水压式沼气池课程设计.docx

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水压式沼气池课程设计

一:

前言

1．1沼气定义

1．2沼气工程原理

1．3影响厌氧发酵的因素

1．4厌氧发酵工艺

1．5厌氧发酵原理

1．6沼气工程的现状和前景

1．7沼气发酵的优点

二:

依据

三：

设计说明书

3．1课程设计题目

3．2课程设计目的

3．3课程设计参数

3．3．1气压

3．3．2池容产气率

3．3．3贮气量

3．3．4池容

3．3．5投料率

3．4发酵间设计

3．4．1发酵间的容积

3．4．2发酵间各部分尺寸的确定

3．5进料口设计

3．5．1计算死气箱拱的矢高

3．5．2死气箱容积

3．5．3投料率

3．5．4最大贮气量

3．5．5气箱总容积

3．5．6发酵间最低液面位

3．6水压间设计

3．7发酵原料预处理

3．8设计沼气发酵池的注意事项

四：

设计计算书

4．1工艺流程设计

4．2发酵料液计算

4．3气室容积计算

4．4沼气发酵的投料计算

五：

设计总结（包含图纸）

水压式沼气池课程设计说明书

——八立方米

一.前言

沼气池是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，气主要成分是甲烷和二氧化碳[5]；沼气工程是对废弃有机物进行厌氧发酵处理的过程，厌氧发酵又叫厌氧消化，厌氧消化处理是在缺氧情况下，利用自然界中固有的厌氧菌（特别是甲烷菌）微生物，以垃圾中有机物作为它的营养源，经过甲烷菌的新陈代谢，将垃圾中有机物转化为沼气和沼肥的整个生产过程。

影响厌氧发酵的因素有很多：

根据菌体的性质、发酵温度等决定有机物的投入量；为了使甲烷发酵顺利进行，营养因素也不可忽视，碳氮比和碳磷比是重要因素；粒度的大小，一般是越小越好；发酵的温度分为常温发酵、中温发酵和高温发酵，都要控制在相对的范围内；不可缺少的还有沼气发酵槽料液的搅拌；对于厌氧发酵，适当的加温、基质的平均滞留时间和PH值也是其重要因素。

厌氧发酵工艺有高温厌氧发酵工艺和自然温度厌氧发酵工艺两种方式[3]。

厌氧发酵原理：

有机物的厌氧发酵过程可分为液化、产酸和产甲烷三个阶段，三个阶段各有其独特的微生物类群起作用[4]。

利用城镇垃圾、粪便、污水以及食物加工后的废渣泔水等制取沼气可以节约石化能源，降低加工成本，清洁环境。

利用农业和食品加工业产生的废渣、植物秸秆、人畜粪便、活性污泥等制取沼气的过程可以杀灭病虫卵，防止疾病传播。

沼气渣还可以提高肥效，发展前途广阔[3]。

二．依据

（1）气压：

沼气池的产气量和池内的气压密切相关。

随着气压的增加，其产气量相应减少。

同时，沼气发酵效果好，要求沼气池内气压有一个相对的稳定阶段。

（2）产气率：

所谓产气率是指每立方米发酵料液24小时的产气量，单位以米3/米3料液·天表示。

目前，我国农村家用沼气池大部分为常温发酵。

发酵温度随外界气温和地温而变化，变化幅度为8℃～28℃。

在正常产气的情况下，每立方米发酵料液产气量为0.1～0.3米3/天。

夏天产气多，冬天产气少。

（3）容积：

沼气池容积的确定是设计上的一个重要指标。

沼气池设计过小，不能充分利用原料和满足使用要求；容积过大，没有足够的原料，则沼气池利用率低，浪费投资和材料。

因此，沼气池容积应根据发酵原料情况和用户使用要求以及产气率合理确定。

农村户用沼气池，根据目前生活水平，每人每天用气量是0.2～0.3米3。

如五口人的家庭每日需沼气量为1.5米3。

目前水压式沼气池的产气率为0.15米3/米3料液·天左右。

（4）沼气池是靠池内发酵产生的沼气将发酵料液压到水压间而产生压力。

贮气容积的确定，是按每个沼气池每天所产沼气量的一半计算。

（5）沼气池荷载：

荷载是指作用于沼气池的外力，指单位面积上所承受的重量。

沼气池自身重量是2.5吨/米3；拱顶覆土及地面处置负重2.5吨/米3；池内发酵原料1.2吨/米3；沼气池产气后池内承受压力为1吨/米2；池顶人、畜活动承受力1.5吨/米2。

