餐厨垃圾厌氧沼气发电工艺设计毕业设计

1、餐厨垃圾厌氧沼气发电工艺设计2餐厨垃圾厌氧沼气发电工艺说明2.1设计标准与规范2.1.1设计规范1、餐厨垃圾收集（1）餐厨垃圾必须进行源头单独分类收集，严禁餐厨垃圾与其它垃圾混合收集。（2）餐厨垃圾不得随意倾倒、堆放，不得排入雨水管道、污水排水管道、河道、公共厕所和生活垃圾收集设施中。（3）餐厨垃圾应采用密闭、防腐专用容器盛装，采用密闭式专用收集车进行收集，专用收集车的装载机构应与餐厨垃圾盛装容器相匹配。（4）餐厨垃圾应做到日产日清，在容器中存放时间不应超过24小时。（5）餐厨垃圾宜采取定时收集方式收集。2、餐厨垃圾的运输（1）餐厨垃圾应采用专用车辆运输，运输车辆应密闭，任何路面条件下不得泄漏

2、和逸撒。（2）运输路线应避开交通拥挤路段，运输时间应避开交通高峰段。（3）在寒冷地区使用的餐厨垃圾运输车，应具有防止餐厨垃圾产生冰冻的功能。（4）餐厨垃圾运输车装、卸料宜为机械操作。3、厂址选择（1）餐厨垃圾处理厂的选址应符合当地城市总体规划，区域环境规划，城市环境卫生专业规划及相关规划的要求。（2）厂址选择应综合考虑餐厨垃圾处理厂的服务区域、服务单位、垃圾收集运输能力、运输距离、预留发展等因素。（3）厂址选择应符合下列条件：工程地质与水文地质条件应满足处理设施建设和运行的要求。应有良好的交通、电力、给水和排水条件。 应避开环境敏感区、洪泛区、重点文物保护区等。4、餐厨垃圾处理工艺一般规定餐厨

3、垃圾总产生量大于50t/d的城市宜建设集中餐厨垃圾处理设施。单位或居民区设置的小型餐厨垃圾处理设备应做到技术可靠、排放达标，有机物降解率应达到60%以上。餐厨垃圾处理残渣做有机肥时，其有机肥产品质量应符合国家现行标准农业标准商品有机肥料标准ny525的要求。餐厨垃圾制肥中重金属、蛔虫卵死亡率和大肠杆菌值指标应符合现行国家标准城镇垃圾农用控制标准（gb 8172）的要求。5、餐厨垃圾预处理（1）餐厨垃圾处理厂应配置餐厨垃圾预处理工序，预处理工艺的确定应根据餐厨垃圾成分和主体工艺要求确定。（2）餐厨垃圾预处理设施和设备应具有耐腐蚀、耐负荷冲击等性能和良好的预处理效果。（3）预处理设施应配置可靠的通

4、风除臭系统，人工分拣工位应设置送风口。（4）餐厨垃圾的破碎应符合以下要求：餐厨垃圾破碎工艺应根据餐厨垃圾输送工艺和处理工艺的要求确定。 破碎设备应避免液体泄漏，并应有臭味和噪声控制措施。（5）餐厨垃圾的分选餐厨垃圾预处理系统应配备分选设备将餐厨垃圾中混杂的不可降解物有效去除。分选出的不可降解物应进行回收利用或无害化处理。分选后的餐厨垃圾中不可降解杂物含量应小于3%。（6）油脂分离应符合以下要求根据餐厨垃圾处理主体工艺的要求确定油脂分离工艺。对分离出的油脂进行综合利用。严禁将餐厨垃圾分离出的油脂用于生产食用油或食品加工。（7）利用湿热处理方法对餐厨垃圾进行预处理时，湿热处理温度不应低于120，处

5、理时间不少于80分钟。（8）应根据处理后产品质量的要求确定除盐工艺。6、厌氧消化规范（1）厌氧消化前餐厨垃圾破碎粒度应小于5mm, 并应混合均匀。（2）餐厨垃圾厌氧消化的工艺应根据餐厨垃圾的特性、当地的条件经过技术经济比较后确定。（3）湿式工艺的消化物料含固率宜为8%15%，物料消化停留时间不宜低于15天。（4）干湿工艺的消化物含固率宜为20%30%，物料消化停留时间不宜低于20天。（5）消化物料碳氮比（c/n）应控制在2530：1为宜，碱度(以caco3计)以25005000 mg/l为宜。（6）可采用中温厌氧消化或高温厌氧消化，中温温度以3038 为宜，高温温度以5060 为宜。厌氧消化系

