课程设计--水压式沼气池设计Word下载.doc

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2.5.2发酵间最大料液水位降 13

2.5.3水压间高度 13

2.5.4水压间圆柱体底面积 13

2.5.5水压间底面半径 13

3.水压式沼气池施工及材料设计 13

3.1材料参考用量 13

3.2沼气池施工 15

3.3成本核算 15

4安全注意事项 15

5设计小结 16

6参考文献资料 16

7附图 16

1.前言

沼气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，其主要成分是甲烷和二氧化碳。

固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形三种池型。

这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相应提高。

这个不断增高的气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。

这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就叫做“水压”。

用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出；

当沼气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。

这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就之为水压式沼气池。

水压式沼气池，是我国推广最早、数量最多的池型，是在总结“三结合”、“圆、小、浅”、“活动盖”、“直管进料”、“中层出料”等群众建池的基础上，加以综合提高而形成的。

“三结合”就是厕所、猪圈和沼气池连成一体，人畜粪便可以直接打扫到沼气池里进行发酵。

沼气发酵有很多优点。

沼气发酵可产生甲烷，它是清洁方便的燃料；

发酵过程中N、P、K等肥料成分几乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨太氮，速效性养分增加;

发酵残渣可以作为饲料肥料；

沼气发酵处理有机物课大量地节省曝气消化所消耗的能量等等。

沼气发酵非常适合在农村地区推广使用。

1.1课程设计的题目

水压式沼气池设计

1.2课程设计的目的

通过课程设计进一步笑话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。

1.3设计参数

1、气压：

7840Pa（即80cm水柱）

2、池容产气率：

池容产气率系指每立方米发酵池1昼夜的产气量，单位为m3沼气／（m3池容.d）。

我国常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。

本次设计的池容产气率为0.15。

3、贮气量：

指气箱内的最大沼气贮存量。

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。

本设计中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，一般在85%-95%之间为宜。

本次设计的投料率为90%。

1.4工艺流程

沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍采用的是下面两种工艺。

1.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

原料选择

原料预处理

配料

加活性污泥

入池发酵产气

大出料

定期出料

送农田

图1自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程

这种工艺的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，该工艺主要缺点使出料操作劳动量大。

2．自然温度连续投料发酵工艺

这种工艺在自然温度下，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负荷能力，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。

1.5沼气池的工作原理

水压式沼气池的工作原理可以概括为两句话：

产气时，气压水；

用气时，水压气。

水压式沼气池装料封盖后启动前状态时，在发酵间内的料液和水压间内的料液液面上，同时受到大气压力的作用，因此两个液面处在同一水平面上，它们之间的气压差和液面差均为零。

此时的工作状态称为“初始工作状态”，此时的料液液面高度为O-O水平面，发酵间内存在的空间为V0。

启动以后，沼气池内开始发酵产气，随着沼气产量的逐渐增加，发酵间上部气箱中的贮气量越来越大，同时所产生的沼气将发酵间内的料液压入水压间，压出的料液体积与所产的沼气体积相等。

当发酵间内贮气量达到最大贮气量VC时，水压间里增加的料液也为最大贮液量VC。

此时发酵间内的料液面下降到可能下降的最低位置A-A水平面，水压间内的料液面上升到可能上升的最高位置B-B水平面。

此时的工作状态称为“极限工作状态”。

发酵间内料液面的下降和水压间内料液面的上升使得两液面产生了高度差，高位料液具有的势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。

由于料液比重接近于1，因此一般将两料液面的高差值视为池内沼气压强值。

在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼气压强，数值等于：

式中：

ΔH——沼气池最大液面差；

H1——发酵间液面最大下降值；

H2——水压间液面最大上升值。

以上就是“气压水”的全过程。

当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发酵间内液面渐渐上升。

此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高差的减少而变得越来越小。

当发酵间料液液面与水压间料液液面相平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零而不再输出，“水压气”过程结束。

沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范围之内，不可能超出这个范围。

图2水压式沼气池初始工作状态

H2

ΔH

H1

图3水压式沼气池极限工作状态

1.6沼气池的设计依据及原则

分析上述工作原理，可以得到以下三点设计水压式沼气池的主要依据：

1.设计依据

（1）沼气池装料（包括料液）的最高位置只能在沼气池处于初始工作状态时的液面高度，此时的液面为O-O液位。

在O-O液位时，发酵间上部仍有部分气箱可以贮存沼气，但是这部分沼气由于无法被压出，因此无法被利用，所以称为“死气”。

“死气”所占据的空间称作“无效气箱”或“死气箱”。

（2）水压间内的料液液面在O-O位置，即初始工作状态时，其液面处于最低位置，不可能再继续下降。

因此，在水压间中如果存在低于O-O位置的料液的话，这部分料液没有势能，不具有压出气箱内沼气的作用，是“死液”。

“死液”所占据的那部分水压间被称为“无效水压间”。

无效气箱和无效水压间对沼气池运行不起任何作用，因此应当尽量控制其容积。

在满足功能要求的情况下，无效气箱和无效水压间容积越小，沼气池的利用效率就越高，造价也越低。

水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。

H1——发酵间液面最大下降值；

H2——水压间液面最大上升值。

（3）低液面，而水压间液面是最高液面，此时沼气池内的压强达到最高值。

在设计中，称此时的压强为最高设计压强。

沼气池在运行时其池内压强不应超过此值，否则将因超负荷而破坏沼气池。

为防止沼气池超负荷运行，一般设计中采取的措施是：

将进、出料管（或其中一管）上沿安装在A-A液位面与池身的交线上，这样，当贮气量超过最大贮气量，即液面低于A-A位置时，多余的沼气自行从进、出料管逸出，保持池内压强不大于最高设计压强；

同时，将水压间的溢料口下沿设计在B-B位置上，这样即使水压间液面有超过B-B位置的可能时，超出的部分料液也会从溢料口中溢出，使两液面差始终保持在最大液差之内。

2.设计原则：

（1）沼气池宜建在畜圈或厕所地表以下，进料间与人、畜粪入口相连通。

（2）坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观。

（3）池盖顶端复土厚度不小于200mm。

（4）强度安全系数K≥2.65。

2.工艺计算

2.1发酵液计算

根据投料率即最大投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85%~95%。

这里取90%。

因此：

2.1.1发酵料液体积的计算

V1=[（n1+n2）k2+n3]T

V1=[（0.03＋0.30）×

0.6+0.034]×

30=6.96m³

式中V1—发酵料液的体积，；

n1—产人粪便总量。

按5口人×

0.006／（人.d）取值；

n2—产牲畜粪便总量。

按4头猪×

0.08／（头d）取值；

n3—每日舍外能定量收集粪便总量，/d,取0.034。

k2—收集系数。

取值0.6。

T—原料停滞期（d），蔬菜区t取30。

2.1.2发酵投料计算

发酵料液体积为12.6，猪粪密度为,秸秆密度为：

，猪粪的C/N取10，秸秆的C/N取80，设猪粪体积为X，秸秆的体积为10-X，因为发酵料液的C/N为25:

1，则有：

（

）

1

:

25

10

.

6

12

80

3

=

´

-

+

X

计算得，

X=9.69

12.6-X=2.91

所以，猪粪体积为9.69，秸秆体积为2.91

2.1.3气室容积的计算

V1——发酵料液体积，6.96m3；

V2——气室容积，m3；

k3——原料产气率，我国通常采用的产气率包括0.15m3/（m3·

d）、0.2m3/（m3·

d）、0.25m3/（m3·

d）、0.3m3/（m3·

d）。

本次设计的原料产气率为0.15m3/（m3·

2.2发酵间的设计

2.2.1发酵间的容积

V=（V1—V2）·

k1

式中V—发酵间的容积，m³

;

