产业沼气工程平台建设项目沼气工程初步设计说明书.docx
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产业沼气工程平台建设项目沼气工程初步设计说明书
产业沼气工程平台建设项目沼气工程
初步设计说明书
第一章设计总说明1
一、沼气工程设计依据1
二、项目背景1
三、设计范围9
四、设计的指导思想9
五、关于初设建设内容变动情况的说明9
六、初设概算编制结果10
第二章工艺设计11
一、沼气工程工艺设计原则11
二、工艺方案11
三、工艺流程说明19
四、厌氧工艺装置说明21
第三章总平面设计29
一、概述29
二、建筑布置29
三、道路布置30
四、沼气工程雨水排放30
五、沼气工程给水及电力30
第四章建筑设计31
一、建筑设计依据31
二、主要建筑内容31
第五章结构设计34
一、工程概况34
二、建筑结构安全等级及设计使用年限34
三、自然条件34
四、本工程设计遵循的标准、规范、规程34
五、地基基础35
六、主要结构材料35
七、砌体、砂浆35
第六章暖气设计36
一、设计依据36
二、设计范围：
36
第七章给排水设计37
一、设计依据37
二、设计范围37
三、给水设计37
四、消防设计：
38
五、排水设计38
第八章电气设计39
一、设计依据39
二、设计范围39
三、厂区设计39
第九章环境保护44
一、项目实施过程中的环境影响及对策44
二、项目建成后的环境影响及对策44
三、厂区绿化45
第十章劳动保护46
一、劳动保护46
二、劳动安全措施46
第十一章机构与管理48
一、企业体制及组织机构48
二、劳动定员48
三、人员培训48
四、劳动力来源48
第十二章项目实施进度49
第十三章运行成本及效益分析51
一、运行成本51
二、经济效益分析52
三、社会效益分析52
四、环境效益分析54
第十四章主要设备与选型56
第十五章附件58
第一章设计总说明
一、沼气工程设计依据
1、农计函[2010]124号《农业部关于中国农业大学产业沼气工程平台建设项目可行性研究报告的批复》
2、《中国农业大学产业沼气工程平台建设项目可行性研究报告》
3、中国农业大学产业沼气工程平台建设项目的有关设计要求和平面图
4、中国农业大学产业沼气工程平台建设项目设计合同
5、甲方提供的地质资料、总平面图等资料
二、项目背景
1、项目提出背景
产业沼气是国际新发展起来的一种沼气产业形态。
“产业沼气”是指用工业化模式大规模地生产、纯化和高值利用沼气，使之能像天然气和液化气那样，由管道或气罐（瓶）输送和装运，方便地应用，并形成以沼气为主体的完整产业链条。
产业沼气也称“净化提纯沼气”，或称作“生物天然气”（Bio-NaturalGas）。
它可以完全替代天然气和类似的石化燃气如液化石油气。
天然气是一种优质清洁能源，大多数发达国家都把提高天然气的使用比例作为能源清洁化的重要举措，我国也规划大幅提高天然气在一次能源中的使用比例。
在全球化石能源油气紧张的大形势下，产业沼气补充和替代天然气是一条重要道路。
近年来，在以德国、瑞典、荷兰等为代表的欧洲国家，产业沼气已得到快速发展，形成了完善的产业链。
根据国家中长期科技发展规划和国家可再生能源中长期发展规划，沼气产业及其科技是重要的发展战略方向。
到2010年，沼气年利用量达到440亿立方米，建成大型畜禽养殖场沼气工程10000座、工业有机废水沼气工程6000座，年产沼气约140亿立方米，沼气发电达到300万千瓦，实现农业有机废弃物资源的充分有效利用，农村能源显著的清洁化。
发展产业沼气可以有效缓解天然气的紧张形势，并为清洁燃气提供长期保障。