6、统应能对物料温度进行控制。（7）餐厨垃圾中钠离子含量高时，应采取降低钠离子的措施。（8）餐厨垃圾厌氧消化器应符合下列规定：厌氧消化器应有良好的防渗、防腐、保温和密闭性；厌氧消化器容量应根据处理规模、发酵周期、容器强度等因素确定；厌氧消化器的结构应有利于物料的流动，避免产生滞流死角；厌氧反应器应具有良好的物料搅拌、匀化功能，防止物料在反应器中形成沉淀。（9）对厌氧产生的沼气应进行有效利用，不得直接排入大气。（10）工艺中产生的沼液和残渣应得到妥善处理，不得对环境造成污染。（11）沼液做液体肥料时，其液体肥产品质量应符合现行国家标准叶面肥标准gb/t 17420的要求。7、给排水工程（1）厂内给水

7、工程设计应符合现行国家标准室外给水设计规范gb 50013和建筑给排水设计规范gb 50015的规定。（2）厂内排水工程设计应符合现行国家标准室外排水设计规范gb 50014和建筑给排水设计规范gb 50015的规定。8、消防（1）餐厨垃圾处理厂应设置室内、室外消防系统，并应符合现行国家标准建筑设计防火规范gb 50016和建筑灭火器配置设计规范gb 500140的有关规定。（2）油脂储存间、燃料间和中央控制室等火灾易发设施应设消防报警设施。（3）设有可燃气体管道和储存设施的车间应设置可燃气体和消防报警设施。（4）餐厨垃圾处理厂的电气消防设计应符合国家标准建筑设计防火规范gb 50016和火灾

8、自动报警系统设计规范gb 50116中的有关规定。9、环境保护（1）餐厨垃圾的输送、处理各环节应做到密闭，并应设置臭味收集、处理设施，不能密闭的部位应设置局部排风除臭装置。（2）车间内恶臭气体浓度应符合现行国家标准工业企业设计卫生标准gbz1，气体排放应符合现行国家标准恶臭污染物排放标准gb14554的要求。（3）餐厨垃圾处理过程中产生的污水应得到有效收集和妥善处理，不得污染环境。（4）餐厨垃圾处理过程中产生的废渣应得到无害化处理。（5）对噪声大的设备应采取隔声、吸声、降噪等措施。作业区的噪声应符合现行国家标准工业企业噪声排放限值及测量方法和工业企业设计卫生标准gbz1的规定。10、安全与劳动

9、保护（1）餐厨垃圾处理厂的安全生产应符合现行国家标准生产过程安全卫生要求总则gb 12801。（2）餐厨垃圾处理厂的劳动卫生应符合现行国家标准工业企业设计卫生标准gbz1（3）餐厨垃圾处理厂建设与运行应采取职业病防治、卫生防疫和劳动保护的措施。11、采暖、通风与空调（1）各建筑物的采暖、空调及通风设计应符合现行国家标准采暖通风与空气调节设计规范（gbj19）中的有关规定。（2）易产生挥发气体和臭味的部位应设置通风除臭设施，散发少量挥发性气体和臭味的部位或房间，可采用全面通风工艺。散发较多挥发性气体和臭味的部位或房间，应采用局部机械排风除臭的通风工艺。2.1.2设计标准依据1、工业企业厂界噪声标

10、准gb 123482、生产过程安全卫生要求总则gb 128013、恶臭污染物排放标准gb 145544、室外排水设计规范gb 500145、建筑给排水设计规范gb 500156、建筑设计防火规范gb 500167、建筑照明设计标准gb 500348、建筑物防雷设计规范gb 500579、3110kv高压配电装置设计规范gb 5006010、电力装置的继电保护和自动装置设计规范gb 5006211、电力装置的电气测量仪表装置设计规范gb 5006312、建筑灭火器配置设计规范gb 50014013、火灾自动报警系统设计规范gb 5011614、电力工程电缆设计规范gb 5021715、城镇垃圾农