综合上述因素，沼气池池基荷载为5吨/米2。

三．水压式沼气发酵池设计说明

1.课程设计的目的

通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论知识进行沼气池设计的初步能力。

通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养确定厌氧系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。

2.设计参数[1]

1）气压：

7480Pa（即80cm水柱）

2）池容产气率：

指每立方米发酵池容积1昼夜的产气量，单位为m³沼气/（m³池容·d）常温下我国常用的池容产气率为0.2m³/（m³.d）

3）贮气量：

指气箱内的最大贮气量。

农村家用水压式沼气池的最大贮存气量以12H产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。

4）池容：

指发酵间的容积。

本次设计的农村家用水压式沼气池的池容积为8m³。

5）投料率：

指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比。

3.发酵间的设计[1]

1）发酵间的容积

Ｖ＝（Ｖ１－Ｖ２）ｋ１

式中　Ｖ－发酵间容积，ｍ³；

　　　Ｖ１－发酵料液体积，ｍ³；

　　　Ｖ２－气室容积，ｍ³；

　　　ｋ１－容积保护系数，取0.9。

本次设计取ｋ１=0.9Ｖ=（7.32-0.732）x0.9=5.93m³

2）发酵间各部分尺寸的确定

沼气池的直径根据题目要求及经验和平面设计确定为2.8m。

发酵间池盖削球体矢高和净容积

a）池盖削球体矢高

f1=D/a1

式中f1—池盖削球体矢高，m。

D—圆柱体形池身直径，m。

a1—直径与池顶矢高的比值，取6。

f1=2.8/6=0.47（m）

b）池盖削球体净容积

Q1=π/6（3R2+f12）xf1

式中Q1—池盖削球体净容积，m³；

π—圆周率，取3.14;

f1—池盖削球体矢高，m;

R—池身圆柱体内半径，m。

则Q1=3.14/6x0.47x（3x1.42+0.472）=1.5（m³）

发酵间池底削球体矢高和净容积

a）池底削球体矢高

f2=D/a2

式中f2—池底削球体矢高，m;

D—池身圆柱体直径，m;

a2—直径与池底矢高的比值，取值8

那么f2=2.8/8=0.35（m）

b）池底削球体净容积

Q3=π/6f2（3R2+f22）

式中Q3—发酵间池底削球体净容积，m³；

π—圆周率，取3.14;

R—池身圆柱体内半径，m;

f2—池底削球体矢高，m。

则Q3=3.14/6x0.35x（3x1.42+0.352）=1.1（m3）

发酵间池身圆柱体容积和池墙高度

a）发酵间池身圆柱体净容积

Q2=V-Q1-Q3

式中Q2—发酵间池身圆柱体净容积，m³；

V—发酵间总容积，m³；

Q1—池盖削球体净容积，m³；

Q3—发酵间池底削球体净容积，m³。

Q2=5.93-1.5-1.1=3.33（m³）

b）发酵间池身圆柱体高度

H=Q2/πR2

式中Q2—发酵间池身圆柱体净容积;

R—发酵间池身圆柱体半径，m;

H—发酵间池身圆柱体高度，m。

H=3.33/（3.14X1.42）=0.541（m）

发酵间内总表面积

S=S1+S2+S3

式中S—内总表面积，m2;

S1—池盖削球体内表面积，m2;

S2—池身圆柱体内表面积，m2;

S3—池底削球体内表面积，m2。

a）池盖削球体球面内表面积

S1=π（R2+f12）

式中S1—池盖削球面内表面积，m2;

R—池身圆柱体半径，m;

f1—池盖削球面矢高，m;

π—圆周率，取3.14。

S1=3.14X（1.42+0.472）=6.848（m2）

b）圆柱体池身内表面积

S2=2πRH

式中S2—池身圆柱体内表面积，m2;

R—池身内圆柱体内半径，m;

H—池身圆柱体高度，m;

