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我又重写的论文

河南农业大学

本科生毕业论文（设计）

题目线性表的设计和实现

学院机电工程学院

专业班级电子信息工程04级3班

学生姓名…

指导教师焦有宙

撰写日期：

2009年5月09日

摘要

设计了-种新型厌氧发酵系统———集箱式沼气工程.该工程采用太阳能加热和辅助加热,由独立单元组成,可根据养殖规模组装成50500m3等不同规模的沼气工程.并在设计的示范工程上完成了运行试验.结果表明,该系统池容平均产气率为0.80m3m-3d-1,所产沼气的热值为25.40MJm-3,处理后的猪粪污水COD去除率为82.2%,悬浮物去除率为88.8%.。

关键词：

集箱;厌氧发酵系统;沼气工程

StudyonDesignandExperimentofClusterCaseTypeBiogasEngineering

Abstract

Thepaperdesignedanewtypeofbiogassystem-clustercasetypeanaerobicfermentationengi-neering.Usingsolarheatingandauxiliaryheating,thistechnologywascomposedofindependentunitandcouldassembledifferentscalebiogasengineeringof50500m3accordingtofarmscale.Anditsoperatingtestofthetypicalengineeringwasfinishedbasedonthedesignedmodel.Theresultsshowedthattheyearlyaverageaerogenesisrateofthesystemwas0.80m3m-3d-1,thethermalvalueofbiogasproducedfromitwas25.40MJm-3,thedislodgingrateofCODwas82.2%,anddislodgingrateofsuspensionwas88.8%.

Keywords:

clustercase;anaerobicfermentationsystem;biogasengineering

目录

1引言1

2集箱式沼气工程的结构1

2.1预加热发酵池2

2.2太阳能温室2

2.3辅助加热设备3

2.4储气罐4

3.集箱式沼气工程的设计4

3.1配套养猪场规模的设计4

3.1.1沼气池容积产气率及沼气产量的确定4

3.1.2粪便原料产气率及规模化猪场粪污干物质排放量的确定5

3.1.3配套猪场的设计5

3.2集箱式沼气厌氧发酵工程所需辅助热量及秸秆消耗量的计算6

3.3配套加热炉的设计6

3.4发酵间压力的设计7

3.5发酵间规格设计7

4集箱式沼气工程的性能试验8

5系统的特点9

6结语11

参考文献12

1引言

中国的畜禽粪便污染问题已经成为困扰畜牧养殖业可持续发展的一个主要因素[1-3].尤其是随着集约化、规模化和现代化养殖业的快速发展,畜禽粪便的产量也在不断增加,1999年仅规模化养殖场排放的粪便量就已接近17亿t,但由于规模化养殖场的粪便-般都采用水冲式进行处置,其粪便的污水排放量要远远高于粪便量,沼气作为清洁的可再生能源,在中国农村户用沼气技术已相当成熟,推广普及率较高,已在广大农村产生了显著的生态环境和经济效益,同时在大中型沼气工程化开发利用方面虽然也积累了-定的经验[4-8],但是由于目前的反应器如UASB,IC等,它们的结构复杂、有很高的技术要求,管理起来较困难.并且,-次建成投资费用大、投资回收期长,不利于推广.而传统沼气池的发酵温度较低,容积产气率又不高,并且发酵温度受环境温度的影响较大,发酵温度不稳定,产气量小,产气不稳定,不能适合大中型养殖场污水处理的要求.同时,对大中型沼气工程的关键技术和设备深入研究不够,尤其是在规模化猪场粪便沼气生态工程技术的产业化开发方面明显存在不足,-定程度上影响了其产业化的推广应用进程。

为此,作者研究设计了-种新型厌氧发酵系统———集箱式沼气工程.作者介绍了100m3和300m3规模集箱式沼气工程的设计和有关设备的结构,以便为类似工程的设计和设备研究提供参考