11、用控制标准（gb 8172）16、污水综合排放标准gb 897817、工业企业设计卫生标准gb z118、叶面肥标准gb/t 1742019、采暖通风与空气调节设计规范（gbj 19）20、电测量及电能计量装置设计技术规程dl/t 513721、交流电气装置的接地dl/t 62122、城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规范（cjj/t 52）23、农业标准商品有机肥料标准ny 52524、工业企业噪声排放限值及测量方法2.2餐厨垃圾的环境特性近年来，随着广州经济社会的高速发展和城市化的快速推进，广州市生活垃圾日产生量呈逐年递增的趋势。到2010年，全市每天产生的生活垃圾总量估测为18000t，经

12、过一定的分捡、分类回收后，进入终端处理的约12000t，其中，中心城区是生活垃圾产生的主体区域，约占全市垃圾生成总量的七成左右。1995年-2009年，中心六区日产生活垃圾年均增长率为4.6%，日垃圾产生量从2875t大幅提升至8148t目前广州平均日产生活垃圾约17800吨，其中5060是餐厨垃圾。其中，全市具有一定规模的餐厅、酒楼约有7000多家，餐饮网点超过2.6万个，每天产生餐厨垃圾700吨左右，加上机关团体单位食堂产生的餐厨垃圾，这两项餐厨垃圾日产量约1000多吨。其余均为普通居民家庭产生的餐厨垃圾。餐厨垃圾以淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分，具有含水率高，油脂、盐

13、分含量高，易腐发酵发臭等特点。尤其是在夏季，高温能使餐厨垃圾很快发酵、腐变，产生恶臭的气体和污水。广州的垃圾之所以那么臭，就是由于广州常年高温，以及垃圾中餐厨垃圾比例高、水分含量大等特点所决定的。zhang10等广州市餐厨垃圾的取样分析结果表明，餐厨垃圾的含水量约为80，可燃分含碳量（以质量分数计）为37.7348.93，为方便计算一般取平均值43。2.3厌氧沼气发电工艺的说明2.3.1工艺形式选择湿式消化采用低固体的浆液或液态消化，技术相对成熟，应用最为广泛。常规湿式消化的含固率在12%左右，其物料经稀释、破碎均浆后，制成含固率较低的流态物料，终产物是液态的，需要进行固液分离处理。但湿式消化

14、对于有机固体废物的处理存在预处理复杂、处理能力较低的问题，且更易受到氨氮、盐份等物质的抑制。针对湿式消化存在的问题， 研究者提出了干式消化的概念。干式消化系统的固体浓度可维持在20%40%，大大提高了处理能力，而且在系统投资、设备效率、物料综合利用等方面具有明显优势。但固体浓度的增加同时导致物料中毒性物质及传质的影响加强，在具体技术应用上尚存在较多的不确定性和难度。因此，干式消化工艺参数的确定、反应器的构建及过程的控制等方面是其研究的重点。餐厨垃圾的含固率较高，一般在20%左右，且物料组成复杂，有机质含量高，极易酸化，从而对产甲烷菌活性产生抑制。采用干式厌氧消化，则餐厨垃圾易酸化的特点使如何控

15、制反应器内的产酸速率和维持ph 值的稳定成为工艺的难点；采用湿式消化，可降低物料中毒性物质的影响，但处理能力较低。所以，保持餐厨垃圾原有基质状态加以适当调理，在较为合适的含固率下进行厌氧消化处理， 符合餐厨垃圾处理产业化的要求12。因此，本工艺选择干式消化的工艺形式。2.3.2消化工艺的温度根据厌氧消化过程中产甲烷菌的最适温度范围，厌氧消化又可分为常温消化（自然消化）、中温消化和高温消化。自然消化，温度随气候变化，季节性地处于20以下，导致反应速率极低。中温消化操作温度在3039，停留时间1530d，反应速度虽较低，但较稳定，适应性要强于高温过程。高温消化操作温度大多在5055，停留时间121

16、4d，反应速率高，杀菌能力强，但易受温度变化等的影响，稳定性较差，技术和管理要求更复杂13。则本工艺的温度一级消化采用高温，二级消化采用中温。2.3.3消化工艺的分段厌氧消化有可根据微生物相（水解酸化相、甲烷化相）、物质相态（固相、液相）和温度进行分段。最常见的是根据微生物相进行分段，以分别优化各段反应器的运行参数，使水解酸化微生物和产甲烷菌在各自最适宜的生境下高效降解有机物。单相消化过程简单，易于控制，但由于各阶段在同一条件下进行，无法实现各阶段的最佳反应条件，反应器在相互制约的条件下运行，难以实现较高的产甲烷效率。为弥补单项厌氧消化的缺陷，ghosh12于1983年提出一种改进的两相消化过