据测算，我国5大传统沼气资源如畜禽粪便、生活有机垃圾、农产品加工废水等可支持年产产业沼气1500亿方，可替代900亿方天然气（2008年实际消耗的天然气量700亿方）。
如果能大力发展以青贮农作物（秸、叶部分）为原料的产业沼气，仅利用我国秸秆资源15-20%，就可每年再生产可替代900亿方天然气的沼气。
以德国、瑞典为代表的欧盟国家以及美国、日本等国，近年来不断地加大沼气研究投入力度，产业沼气研究已经走向批量试验、精确控制、标准化工艺和自动化管理，同时其沼气产业也正飞速发展。
总体上我国沼气研究仍处于比较落后的状态，迫切需要建设先进平台，提高研究水平。
一方面，要建设先进的沼气研究实验室，支撑一流科研成果的产出；另一方面，也要集中建设一批中试基地，促进科技成果向生产力的快速转化。
2、产业沼气工程平台的总体说明
本项目主要着眼于未来我国产业沼气大规模发展的需求，突破目前我国大中型沼气原料利用单一、沼气发酵技术粗放、缺乏高质利用技术的局限，集成多样化原料利用技术、高效沼气发酵技术、沼气提纯净化技术以及沼气高质利用技术，建设符合中国国情且具完整产业链的产业沼气工程示范基地，为我国高效产业化沼气工程的发展提供强有力的科技支撑和示范样板，为农村沼气事业上新台阶提供技术服务和技术储备。
产业沼气工程平台包括实验研究、工程示范和推广培训三个方面的功能，以提高沼气高效产生和高值利用的科技创新和科技支撑能力。
本项目建设包括产业沼气专题实验室和产业沼气工程中试基地。
其中产业沼气专题实验室以科技创新功能为主，工程中试基地则以产业示范和培训功能为主，二者相互配合，组成完整的产业沼气工程平台。
（1）产业沼气工程中试基地
产业沼气工程中试基地以批量中试发酵罐群、规模高效产沼气和先进净化压缩设备建设为主，通过沼气快速、高效发生，沼气净化和净化后的沼气（生物天然气）用于驱动汽车等系统，集中示范沼气的高效产生和高值利用，建设内容包括如下内容及配套设施：
1）680m3高效发酵罐系统1套；
2）每天2000m3沼气生产及净化装置1套；
3）每小时80-100m3纯化沼气压缩机及储气装置1套；
4）每年1500吨青贮原料池1个；
5）自动化沼气发酵监控系统1个；
中试工程利用所在实验场的每年2500吨（干重）农作物秸秆和动物粪便为原料，按照含固率25%计，每年所处理原料10000吨，每天处理原料27.4吨，日均产沼气2000m3，每年合73万m3。
经净化，平均每天得到生物燃气（含甲烷97%以上）1200m3，合每年产43.8万m3生物天然气。
同时该工程还建成一条批式发酵中试线。
（2）产业沼气专题实验室
中国农业大学生物质工程中心实验室受“985”和“211”工程重点支持，近年已经购置和装备了中小型发酵罐系统、微生物和分子生物分析设备等，产业沼气专题实验室在中心实验室已有沼气实验设备的基础上，购置国际先进的沼气专业化试验设备，组建国内一流、国际先进的沼气试验和测试实验室。
（3）项目产品和推广计划
本项目建成产业沼气中试基地1个，产业沼气专题试验室1个，年产43.8万m3压缩纯化生物天然气，沼渣和沼液利用实验场现有设备制作有机肥用于改良实验场土壤。
压缩纯化生物天然气将用于驱动涿州300辆油气双动力新能源汽车。
按照国内一般规律，燃气驱动汽车每公里油耗费用仅占燃油的60%，具有很强的市场推广能力。
建成产业沼气工程零排放和沼渣沼液综合利用示范系统后，全部产业沼气工程平台向国内同行开放，同时利用该平台开展技术推广和培训。
5年内每年进行高级人才培训30人次以上，通过培训、推介会议、合作伙伴、行业主管单位等途径将产业沼气技术体系推广到10家以上养殖业企业和10家以上淀粉/酒精企业，直接推动形成1亿方产业沼气生产。
生物质工程中心拟成立产业服务部，组织相关专家重点对合作与推广企业给予技术支持和服务。
