要素之间的关系,分析与灾害事故有关的原因。这些原因可能是其他一些原因的结果,称为中间原因事件,继续往下分析,直到找出不能进一步往下分析的原因为止,这些原因称为基本原因事件。图中各因果关系用不同的逻辑门链接起来,由此得到图形像一颗倒置的树。事故树常用的4种表示符号见表2.2。表2.2 事故树常用表示符号种类符号名称意义事件符号顶上事件或中间原因事件表示由许多其他事件相互作用而引起的事件。这些事

49、件都可往下一步分析,处于事故树的顶端或中间事件符号基本事件事故树中最基本的原因事件,不能继续往下分析,处在事故树底端逻辑门符号或门表示或任一事件单独发生时,事件都可能发生逻辑门符号与门表示、两个事件同时发生,事件才可能发生逻辑门符号条件或门表示或任一事件单独发生时,事件才能发生逻辑门符号条件与门表示、两个事件同时发生时,还必须满足条件a,事件才能发生事故树分析有定性分析和定量分析。事故树的定性分析包括求最小割集、最小径集和基本事件结构重要度分析;定性分析是在求出各基本事件发生概率的情况下,计算事故顶上事件的发生概率,求出概率重要度和临界重要度。本文将只进行定性分析,通过求其最小割集、径集和各基

50、本事件的结构重要系数来分析。2.3.2事故树分析填埋场火灾爆炸2.3.2.1分析编制事故树填埋场发生火灾爆炸需要达到一定的条件,可燃气达到可燃浓度、达到爆炸极限、遇到点火源等。点火源有明火、电火花、撞击火花、静电火花和雷电火花,这些点火源又是由各种不同的因素产生的,可燃性填埋气体的浓度能达到可燃浓度也是由诸多因素造成的,因此本文针对这些具体因素即可编制成事故树具体分析,事故树具体情况见图2.3。 图2.3 填埋场火灾爆炸事故树2.3.2.2事故树定性分析 (1)求最小割集(径)集。上述事故树的成功树见图2.4。图2.4 为图3的成功树 结构函数式如下: 即 从而得到7个最小径集为: (2)结构

51、重要度分析。因为,是单个事件最小径集,最大。,只同时出现在一个最小径集中;同在4个最小径集中。根据判别结构重要度的近似方法,得出: 而与其他事件无同属关系。因此,只需要判定的大小即可。根据结构重要度系数近似判别式计算公式: (2.3)式中 基本事件的结构重要度系数近似判断值; 包含的所有最小割集; 包含的最小割集中的基本事件的个数。由式子3可以算出:因此,得到的结构重要顺序为:=2.3.2.3结论分析由图3的事故树分析可以知道,点火源与达到爆炸极限的混合填埋气体构成了垃圾填埋场填埋气体爆炸事故发生的要素。首先分析基本事件、,这事单事件的最小径集,其结构重要度系数最大,是填埋场发生爆炸的最重要的

52、条件。因此,对于填埋场的安全管理,就要求针对性的采取措施,比如在填埋场各点布置气体报警器,对填埋场混合气体进行浓度监视,一旦接近危险极限即报警,安全管理者便可采取急救措施,疏通气体等消除一些事故发生的因素。其次,最小径集只由、两个单事件构成,其结构重要度仅次于前两者,由此可见,集气系统导气井失效和输气管破损的管理在防止填埋场火灾爆炸的安全管理中相当重要。由静电火花和雷电火花导致火灾爆炸的重要度相对较小,是因为所属的基本事件需要同时发生才能使顶上事件发生。防止填埋气体达到可燃浓度,加强对填埋场安全管理以及场内气体浓度监测,严格控制点火源,特别是严禁吸烟和违章动火,防止铁器撞击以及经典火花的产生等

53、,还有保证场内的电气设施防爆良好等,这些都是填埋场内防火防爆的安全管理措施。四川理工学院毕业设计 3 填埋气燃烧系统设计3 填埋气燃烧系统设计3.1填埋气燃烧系统设计说明鉴于填埋气所能造成的危害,生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范(CJJ133-2009)中规定:“填埋场必须设置填埋气体导排设施”,总填埋容量大于100万t时还必须设置气体主动导排处理设施(100万t-250万t)或者配套建设填埋气体利用设施(大于250万t)。控制填埋气排放通常的有效方法是安装填埋气收集系统并且在气体控制系统中安装一套气体处理设备,本文即设计安装一套燃烧设备,此设备的作用便在于将甲烷等挥发性有机化

54、合物和其他有害气体污染物在排放至大气之前处理掉。3.2填埋气量说明3.2.1生活垃圾和填埋气的构成总体来讲,我国城市生活垃圾组分的特点是:垃圾水分含量较高,含水率通常在3050,有机物和包装物的比例较高,占垃圾干重比例的50以上,灰土含量较低22,我国城市垃圾的详细组成分类见表3.1。厌氧降解产生的甲烷气除去溶于渗滤液中及氧化损失的部分之外,一般体积分数占50左右。填埋气中的组要成分见表3.2,除了表中的三种之外,还有极少量的硫化氢和非甲烷有机质成分。表3.1 城市垃圾干重组成成分有机物砖石塑料纸类玻璃织物金属其它比例60.02%12.74%9.51%8.81%2.89%1.94%0.87%3.92%表3.2 生活垃圾填

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