17、程来处理有机垃圾。该消化系统包括水解酸化反应器和产甲烷反应器2个部分，从而为2 类微生物菌群分别提供适宜的生长环境，提高了整个厌氧消化的效率。两相消化的重点在于相分离，因此，针对餐厨垃圾的组分，结合各种新型高效厌氧反应器的特点和运行参数控制进行产酸相和产甲烷相的组合以达到更好的处理效果。近年来， 基于两相消化的半连续式固液混合厌氧系统（hybrid anaerobic solid-liquid，hasl）在实际运用中得到了较好的运行效果。2.3.4消化工艺流程的最终确定根据基本的厌氧发酵工艺和广州市餐厨垃圾的特性，本设计的工艺流程采用干式厌氧发酵制备沼气为核心的能源化技术方法。干式厌氧发酵工艺

18、可以适用于各种来源的固体有机废弃物原料，运行费用低、容积产气率高、发酵过程无需添加新鲜水，沼液产量小或无沼液产生，运行过程稳定，无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题14。方案采用两级厌氧发酵系统：一级为厌氧主发酵罐，二级为液相立式发酵罐。经一级发酵后的物料由浆料泵输送至固液分离机，经固液分离后的固体堆肥，制成肥料出售。液体进入集液槽，集液槽中的液体部分回流进入预处理快速预热混合器与新鲜原料接种，其余液体泵入二级立式发酵罐，使未完全发酵的物料在此进行再次发酵。二次发酵罐出料进入沼液贮池，做液体有机肥。该整个发酵过程无需添加稀释水，沼液产生量较小。一级发酵罐和二级发酵罐产生的沼气暂存于二级发酵罐顶部的膜

19、式贮气柜中，经由净化后的沼气用于发电。其工艺流程图见图2.1图2.1 干式厌氧发酵制沼气工艺流程图3厌氧沼气发电工艺设计计算按照一般餐厨垃圾处理厂处理规模，取日处理量为500t来计算。则根据餐厨垃圾的处理量为q=500t/d，餐厨垃圾含水量为80，可燃分含碳量（以质量分数计）取平均值43。初定厌氧发酵工艺参数为：ph=6.5；温度：一级消化为高温度55左右，二级消化中温度35左右；有机负荷510kgcod/( m3d)；一级消化停留时间20d左右，二级消化停留时间12d；碱度控制在25005000mgcac03/时；碳氮比为25:130:1。3.1原料收集及预处理餐厨垃圾经单独的垃圾收集车收集

20、后进行预处理，预处理包括分选、破碎、脱水、油脂分离和灭菌。第一步通过人工分选拣去大的骨头、大块塑料、木棒或瓷片等物品，然后将其完全破碎（粉碎机）。餐厨垃圾中纤维素含量较高，可降解性较小，破碎可使物料颗粒体积提高，加快消化速率、提高气体产量和减小消化体积。再利用垃圾颗粒粒径的差异，用振动筛选的方式使餐厨垃圾均匀化。第二步，采用机械脱水，沥除水分后再经高速离心机进行高效的深度脱水。第三步，将脱水预处理后的餐厨固相垃圾进行水洗，并通过脱水装置脱除餐厨固相垃圾中游离的、以及粘附在餐厨固相垃圾内部油份及水份。脱水预处理后的液相部分也进行油水分离，提取的液态油脂可用于生物柴油原料或工业用油脂原料，分离的水

21、经处理后排放或循环再利用。最后，将以取得的餐厨固相垃圾进行85250的高温杀菌处理，杀菌时间1-20分钟，获得餐厨垃圾处理物15。将经过预处理的餐厨垃圾处理物送入快速预热混合器，在此进行预热、搅拌和回流接种，接种后的物料经由螺杆泵泵入厌氧发酵反应器。高粘稠物料的输送：经过预处理混合后的物料，干物质含量在16%20%，黏度大、流动性差、固形物含量高。螺杆泵能够输送较高浓度的畜禽粪便， 能够耐受长度35 cm 的长纤维。设计选用了带绞龙喂料的单螺杆泵。3.2厌氧反应过程设计计算3.2.1处理规模每天处理餐厨垃圾200 t/d，有机物ts 浓度为23 %，则干发酵餐厨固相垃圾量ts=5000.23=