2集箱式沼气工程的结构

集箱式沼气工程的结构集箱式沼气工程的结构如图1所示,其主要由预加热发酵池、发酵单元、太阳能温室、辅助加热设备、储气罐等几个部分组成

1.加热炉Heatingfurnace　2.循环管道Circulatingpipe　

3.发酵单元Fermentationunit　4.太阳能温室Solargreenhouse　

5.预加热发醇池Preheatingfermetationtank　6猪栏Fenceofpiggery　

7排粪槽Drain-dejectagroove　8发酵间Fermentationchamber　

9.储气罐Gas-collectingtank

图1集箱式沼气工程结构示意图

Fig1　Sketchofclustercasetypebiogasengineering

2.1预加热发酵池

100m3规模时预加热发酵池的体积大约为4m×5m×1.5m（即30m3）,300m3规模时其体积大约为5m×6m×2m（即60m3）,池壁厚度为-砖墙,即240mm.预加热发酵池的上部有一个20°的倾角,上面覆盖有塑料薄膜,可利用太阳能对料液进行加热,从而达到预加热发酵的目的.需要进料时,打开阀门料液即可流入沼气池,进完料后关闭阀门即可.……。

2.2太阳能温室

太阳能温室是由钢材骨架、塑料薄膜等组成的太阳能加热系统.太阳能加热系统工作时,太阳短波能进入塑料温室内,经地面辐射变为长波能而被塑料薄膜阻挡在大棚内,于是使温室大棚内的温度不断升高.涂有特制高吸收率黑色镀膜层的沼气池上盖吸收进入温室内的太阳能,而使发酵液温度增高,提高产气率.当环境温度过低时,太阳能辅助加热系统不能够满足沼气发酵所需要的温度时,需启动生物质辅助加热系统,以保证厌氧发酵正常进行.-般情况下,主要依靠太阳能加热系统调节厌氧发酵工艺所需的温度,实现厌氧发酵正常进行.

2.3辅助加热设备

辅助加热设备是指由供热管道、加热炉、烟囱等组成的生物质加热系统.生物质辅助加热系统主要由加热炉和供热循环管道2大部分组成,如图2所示,即分别由循环水泵、加热炉、管道及阀门等组成,经联结后构成-个相对独立的沼液循环加热系统.生物质辅助加热系统的工作原理是依靠循环水泵把新鲜沼液从出料间经过滤后吸入生物质（秸秆或木屑等）燃烧加热炉内的加热水套（水套定期清理）,再利用循环管道把加热后的沼液从各个发酵单元的金属顶壳送入沼气发酵池内,形成了沼液辅助加热的内外循环系统,从而加热发酵液,提高发酵温度.同时,还起到了搅拌发酵料液的目的,保证了发酵工艺的高效运行.生物质辅助加热系统的运行工艺是在沼液出料设抽液管道,安装在循环泵进,再由循环泵出管道上安装阀门1和阀门2.打开阀门1关闭阀门2,料液可直接排出出料;关闭阀门1打开阀门2,料液可经过加热炉加热水套,通过管道经过回液阀可直接进入沼气池,同时也可以调节回液阀控制管道内各段流量,这样不断的连续循环加热沼液,均匀的搅拌沼液,提高沼气池内沼液温度.同时,通过用沼液循环搅拌提高了发酵原料的产气率.沼液分流器主要作用是把池底的新进沼渣,用液流动力向沼气池中间推进,使发酵原料布局更加均匀.……。

图2　加热循环管道系统示意图

Fig2　Sketchofheatingcirculatingpipelinesystem

2.4储气罐

钢制储气浮罩以导向轮沿纵向导轨在水泥池内的水中上下浮动,浮罩重量和配重提供-定的沼气出压力,压力-般为1.53.0kPa.当储气罐内沼气过量时,多余的沼气从自动排空管排出,其结构示意图见图3.浮罩变容湿式集气罐的优点是沼气压力比较稳定,有利于燃烧器燃烧,可靠性好,容积可大可小;其主要缺点是占地面积大,投资费用高.运行试验结果表明储气罐容积以日供气量的50%60%为宜

1进气管　Gasinletpipe　2.监视孔Judas　3.阀门Valve　4.安全阀Safetyvalve　5.自动排空管Automaticevacuationpipe　6.浮罩Floatcover　7.导向轮Directivewheel　8.水槽Waterchannel　9.出气管Gasoutletpipe