（4）利用平台开展的研究工作
着眼于未来我国产业沼气大规模发展的需求，突破目前我国大中型沼气原料利用单一、沼气发酵技术粗放、缺乏高质利用技术的局限，集成多样化原料利用技术、高效沼气发酵技术、沼气提纯净化技术以及沼气高质利用技术，建设符合中国国情且具完整产业链的产业沼气工程示范基地，为我国高效产业化沼气工程的发展提供强有力的科技支撑和示范样板，为农村沼气事业上新台阶提供技术服务和技术储备。
今后重点研究开发的方向为：
1）扩展沼气的原料，由传统的畜禽粪便扩大到包括专用沼气能源作物和农副产品加工废弃物/液等，并研究相适应的特定发酵技术及设备；
2）大幅度提高规模化沼气工程产气率（容积产气率提高2-3倍）和降低成本的技术和设备。
3）沼气提纯、商品化利用的技术和途径。
4）沼气高值利用的产业链建设，提纯沼气价格通常可提高2-4倍，能极大地增强沼气产业的生命力。
5）沼气工程零排放和沼渣沼液综合利用。
3、项目建设地点
项目建设地址：
位于中国农业大学涿州实验场内。
站内道路、供电、供水、通讯、雨水管网，污水管网等条件都十分完善。
实验场距北京市核心区70km，距学校本部80km，临近京广公路、京广铁路、京珠高速、京石高速和已经开工修建的京石高铁，交通十分便利。
（1）原辅材料
本示范工程生产所需原料供应充足，原料来自涿州实验场试验田的农作物秸秆和实验场邻近村民养殖的动物粪便。
未经处理的动物粪便是污染源，大量的秸秆需要及时合理利用。
由于当前这两种资源都存在较大的环保处理压力，当地农户和实验场都急于为这些废弃物找到出路，非常愿意供应给中试基地用作沼气发酵原料。
实验场每年有农作物新鲜秸秆在30000吨以上，本场鸡场存栏5万只，可收集干鸡粪700吨/年以上（1600方~2000方）；猪场存栏1300头，可收集干粪200吨/年以上。
邻近村庄猪存栏2000多头，牛存栏300多头，每年可收集干粪600吨以上。
这些原料完全可以满足示范工程每年2500吨（干重）原料的需求。
（2）供水条件
项目年需水1500吨，拟建在实验场内，沼液进入实验场农灌系统用作有机肥，排水不需要增加建设额外设施，仅有少量（每天几百升）含机物废水可直接排入污水口。
（3）供电条件
项目年耗电量10万kwh，电器总功率75kw。
本项目所需的电力，由实验场供给，不需要另设变电所。
低压电缆由核心区变电站引入，距离400m。
（4）建设地点
本项目建设地点位于河北省涿州市东城坊镇中国农业大学涿州实验场内。
现种植区内，距核心区（管理生活区）300m。
中国农业大学涿州实验场位于东城坊镇南，总占地面积21600亩，交通非常便捷，京广公路、京广铁路、京珠高速、京石高速和已经开工修建的京石高铁贯穿而过，建成后12.5分钟直通北京西站，917公交开通后，40分钟直通北京六里桥。
本工程在园区内建设，不需征用土地。
三、设计范围
1、本初步设计包括沼气工程平台工艺设计、建筑设计、水电和设备的初步设计以及概算。
四、设计的指导思想
1、本设计执行国家现行的法令、法规和各项规范。
规定及甲方提供的设计要求。
2、沼气工程设计符合区域的特点，工艺先进、经济、实用。
同时与周边建筑和谐、统一。
五、关于初设建设内容变动情况的说明
初设建设内容与可研批复建设内容无变动。
六、初设概算编制结果
1、工程总概算为：
1153.470万元，壹仟壹佰伍拾叁万肆仟柒佰元整。
其中：
建筑安装工程费用：
83.04万元；
工艺装置设备安装工程：
244.63万元；
项目设备安装工程：
646.00万元；
实验室仪器安装工程：
69.80万元；
工程建设其他费用：
52.00万元；
基本预备费：
58.00万元
2、资金来源
中央预算内投资：
1150.0000万元