22、46 t/d。其中vs/ts=96%，则可挥发有机物vs=44.16t/d。3.2.2厌氧消化产气量计算一般来说，有机废物厌氧消化所产生的气体中甲烷含量约为50%60%，1kg可降解有机物可产生0.631.0m3的沼气。则餐厨垃圾的产气量估算值为v沼气=441600.85=37536 m3（取0.85）。具体计算可使用有机物组成法：表3.1 餐厨垃圾有机物的组成（%）成分水分总糖脂肪蛋白质盐分其他餐厨垃圾773.165.2310.261.293.1表3.2 总糖、蛋白质和脂肪的产气量（标况）物质总产气量/(l/g)ch4产量/(l/g)co2产量/(l/g)ch4产量/co2产量总糖0.790

23、.810.3650.4860.4460.4954060脂肪1.061.480.6841.0680.5620.3142872蛋白质0.700.730.490、5330.210.1972773根据餐厨垃圾有机物的基本组成表3.1以及其相应的产气量表163.2，其厌氧发酵产气量可由下式计算： g=aa+bb+cc （3-1）式中，g有机物的理论产气量（标况），m3/kg； a，b，c1kg有机物中组分各自的质量，kg； a，b，c，1kg有机物组分所产生的沼气体积（标况），m3/kg。则，g=0.03160.8+0.05231.4+0.10260.7=0.1703 m3/kg，即总产气量v沼气=20

24、0000g =34060 m3。3.2.3厌氧反应器的容积每日有机物进料量： q有=qtsvs （3-2）则q有=2000000.230.96=44160 kg/d反应器的有机负荷率及有效容积：可根据表3.3确定适宜的有机负荷率。表3.3固体废物厌氧消化工艺适宜操作条件工艺操作条件处理对象中温/干式hrt:1730d；olr:69kg vs/(m3d)机械分选后的餐厨垃圾高温/干式hrt:1220d；olr:915kg vs/(m3d)机械分选后的餐厨垃圾则厌氧反应器的有效容积可按式（3-3）计算 =44160/ 12=3680 m3 （3-3）其中，olr取12 kg vs/(m3d)，得厌

25、氧反应器的有效容积取3700 m3，则其水力停留时间为18d。3.2.4 接种比列合适的接种污泥比例17能够有效地改善混合发酵底物的营养成分，促进厌氧混合菌群的生长及代谢活性。接种比例不低于50时，ts和vs去除率明显高于接种比例低于25时的发酵过程。餐厨垃圾与接种污泥比例为1：1时，ts和vs去除率达到最大值，分别为43.6和52.8%。3.2.5 物料平衡计算根据总物料质量守恒14，可得下式：m=e+b （3-4）式中：m 为反应器每天的进料量；e 为反应器每天的出料量；b 为每天产生的沼气量。假定沼气中甲烷含量为60%，则沼气密度为1.2 kg/m3，则：b=34060 m3/d1.2

26、kg/m3=40872 kg/d，m=200000 kg/d，则e=159128 kg/d餐厨垃圾ts 浓度为23%， 经过预处理和厌氧发酵，其中ts 总去除率为43%，根据ts 质量守恒，可得到：tse= 16.5%式中：tsm为进料中ts 浓度；tse为出料中ts 浓度。3.3一级厌氧发酵罐一级厌氧发酵罐采用机械搅拌厌氧反应器。搅拌桨采用六弯叶开启涡轮搅拌器，物料在反应器内呈塞流式运动，利于发酵产生的沼气排出，同时搅拌强化物料传质、传热。处理物料的ts%为23%，无需添加新鲜水，所需反应器容积小，占地面积省，节省热量消耗。设计卧式一级发酵罐为55 高温厌氧发酵，每天进料500 t/d，物料

27、停留时间为18d。厌氧发酵罐外壁上安装加热盘管，通过蓄热水箱循环加热和太阳能进行增温。发酵罐罐体的尺寸总汇如表3.4所示。表3.4 发酵罐的尺寸总体积v0/m3罐内径d/mm罐体总高h/mm封头的体积/m3装液量/m3罐压/mpa罐体壁厚/mm封头壁厚/mm材料158.742001218015.1147.20.38.011.0不锈钢在搅拌方面，由于液态垃圾有机质浆液的粘度高，对混合要求高，此外，液态垃圾属于厌氧发酵，无需溶解氧，不考虑气质传递的过程，故选择用六片直叶涡轮搅拌器。主要计算的结果如表3.5所示。表3.5 搅拌器的尺寸与功率搅拌器叶径d/mm叶宽b/mm搅拌转速n/（r/min）搅拌