图3　浮罩变容湿式集气罐

Fig3　Variable-volumewet-typegas-collectingtankwithfloatcover2　

3集箱式沼气工程的设计

3.1配套养猪场规模的设计

3.1.1沼气池容积产气率及沼气产量的确定

沼气池容积产气率rv（m3m-3d-1）是一个很重要的参数,它因发酵工艺、温度以及地上式（采用高效厌氧工艺的大中型沼气池）还是地下式（水压式沼气池）而有很大差别[1-4].温度为1015℃时,大中型沼气池rv一般为0.25,水压式沼气池rv一般为0.10;温度为2025℃时,大中型沼气池rv-般为1.0,水压式沼气池rv-般为0.25.但是,由于该沼气发酵系统配置有太阳能和辅助加热设备,故完全能够满足2025℃的产气温度.本沼气工程设计的沼气池容积为100m3和300m3.其容积产气率可以选定为rv=08m3m-3d-1.沼气产量可由式

（1）计算得到,100m3沼气工程的沼气产量为80m3d-1.300m3沼气工程的沼气产量为240m3d-1.

Q=Vrv

（1）

式中:

Q为沼气产量,m3d-1;V为沼气池容积,m3;rv为容积产气率,m3m-3d-1.

3.1.2粪便原料产气率及规模化猪场粪污干物质排放量的确定

沼气潜在产量与粪便干物质排放量的关系可用式

（2）表示:

W=Q/（η.rm）

（2）

式中:

rm为原料产气率,m3kg-1;η为粪便入池率,%;W为粪便干物质排放量,kgd-1.粪便原料产气率受原料的质量和发酵条件的影响而有差异.在发酵温度825℃,发酵周期60d的条件下,粪便原料的产气率在0.2240.480m3kg-1之间[5-8].因为本沼气系统有太阳能与辅助加热系统,可以保持25℃的发酵温度,故可取粪便原料产气率为rm=0.40m3kg-1.本工程属沼液（渣）加工处理的产业化项目,为了保证沼液（渣）相关产品的产量,不采用粪便固液分离技术,使粪便全部进入沼气池进行发酵处理,其粪便入池率近似按100%计算即可.由式

（2）计算出的粪便干物质排放量应分别为200kgd-1（100m3规模）和600kgd-1（300m3规模）

3.1.3　配套猪场的设计

将W=200kgd-1和W=60kgd-1分别代入经验公式（3）和公式（4）,计算得到与本工程相适应的规模化猪场存栏头数h和年出栏头数H,如表1所示.即与100m3集箱式沼气工程相对应的养猪场规模为:

存栏数为529头,年出栏数为918头;与300m3集箱式沼气工程相对应的养猪场规模为:

存栏数为1587头,年出栏数为2754头.

h=（W+0.118）/0.378（3）

H=（W+0.129）/0.218（4）

……

3.2集箱式沼气厌氧发酵工程所需辅助热量及秸秆消耗量的计算

发酵的温度保持在25℃,水力滞留期为20d,系统总装料量按容积的90%计算,即分别为100m3×90%=90m3和300m3×90%=270m3,则100m3集箱式沼气厌氧发酵系统进料量为90÷20=4.5m3d-1;300m3集箱式沼气厌氧发酵系统进料量为270÷20=13.5m3d-1.本系统的最大供热量应考虑2个方面,-是把每天进料由初始温度（选8℃）提高到发酵温度（选25℃）所需的热量Q1;二是每天系统的散热需要补充的热量Q2（可按供热量的10%计算）.则集箱式沼气厌氧发酵系统每天的最大供热量为:

Q=Q1+Q2=cmΔt+10%Q（5）

可得100m3和300m3规模集箱式沼气氧发酵系统每天最大供热量分别为358369kJ和1075107kJ.

3.3配套加热炉的设计

100m3规模时:

加热炉将整个沼气池大约90t由8℃循环加热到25℃,加热时间为6h,并设定为每1h循环1遍.作者选择木柴作为加热炉的燃料,已知木柴的发热量为1710021000kJkg-1.根据经验知,发酵微生物的存活流速不能大于0.5ms-1,否则将影响到沼气池的产气率[7],选取加热炉循环管道时应考虑到这个因素,选取加热炉循环管道的管径为130mm.并根据计算数据及经验得出加热炉结构如图4所示.300m3规模时则需3个这样的加热炉.