其余3.470万元学校自筹
第二章工艺设计
一、沼气工程工艺设计原则
根据《国家可再生能源中长期发展规划》和《农业生物质能产业发展规划（2007-2015）》，依据国家和地方有关沼气工程设计的规定，确定如下的沼气工程工艺技术指导原则。
1、“资源化、减量化、无害化、生态化”的原则。
2、综合考虑投资和效益的关系，力求沼气工程处理工艺新颖，技术先进，操作方便，运行费用较低。
3、适应新工艺、新设备中试需求，设备更加便捷。
4、实现沼气工程的综合效益，利用青绿秸秆和部分猪粪为原料进行新型原料利用技术、高效产沼气技术、生物天然气高质化技术和无害化处理技术的研究，建设一个产业化沼气工程平台。
沼渣用作有机肥，沼液供附近大田作物以及果园温棚施用。
二、工艺方案
1、产业沼气工程平台建设项目实验设计方案
A、研究内容
1）玉米青贮的沼气产生潜能研究
2）玉米青贮与畜禽场粪污混合的制沼研究
3）沼气净化实验
4）采样分析
PHTSVSVSremoval温度VFA氨氮
B、中试实验方案
1）利用Batch（细菌驯化）方法测试沼气发酵潜能
实验方法：
以发酵牛粪为接种物，进行连续培养
实验目的：
培养菌种、测玉米青贮产沼气潜能
实验日期：
2-3个月
a90%inoculam+10%玉米青贮测CH4含量
100%inoculam+0%玉米青贮测CH4含量
b继续以90%inoculam+10%玉米青贮测CH4含量
100%inoculam+0%玉米青贮测CH4含量
c继续以90%inoculam+10%玉米青贮测CH4含量
100%inoculam+0%玉米青贮测CH4含量
2）玉米青贮与畜禽场粪污混合发酵实验方案
第一组：
¤60m3发酵罐体+¤60m3发酵罐体
进料条件：
不加粪便只加玉米青贮TS8%-10%VS6%-8%HRT10-20daysTem38-42℃
第二组：
¤60m3发酵罐体+¤60m3发酵罐体
进料条件：
80%玉米青贮+20%粪便TS8%-10%VS6%-8%HRT10-20daysTem38-42℃
第三组：
¤60m3发酵罐体+¤60m3发酵罐体
进料条件：
80%玉米青贮+20%粪便TS8%-10%VS6%-8%HRT10-20daysTem38-42℃
第四组：
¤60m3发酵罐体1+¤60m3发酵罐体2
进料条件：
发酵罐体1（90%玉米青贮+10%猪粪便）、发酵罐体2（90%玉米青贮+10%牛粪便）TS8%-10%VS6%-8%HRT10-20daysTem38-42℃
C、净化实验方案
¤100m3发酵罐体1+¤100m3发酵罐体2
进料条件：
发酵罐体1（100%玉米青贮+0%粪便）、
发酵罐体2（70%玉米青贮+30%粪便）
TS8%-10%VS6%-8%HRT10-20daysTem38-42℃
沼气含量：
发酵罐体160%CH4+40%CO2进行净化后97.5%CH4
发酵罐体275%CH4+25%CO2进行净化后99.5%CH4
2、多种原料高效产气技术
利用以玉米秸秆青贮料为主，畜禽粪便为辅，包括城市废水滤泥、城市有机固体废弃物、能源作物、杂草等在内的各种原料。
利用新型高效固定相厌氧生物反应器，提高发酵系统的可靠性、稳定性、耐酸性和抗冲击性等。
对发酵系统实施过程监测和自动控制，提高单位原料产气率和容积产气率。
关键指标：
各种中试发酵罐体平均容积产气率达到3m3/m3；停留期2周以内。
3、沼气高压水洗净化技术
FLOTECH高压水洗沼气净化设备代表当前世界最先进的沼气净化技术水平和未来相当长时期内产品开发方向。
沼气净化工艺与天然气净化工艺类似，主要包括脱硫技术、脱碳技术和干燥等。
目前国内外脱硫和脱碳工艺均较为成熟。