28、叶桨底距c/mm搅拌桨间距s/mm搅拌层数m总搅拌功率pm/kw电机功率pw/kw1300260120130039003180133.33.3.1形状与材质选择从反应器的设计方面考虑，圆形结构的反应器受力情况较好，具有结构较稳定的优点，同时，在同样的截面积下，圆形反应器的周长比正方形少12%。所以，圆形池子的建造费用至少比具有相同截面积的矩形反应器低12%以上，本设计厌氧反应器形状14选择为圆形。反应器材质的选择需要从多方面考虑。抗腐蚀性是厌氧反应器首要考虑的问题。一般宜采用钢筋混凝土构筑物或特种材料防腐处理； 而从设备化角度考虑，大部分工程项目均可采用钢、塑料和玻璃钢等材质的结构，这样可将反

29、应器转化为能生产的设备和产品。本设计反应器主体罐体基材为碳钢，内涂特别防腐蚀涂层，要求达到耐腐蚀、便于维修，性能优良，保温层外表美观。3.3.2主要几何尺寸常用的机械通风发酵罐的结构以及几何尺寸已经规范化，是发酵的种类和产房条件等在一定范围内有所变动。其主要几何尺寸如图3.1所示。h罐身高 h液位高 b挡板宽 c搅拌器叶轮与罐底间距h0罐桶高 d罐径 d搅拌器直径 s相邻搅拌叶轮间距图3.1 机械通风发酵罐的几何尺寸常见的机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸比例如下：h/d=1.73.5 d/d=1/21/3 s/d=25b/d=1/81/2 c/d=0.81.0 h0/d=2通常，对一个发酵罐的大小

30、用“公称体积”表示。所谓“公称体积”，是指罐的筒身体积加上底封头体积之和。其中底封头容积可根据封头形状、直径以及壁厚从有关化工设计手册中可以查到，椭圆封头体积可以用一下公式计算： （3-5）故发酵罐的全体积为: （3-6）表3.6列举了常用的机械搅拌通风发酵罐的系列体积以及主要尺寸。表3.6 常用的机械搅拌通风发酵罐尺寸公称体积v罐内径d/mm圆筒高h/mm搅拌轴转速n/（r/min）搅拌轴功率n/kw10 m315 m320 m330 m340m350m360m375m3100m3150m3200m3350m318002000220024002600280030003200360042004

31、6005600380048005000660075008000830088009500108001150012600160-200160-200160-200150-200120-200120-200120-250120-240120-220120-200120-200125-18017-2222-3030-3745-5555-7555-9065-11590-14560-11090-13095-180185-250（1）d、h的确定发酵罐是由圆柱形筒和上下椭圆封头组成，反应器的有效容积v=3680 m3，选取发酵罐的公称体积v=150m3，需要25个。根据表3.4，则其罐内径d=4200mm。

32、根据公式（3-6），9966mm，取整数，则h0=10000mm根据一般h/d=1.73.5，选取h/d=2.9，则h=12180mm；则封头的高度h2=1090mm，其曲面高度ha= h2 hb=1090-d/6=390mm(2)容积的确定圆柱部分容积：封头的体积：=15.1m3底部污泥排放容积：v2=v1=15.1m3全容积验算 符合设计要求。(3)搅拌叶直径取d=1300mm，其中符合d/d=0.30.4的要求。搅拌叶间距；3.3.3 罐体主要部件尺寸的设计计算（1） 罐体考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。封头设计为标准椭圆封头，因d500mm，

33、所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。（2）罐体壁厚7.6 mm，取8mm (3-7）式中，d罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.3mpa)焊缝系数，双面焊取0.8设计温度下的许用应力（kgf/c）（16mnr钢焊接压力容器许用应力为150，170mpa） c 腐蚀裕度，当c10mm时，c3mm(3)封头壁厚计算=10.65mm，取11mm (3-8)式中，d罐体直径（mm） p耐受压强 (取0.3mpa)y开孔系数，取2.3 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（16mnr钢焊接压力容器许用应力为150，170mpa）3.3.4 搅拌器餐厨垃圾在发酵过程中应该处于流动状态，这样就能是