3.4发酵间压力的设计

设计压力是在相应的设计温度下,用以确定壳壁厚度的压力.其值稍高于最大工作压力.最大工作压力是指装置顶部在工作过程中可能产生的最高表压力.-般取最大工作压力的1.051.10倍为工作压力.沼气气压是计算发酵装置内压力的重要压力,设计气压应科学合理确定,根据GB47504752—84,设计压力-般不超过7848Pa.因此,绝对压力P=109173×105Pa,最大压力Pmax=110P=1200903×105Pa.

3.5　发酵间规格设计

发酵间由池体和上盖组成,100m3规模时,池体规格为18000mm×2800mm×1500mm.沼气池的底部墙根沿纵深方向用半径r=300mm的圆弧过渡,这样可以避免形成死角,有利于沼液的排出.而且,沼气池底部地面设计成斜度为1∶50的-个斜面,这样有利于底部沼渣从进料向出料移动,有利于沼渣的排出.沼气池上盖形状和结构如图5所示.用3mm厚的碳素钢板制成,钢板传热效果好,并且也减少了热胀冷缩对系统造成的破坏,克服了以往砖砌上盖沼气发酵池的-些弊端.为了增强沼气池上盖吸图5　沼气池上盖Fig5　Topheadofmethanetank收太阳光的能力,可在上盖外表面涂上-层阳光吸收率较高的特制黑搪瓷吸收涂层.材料应具有较高的抗压强度和抗弯能力,抗腐蚀性应较好,为了增强沼气池上盖的使用寿命,在上盖的内表面涂上-层特制的防腐涂层.安装导气管时应靠近沼气池内部-端,不能与拱顶面平齐,而应多出1020mm,这样可以减少水分带入输气管道.100m3规模时,发酵间设计为10个发酵单元,每个发酵单元体积为10m3,共100m3.300m3规模时,有3个100m3规模的工程并联而成.

4　集箱式沼气工程的性能试验

依据作者的设计计算建设的40m3规模集箱式沼气应用示范工程于2003-06在河南省孟州市小仇镇的生态农业示范区内建成并投入运行.300m3规模的应用示范工程于2004-05在河南省社旗县生态农业科技园内建成并正式运行.作者于2003-06-10日至2004-06-09日对40m3规模集箱式沼气工程的运行性能进行了历时1a的试验研究,试验结果如表2表4所示.

从表2表4可以看出,该系统池容平均产气率为0.80m3m-3d-1,大于国家标准规定的0.20.4m3m-3d-1;所产沼气的热值为25.40MJm-3,高于普通水压式沼气池所产沼气的热值,符合沼气燃烧器具对气体质量的要求;处理后的猪粪污水COD浓度由36500mgL-1降至6500mgL-1,去除率达82.2%,悬浮物浓度由17000mgL-1降至1900mgL-1,去除率达88.8%.

5系统的特点

①每个单元10m3,由若干个单元集装成50～100m3的标准厌氧发酵系统,根据养殖规模由标准厌氧发酵系统相并联集装成200、300、400、500m3等不同规模的厌氧发酵系统,安装与施工质量易于保证,运行管理规范,且工程投资明显低于传统的中小型沼气工程。

②厌氧发酵装置的结构设计采用具有自主知识产权的国家发明专利技术,下部为钢筋混凝土水泥池,上部为拱形钢结构上盖,钢盖内表面采用防腐涂层,延长设备使用寿命,钢盖外表面涂有太阳光高吸收率的黑色镀膜,不仅增加了太阳能吸热量,提高了厌氧发酵温度,实现了粪便厌氧发酵工艺要求的主要参数可控性,保证了粪便厌氧发酵工艺的稳定性和沼液（渣）质量,同时大大提高了沼气产气率。

③厌氧发酵装置采用独特的太阳能辅助加热与发酵液外，循环生物质辅助加热搅拌设备,解决了传统沼气池冬季发酵温度低、容积产气率低以及产业化问题,运行成本低,经济效益高,生态效益好,是实现畜禽粪便污水生态化和资源化处理的一条新途径。

④采用预加热发酵池技术,能够储存粪便并使其完成预加热发酵。

⑤系统成套设备采用工厂化生产,安装方便,密封性好,便于维护及维修。

⑥辅热集箱式畜禽粪便沼气系统具有很好的财务盈利能力和较快的投资回收能力。

该系统池容平均产气率为0.80m3/（m3·d）（池容产气率指沼气池单位体积每天生产的沼气量）,是国家标准规定值0.2～0.4m3/（m3·d）的2～3倍;所产沼气的热值为25.40,高于普通水压式沼气池所产沼气的热值,符合沼气燃烧器具对气体燃料质量的要求;处理后的猪粪污水COD浓度由36500mg/L降至6500mg/L,去除率达82.2%,悬浮物浓度由17000mg/L降至1900mg/L,去除率88.8%。