当原料沼气工艺参数，组分特点及净化气质量等已知时，通常可在多种工艺中进行比选，从中找出最优化适合本项目特点的工艺路线。
目前，我国还未制定有生物混合燃气、压缩生物燃气产品的国家标准。
本项目的产品生产标准如下：
1）沼气生产标准
——甲烷含量：
达56-65％；
——硫化氢含量：
1％以下；
——CO2含量：
33-42％。
2）生物天然气质量指标（参考液化天然气）：
——甲烷≥97％；
——H2S（硫化氢）≤1ppm；
——CO2＜3.0（体积%）；
——O2＜0.1%；
——高热值≥31.4MJ/m3。
净化达标的生物天然气经加压到200个大气压，就可以执行压缩天然气标准，适用于CNG汽车燃料和CNG罐装燃气。
（1）脱硫工艺
目前国内较成熟的脱硫方法可分为干法和湿法（或干法加湿法）两大类。
干法脱硫技术效率高、投资省与操作简便，运行稳定适合于低含硫气处理。
湿法脱硫技术具备处理量大，操作连续，较适合处理硫化氢含量高，处理量大的场合。
本工程采用生物脱硫法与化学脱硫对沼气进行脱硫处理，可将硫化氢含量降至20mg/m3，满足高压水洗提纯净化设备的进气要求，可以达到沼气净化国标要求。
（2）脱碳工艺
国内外目前主要有以下几种工艺路线，见下表：
表2-1.当前几种主要脱碳工艺比较
工艺路线
PSA（变压吸附）
化学吸收
物理吸附
投资
低
中
中
运行成本
极高
中
高
回收率
90%
98%
95%
占地
大
中
小
技术成熟性
成熟
成熟
成熟
设备安全性和可靠性
较高
较高
较高
这几种工艺在对净化气体品质要求较高时，生产成本往往偏高，长时间连续生产的能力难以得到保障。
（3）高压水洗技术要点和特征
为了重点开发和展示多样化原料沼气高效生产技术和沼气高质化利用技术，构建产业沼气的整套新技术体系，本项目在沼气净化技术上特申请采用国际先进的成熟技术。
FLOTECH的高压水洗净化沼气工艺是一个全新的综合解决方案，利用不同气体在变温和变压的情况下在水中溶解度的不同，通过物理分离方法，一次性将硫、碳、硅氧烷等杂质全部去除，而不是分为脱硫和脱碳两个环节，所用的介质是可以循环利用的水。
其工艺为粗制沼气在8-9个大气压力下，经水洗，H2S，CO2，硅氧烷等被水吸收，CH4气体经干燥进入压缩机，加压到250大气压，灌装储存。
被吸收的少量CH4经闪蒸出重新进入净化流程；废液在曝气之后可重复利用，再次用于净化提纯沼气。
净化压缩气体用高压气柜贮存，同时支持车用小型罐和压缩气罐车罐装。
该高压水洗工艺的特点是技术成熟、设备稳定、占地面积小、运行成本极低（达天然气标准的净化每m3沼气平均0.12元，仅为其他技术的1/4到1/3），甲烷回收率高达99%以上，设备运行维护费用非常低、稳定运行寿命长达20年以上，连续工作时间显著高于其他工艺，可达接近8000小时的水平。
因此该系列设备在全世界沼气技术研究和产业发展均领先的欧洲市场上所占的份额超过一半以上，并广为日本、韩国、加拿大、美国、澳大利亚、新加坡等国家采用。
与其它几种工艺相比，高压水洗技术的主要优点：
（1）处理后氧气含量远低于0.1%，硫化氢低于1ppm；废气中硫化氢降低到10ppm以下，可达到排放标准；洗涤水是循环使用的，原则上不需要更换排出。
（2）工艺和设备可靠。
FLOTECH高压水洗沼气净化设备在生产中应用已有30年历史，当前在全世界各地有大量用户。
（3）管理简便，运行成本低。
配件更换率低，主要介质循环使用，运行过程中没有消耗品，全自动控制。
（4）甲烷回收率高，没有二次污染物排放。
（5）占地面积小。
（6）设备折旧期限长，一般长达二十年以上。
于其它技术和设备相比，唯一的劣势是设备比较昂贵，一次性投入相对较高，然而由于其折旧率低，实际上分摊到每年的固定投资额上并不高，再加上因设备稳定，在运行中不会由于维修而减损工作时间，综合经济性要显著优于其他工艺设备。