π—圆周率，取3.14。

S2=2X3.14X1.4X0.541=4.756（m2）

c）池底削球体内表面积

S3=π（R2+f22）

式中S3—池底削球体内表面积，m2;

f2—池底削球体矢高，m;

R—池身圆柱体内半径，m;

π—圆周率，取3.14

S3=3.14X（1.42+0.352）=6.539（m2）

d）发酵间总表面积

S=6.848+4.756+6.539=18.143（m2）

4.进料口的设计[1]

进料口由上部长方形槽和下部圆管组成，其中上部长方形槽几何尺寸是长x宽x深=600mmx320mmx500mm;下部圆管采用∮300预制混凝土管，管与池墙角为35°[5]

死气箱拱的矢高

f死=h1+h2+h3

式中h1—池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在10-15cm之间，取15cm;

h2—导气管下露出长度，区3-5cm,取5cm;

h3—导气管下口到液面距离，一般取20-30cm,取25cm。

f死=0.15+0.05+0.25=0.45（m）

死气箱容积

V死=πf死2（p1+f死/3）

式中V死—死气箱容积；

f死—死气箱矢高；

p1—池盖曲率半径。

V死=3.14x0.452x（1.9575-0.40/3）=1.16（m³）

投料率

投料率=（V-V死）/VX100%

投料率=（8.0-1.16）/8.0x100%=85.5%

最大贮气量

V贮=池容x池容产气率x0.5

V贮=

气箱总容积

V气=V死+V贮

式中V气—沼气池气箱总容积；

V死—死气箱总容积；

V贮—有效气箱容积。

V气=1.16+0.8=1.96（m³）

发酵间最低液面位

V筒=V气-Q1

V筒=1.96-1.5=0.46（m³）

圆筒形池身内气箱部分的高度为：

h筒=0.46/（

最低液面位在池盖与池身交接平面以下h筒的位置上。

这个位置也就是进出料管的安装位置。

5．水压间设计[5]

H水压间=h筒+f死+H-0.8

H水压间=0.075+0.045+0.541-0.8=0.266（m）

有效容积：

V有=池容x池容产气率x投料量x1/2

V有=

H=V有/（3.14xR2）

0.266=0.684/（3.14xR2）

R水压间=0.881

水压式沼气池的尺寸设计完成

6．发酵原料预处理[5]