V1—发酵料液体积，6.96m³

；

V2—气室容积，0.522m³

K1—容积保护系数，取0.9~1.05。

本次设计取K1=0.95

V=（6.96-0.522）×

0.95=6.12m³

2.2.2发酵间各部分尺寸的确定

（1）沼气池的直径根据用户平面布置确定。

考虑充分利用土地资源、平面布局紧凑的原则，确定沼气池的直径D为2.2m。

（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积

①池盖削球体矢高

f1——池盖削球体矢高，m；

D——圆柱体形池身直径，m；

α1——直径与池顶矢高的比值，取5~6。

②池盖削球体净容积

Q1——池盖削球体净容积，m3；

f1——池盖削球体矢高，m；

R——池身圆柱体内半径，m。

（3）发酵间池底削球体矢高和净容积

①池底削球体矢高

式中：

f2——池盖削球体矢高，m；

D——池身圆柱体直径，m；

α2——直径与池底矢高的比值，取8~10。

②池底削球体净容积

Q3——发酵间池底削球体净容积，m3；

f2——池底削球体矢高，m；

（4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度

①发酵间池身圆柱体净容积

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。

②发酵间池身圆柱体高度

R——发酵间池身圆柱体半径，m；

H——发酵间池身圆柱体高度，m。

（5）发酵间内总表面积

①池盖削球体球面内表面积

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。

②圆柱体池身内表面积

S2——池身圆柱体内表面积，m2；

R——池身圆柱体内半径，m；

H——池身圆柱体高度，m。

③池底削球体内表面积

S3——池底削球体内表面积，m2；

R——池身圆柱体内半径，m。

f2——池底削球体矢高，m；

④发酵间总表面积

2.2.3发酵间各部分位置标注

2.4进料口（管）的设计

进料口（管）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×

宽×

深=600mm×

320mm×

500mm；

下部圆管才用∮300预制混领土管，管与池墙角为40°

。

2.4.1死气箱拱的矢高

f死=h1+h2+h3

式中h1—池底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，该值一般在3～5cm之间取5cm；

h3—导气管下口到液面距离，该值一般在20～30cm之间一般取25cm。

f死=0.15+0.05+0.25=0.45（m）

2.4.2死气箱容积

根据沼气池投料率（本设计中投料率为90%），可计算出死气箱的容积，即

投料率=（V－V死）/V×

100%

式中V，V死—分别为发酵间容积和死气箱容积，m3；

90%=（10.2－V死）/10.2×

V死=1.02（m3）

2.4.3最大贮气量

V贮=池容×

池容产气率×

1/2

V贮=8×

0.15×

1/2=0.6（m3）

2.4.3气箱总容积

V气=V死+V贮

式中V气，V死，V贮—分别为沼气池气箱总容积，死气箱总容积和有效气箱容积（最大贮气量）。

V气=1.02+0.6=1.62（m3）

2.4.4发酵间最低液面位

气箱在圆筒形池身部分的容积为

V筒=V气－Q1

V筒=1.62-0.88=0.74（ｍ３）

圆筒形池身内气箱部分的高度为

　　　　　　 h筒=V筒/pR2

h筒=0.74/（3.14×

1.12）=0.195（m）

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。

2.5水压间（管）的设计

2.5.1水压间零压线

无效水压间的容积取为0。

未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下0.4m处，因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m处的水平线上。

2.5.2发酵间最大料液水位降

产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f1+h=0.44+0.195=0.635m，又未产气时液面距池顶0.4m，所以，发酵间最大料液水位降为0.635-0.4=0.235m。

2.5.3水压间高度

由于设计压强为7480Pa（即80cm水柱）,因此水压间的高度

2.5.4水压间圆柱体底面积

2.5.5水压间底面半径

H水压间=h筒+f死+H-0.8

H水压间=0.195+0.45+1.21-0.8=1.055（m）

有效容积：

V有=池容×

投料率×

V有=8×

90%×

1/2=0.54（m3）

1.055=0.54/（3.14×

R2）

R水压间=0.40m

水压式沼气池的尺寸设计完成

3.水压式沼气池施工及材料设计

3.1材料参考用量

根据GB/T4752-2002中4m3~10m3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表，如下：

容积

m3

混凝土

体积m3

水泥kg

中沙m3

碎石m3

4

1.257

350

0.622

0.959

1.635

455

0.809

1.250

8

2.017

561

0.997

1.540

2.239

623

1.107

1.710

池体抹灰

水泥素浆

0.277

113

0.259

0.347

142

0.324

7

0.400

163

0.374

9

0.508

208

0.475

11

合计材料用量

469

0.881

604

1.133

733

1.371

842

1.582

表3—1

本设计为池容8m3，产气率为0.15m3/（m3·

d）的现浇混凝土结构圆筒形水压式沼气池，参照标准，取材料用量为水泥733kg，中沙1.371m3，碎石1.540m3。

一般情况建一个8m3的沼气池需要红砖600块。

钢筋2.0m。

3.2沼气池施工

（1）考察地形，选定施工位置。

（2）制定施工方案，绘制结构和施工图。

（3）施工准备。

（4）池坑开挖。

（5）支模。

（6）模板及支架检验。

（7）浇筑混凝土。

（8）混凝土养护。

（9）池底施工。

（10）进出料管施工。

（11）拆模。

（12）回填土。

（13）密封层施工。

（14）质量总体检查验收。

3.3成本核算

查得325号水泥价格为390元/吨，中沙60元/立方米，碎石40元/立方米，红砖0.43元/块，钢筋（直径14mm）每米28元，则所需材料费用为

考虑到工人工资，材料运费及损耗等，应乘以一个2.2的系数，得到总费用

4安全注意事项

1、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。

2、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系安全时，不允许工作人员下池操作。

3、池内操作人员不得使用明火照明，不准在池内吸烟。

4、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

5、沼气池进、出料口要加盖。

6、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。

7、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。

5设计小结

本次设计，将书本上课知识具体化，使我们能更好的掌握课本知识，增加实践经验。

对沼气池的有了进一步认识和了解，特别是水压式沼气池，也为以后我们的工作打下坚实的基础。

当然由于所查资料及所学知识有限，如若有不足或错误之处还望于老师校正。

6参考文献资料

[1]杨国清主编．固体废物处理工程（第二版）．[M]北京：

科学出版社，2007：

372

[2]宁平等编．固体废物处理与处置实践教程．[M]北京：

化学工业出版社，2005：

122~123

[3]张颖主编．农业固体废弃物资源化利用．[M]北京：

173

[4]国家质量监督检验检疫总局发布．GB/T4752-2002农村家用水压式沼气池施工操作规程．北京：

中国标准出版社，2002

[5]芈振明等编．固体废物处理与处置．[M]北京：

高等教育出版社，1993

[6]原料的预处理与注意事项来自于百度文科

7附图

16