但迄今为止，国内尚没有一台FLOTECH高压水洗沼气净化设备。
FLOTECH高压水洗沼气净化技术代表当前世界最先进的沼气净化技术水平和未来相当长时期内产品开发方向。
本中试工程拟采用该设备和技术，预计可将沼气经济价值提高3倍以上，且保证整个工程的可持续运行。
而该技术在行业中的广泛应用，将极大地提升沼气产业的盈利能力，因而增强可持续发展力。
4、拟采购设备情况
名称：
GreenlaneManuka+沼气净化监测系统
工作能力：
每小时处理0-130m3粗沼气
组分清单：
编号
名称
规格
单位
数量
1
集装箱式控制柜（定制的）
1200x800x500mm
150kgea
个
1
2
洗气塔
（定制的）
12236x400NB
1136kg
个
1
3
水冷器
（GreenboxMR25）
1900x920x1890mm
510kg
个
1
4
闪蒸塔
（定制的）
FlashingvesselIntegratedwithstrippingvessel
个
1
5
剥离塔（定制的）
12264x400NB
1200kg
个
1
6
压缩机
（定制的）
561x308x246mm
100kg
个
1
7
管线
-
套
1
8
仪表
-
套
1
图2-1设备示意图
5、产气参数
中试工程利用所在实验场的每年2500吨（干重）农作物秸秆和动物粪便为原料，按照含固率25%计，每年所处理原料10000吨，每天处理原料27.4吨，经过高效厌氧发酵后，混合原料的单位产气量高于73m3/t鲜料，各种中试发酵罐体平均容积产气率达到3m3/m3，日均产沼气2000m3，每年合73万m3。
经净化，平均每天得到生物燃气（含甲烷97%以上）1200m3，合每年产43.8万m3生物天然气。
三、工艺流程说明
1、工艺流程图
图2-2工艺流程图
2、工艺说明
（1）每年1500吨（干重）青绿秸秆经切碎处理后存贮在青贮窖中。
（2）每天按试验时预计的需用量将存贮的已切碎青绿秸秆送入酸化池中备用。
（3）按需要采用适量的猪粪与酸化池中的青绿秸秆混合后送入厌氧罐内。
由于采用了多种厌氧罐结构，适用不同的配比方式与TS浓度，因此，试验工程中采用了多个酸化进料匀浆池。
（4）厌氧罐产生的沼气经净化处理提纯处理后经贮气柜送至压缩车间压缩后装瓶，送至车用燃料加气站。
（5）厌氧罐产生的沼液至沼液暂存池集中并经固液分离机进行固液分离，分离出的固体物质作为固体肥料出售，部分沼液可作为菌种回流至酸化池进用作配料使用，多余沼液则可作为液态有机肥还田。
（6）厌氧罐发酵所需的温度由场内设置的沼气热水锅炉提供。
四、厌氧工艺装置说明
1、不同厌氧消化器性能对比
不同类型的厌氧工艺各有其优缺点和使用范围，在一定的条件下选择适当的工艺型式是厌氧处理成功的关键所在。
具体详见表4-1沼气制沼消化器工艺比较。
表4-1沼气厌氧消化器工艺比较表
序号
类别
CSTR
UASB
HCF
USR
1
原料范围
所有畜禽原料
高COD污水
畜禽污水
所有畜禽原料
猪粪、鸡粪
2
原料TS浓度
6-12%
<1%
8-12%
3-5%
3
应用区域
全国各地
中部、南部
全国各地
中部、南部
4
水力停留时间
15-30天
1-5天
10-30天
8-15天
5
单位能耗
高
高
低
中等
6
单池容积
500-4000m3
200-5000m3
100-300m3
200-2000m3
7
操作难度
高
高
低
中等
8
产气率
1.0-15.0m3/m3
——
0.8-2.0m3/m3
0.4-1.2m3/m3
9
经济效益
较佳
较低或负效益
中等
偏低
一个高效的厌氧反应器，应最大限度实现微生
升级会员 