粪便原料不必进行预处理，作物秸秆必须

铡短到五厘米或粉碎

在接种物用量小于20%，鲜粪用量与风干秸秆的重量比小于1：

1时，启动时所用的秸秆原料应进行堆沤处理。

方法有：

（1）池外堆沤：

将原料加水拌匀。

加水量以料堆下部不出水为宜，料堆上加盖塑料膜。

气温在十五摄氏度左右时堆沤4-5天，气温在二十摄氏度以上进堆沤2-3天。

（2）池内堆沤：

将原料及接种物拌匀后，投入沼气池内进行堆沤，堆沤时间参照池外堆沤。

【接种物】

沼气发酵启动时所用的含有大量沼气发酵微生物的各种厌氧活性污泥称接种物。

在沼气发酵启动时，料液中要添加10%-30%的接种物。

老沼气池中的悬浮污泥、各种有机废水沉污泥、河流湖泊底层的沉渣、坑塘污泥和积水粪坑的粪肥等，都可用来做接种物。

所用接种物的挥发性固体含量不低于3%。

【沼气发酵的启动】

投料：

将预处理的原料和准备好的接种物混合在一起投入池内。

启动时的料液干物质含水量控制在6%-12%。

加水封池：

原料和接种物入池后，要及时加水封池。

以料液量约占沼气池总容量积的85%-90%为宜。

然后加盖密封。

放气试火：

沼气发酵启动初期，通常不能点燃。

因此当水压表压力达到20厘米水柱以上时，应进行放气试火。

所产沼气可正常燃烧使用时，沼气发酵的启动阶段即告完成。

【气池的运转管理】

当沼气发酵启动之后，即进入正常运转阶段。

为了维持沼气的均衡产气，启动后30天左右就应定时进行补料。

正常运转期间进池的秸秆原料，只要铡短或粉碎并用水或发酵液浸透即可

正常运转期间的进料浓度应尽量大一些，干物质含量可以大于8%。

为了便于管理和均衡产气，可每隔5-7天补料一次，“三结合”沼气池每天都要有一定量的人畜粪便进入沼气池，产气量不足时，则应每5-7天添加秸秆或青草等原料一次。

每隔5-7天搅拌一次，可通过进料口或水压间用木棍搅拌，也可从水压间淘出料液，再从进料口倒入进行搅拌。

若发生浮料结壳并严重影响产气时，则应打开活动盖进行搅拌。

冬天减少或停止搅拌。

7．注意事项

沼气发酵启动过程中，试火应在灯、炉具上进行，禁止在导气管口试火。

沼气池在大换料时要把所有盖口打开，使空气流通，在末通过动物实验证明池内确实安全，不允许工作人员下池操作。

池内操作人员不得使用单人操作，下池人员要系安全绳，池上要有人监护。

以防万一发生意外可及时进行抢救。

沼气池进出料口要加盖。

输气管道、开关、接头等处要经常检修，防止输气管路漏气和堵塞。

水压表要定期检查。

确保水压表准确反映池内压力变化。

要经常排放冷凝水收集器中的积水，以防管道发生水堵。

活动盖密封情况下，进出料的速度不宜过快，保证池内缓慢升压或降压。

在沼气池日常进出料时，不得使用沼气燃烧和有明火接近沼气池。

水压式沼气发酵池设计计算书

——八立方米

1．工艺流程设计

沼气发酵工艺类型较多，我国普遍采用的是自然温度厌氧发酵工艺和高温厌氧发酵工艺。

自然温度半批量投料发酵工艺：

这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化投料，基本流程图如图所示:

送农田

定期出料

加活性污泥

定期加料

大出料

入池发酵产气

配料

原料预处理

原料选择

图：

自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程

*该图来源于[4]

这种工艺发酵期因季节和农用情况而定，一般为五个月左右。

运行中要求定期补充新鲜原料，以免造成产气量下降（该工艺主要缺点是出料操作劳动量大）。

自然温度连续投料发酵工艺：

这种工艺自然温度下，定时定量投料和出料，能维持比较稳定的发酵条件，使沼气微生物（菌群积累）区系稳定，保持逐步完善的原料消化速度，提高原料利率和沼气池符合能力，达到较高的产气率；工艺自身消耗能少，简单方便，容易操作。

我们选择的是自然温度连续投料发酵工艺。

2．发酵料液的计算

发酵料液体积的计算:

V1=[（n1+n2）k2+n3]T

式中V1—发酵料液体积，m³；

n1—产人粪便总量。

按常住人口x0.006~0.0013m³/（人·d）取值；

n2—产牲畜粪便总量。

按按养猪头数x0.006~0.15m³/（头·d）取值；

n3—每日舍外能定量收集粪便总量，m³/d，取0.034;

k2—收集系数，取值0.6;

T—原料滞留期（d）;蔬菜区t取30，平坝农业区取35，丘陵农区取40。

V1=[（0.03+0.32）X0.6+0.034]X30=7.32m³

3.气室容积的计算

V2=1/2V1k3

式中V1—发酵料液体积，m³；

V2—气室容积，m³；

k3—原料产气率，本次试验取0.2，为常温下产率。

V2=1/

4沼气发酵的投料计算

本次设计的农村家用水压式沼气池的池容为8m³，假设一个五口之家一天的用气量为1.2m³，为了保证每天的供气充足。

我们选择了干稻草、人粪、猪粪、青草等作为发酵物。

在8m³的沼气池内每天的产气量最大为1.2m³。

物料名称

产气量m³/d

投料量kg/d

碳所占百分比%

氮所占百分比%

猪粪

0．354

0．90

7．80

0．6

人粪

0．030

0．075

2．5

0．85

青草

0．645

1．5

14．0

0．84

干稻草

0．171

0．5

42．0

0．63

*该表来源于[5]

C:

N=（0.9X7.8%+

/（

我们计算出了物料的碳氮比为23：

6：

1，符合沼气池普通的碳氮比要求。

*文献资料

[1]《固体废物处理与处置实践教程》

[2]《固体废物污染控制工程教程》

[3]《固体废物处理处置与资源化工程》

[4]《固体废物处理与利用》（第二版）

[5]《某水压式沼气池课程设计说明书》（网络资料）

四.图纸