畜禽粪便发酵后的沼液可直接作为液肥或进一步加工成高效复合液肥（或生物农药）用于生态农业产品的生产中,可以真正实现畜禽粪便污水零排放。

两个不同规模示范工程的运行试验结果表明,辅热集箱式畜禽粪便沼气系统不但经济效益显著,环境效益也十分明显,消除了粪便堆放引起的蚊蝇滋生因而大大减少了各种畜禽的传染疾病,同时避免了高浓度粪便污水流入农田、鱼塘而造成粮食减产、鱼类死亡等损失。

1.初期一次性投资费用与年支出费用

辅热集箱式畜禽粪便沼气系统（300m3规模）初期一次性投资费用155100元,年运行费用27000元。

1.1.沼气的年收益

该系统年平均池容产气率为0.8m3/（m3·d）,每立方米售0.8元,各年的产量大致相等。

300m3的沼气池年产气量为86400m3,沼气的年收益为69120元。

1.2.减免排污费的效益

据中国的排污收费标准,该猪场的污水如果不进行综合治理,按每t水收费0.90元计算,年排放污水1290t,年应交纳排污费1161元,项目实施后,按照该方案,减免的排污费为1161元。

2.工程寿命期间的净现值及静态投资回收期

假设近些年物价水平稳定,每年的净现金流入与净现金流出变化不大,并且第一年投资未见收益。

该系统建设费为155100元,每年运行费用为27000元,每年的收益为69120元,每年减免的排污费为1161元,工程使用寿命为15a,工程寿命期间的净现值为183530.5元,静态投资回收期为3.58a。

结果表明,辅热集箱式畜禽粪便沼气系统具有很好的财务盈利能力和较快的投资回收能力。

同时,辅热集箱式畜禽粪便沼气系统不仅具有沼气和减免排污费的年直接经济收益,而且由于辅热集箱式厌氧发酵装置生产出的沼液（渣）质量稳定,利用研制的沼液（渣）加工设备和工艺技术,进一步加工成生物农药和有机肥料,替代化学农药和化肥,生产出无公害的农产品,提高沼气副产物的经济附加值,真正实现沼气技术的产业化和生态化,形成以沼气技术为纽带的新的农村经济增长点,使农民增产增收,改善生态环境,保证农产品安全生产,促进中国生态农业的持续发展

6结语

集箱式沼气工程的主要特点为:

1）沼气发酵池上盖用特制的高吸热涂层钢板制成,传热效果好,并且也减少了热胀冷缩对系统造成的破坏,克服了以往砖砌上盖沼气发酵池的-些弊端;2）采用沼液加热回流搅拌技术以及液面下敷设有辅助供热管道,能使沼液在寒冷的冬季也能够保持较高的温度,从而保证了沼气发酵池的产气量,克服了以往沼气发酵池系统不能全年使用的缺点,产气率高;3）采用预加热发酵池技术,能够储存粪便并使其完成预加热发酵;4）采用太阳能温室加热与农业废弃物辅助加热相结合的联合加热技术,较好地解决了沼气发酵池的加热问题.5）系统的成套设备采用工厂化生产,安装方便,密封性好,便于维护及维修.集箱式沼气工程是-种适合于资源化处理规模化养殖场粪便污水的沼气系统,为规模化养殖场粪便污水沼气工程设计提供了-种新的方法,对推动大中型沼气工程产业化具有重要意义.

参考文献

致谢

大学四年的学习生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我成长过程中给予了我很大的帮助。

本文能够成功的完成，要特别感谢我的导师XXX教授的关怀和教导。

………。

附录1：

附录一题目

附录2：

附录二题目

指导教师评语（主要评价论文的工作量、试验数据的可靠性、论文的主要内容与特点、写作水平等）：

签名：

年月日

答辩委员会评语及论文成绩（主要评价论文的性质、难度、质量、综合训练、答辩情况、不足等。

评定论文成绩）：

主任委员签名：

年月日