34、发酵微生物有效的利用有机质浆液，从而提高发酵的效果。因此，搅拌器的设计是必不可少的。搅拌过程能使得发酵液和细菌之间达到最大程度的基础，从而在较短的时间内完成所需要的混合、传热或者是进行生化反应。搅拌器的主要作用是混合，使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，利于发酵过程的高速、高效进行，同时强化传热过程。图3.2 圆盘涡轮式搅拌器（1）搅拌器的选型根据垃圾性质：含有悬浮固体，粘度较高的特点，以及在垃圾有机质浆液发酵过程采用厌氧，无需考虑传质的特点，采用六弯叶开启涡轮搅拌器以降低搅拌轴功率。（2）搅拌器的尺寸计算六弯叶开启涡轮搅拌器该搅拌器的各部分尺寸与罐径有一定的比例关系，搅拌器直径与槽内径的比值为1

35、：3，根据之前的计算，叶直径取1300mm，底搅拌叶至底封头高度。 叶宽与桨叶直径之比：b/d=1/51/8，取1/5则叶宽： （3）搅拌层数m搅拌器之间的距离与搅拌器直径比例s/d一般为2518，取s/d=3,则搅拌间距，所以搅拌器层数m=(10000-1300)/3900+1=3.22,取m=3层。3.3.5挡板的计算开启式涡轮也是一种高速搅拌器，应在湍流区操作搅拌的效果好。但是，需要在搅拌槽内安装挡板，且满足全挡板条件。发酵罐内装设挡板的作用是防止页面中央形成漩涡流动，减少死角。通常设46块挡板，挡板宽度为0.10.12d，则可达到全挡板条件。根据全挡板条件18， （3-9）式中， b挡

36、板的宽度 b=（0.10.12）d=0.114200=462mm 取470mm d罐径 d=4200mm z挡板数 ， 取 z=5挡板的高度自罐底起至设计的液面高度为止，同时挡板应该以罐壁留有一定的空隙，目的是消除发酵罐的死角。空隙间距为(0.20.4)b,本设计选用间距为0.3b=141mm。3.3.6 电机功率pw电机出轴到搅拌轴之间有减速器、联轴器等。另外搅拌轴上还会装有密封结果，这些部件在工作时都会消耗一定的功率。因此，确定电机功率是，必须考虑各传动部件功率损耗。可以通过下式估算电机功率 （3-10）其中，pw 所需要的电机功率，kw p 搅拌功率，根据表3.4取p=120 kw 总传

37、动效率上式中总传动效率应是各种传动部件传动效率的乘积。一般在估算是可以取总传动效率为=0.850.95也可以根据经验估计得到。采用机械密封结果，总传动效率取较高值18，现在取=0.90，则所需的电机功率3.3.7 发酵产生的热量根据前期的液态垃圾的实测和经验数据，液态垃圾发酵热高分值约为2.35104kj/(h1m3 )19。罐装液量为 1500.77%=115.5m3 ；发酵产生总热量。3.3.8厌氧反应器增温、保温沼气在发酵过程受温度影响很大，需要对温度进行严格的控制，将发酵料液维持在适宜的温度，以保证产气率。为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，对系统实施了增温和整体保温措施。本设计对厌氧

38、消化罐采用200 mm 厚聚苯乙烯材料进行强化保温。系统保温包括厌氧消化罐体的保温，管道、阀门的保温。考虑内设加热盘管容易表面结垢，降低换热效率，维修时需要清空消化池，造成停产，本设计沿罐壁设置加热盘管，采用热水循环加热。3.3.9人孔和视镜人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设计只设置了1个人孔，标准号为： 人孔rf（rg）450-0.6 hg21522-1995，公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为dn80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜 pn1.0 dn

39、80 hgj501-86-173.6接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为，2h 排尽。发酵罐装料液体积：v1 =147.2；物料体积流量q= v1/2h=147.2/(23600)=0.0204/s，则排料管截面积，又，得d=0.161m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰，取公称直径170mm。其他管道也是如此计算。(1)管道接口（采用法兰接口）进料口：直径170mm，开在封头上，排料口：直径170mm，开在罐底；进气口：直径170mm，开在封头上；排气口：直径170mm，开在封头上；冷却水进、出口：直径170mm，开在罐身；补料口：直径170mm，开在封头上；取样口：直径170mm，开

40、在罐身上；(2)仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器pt100型，d100mm，开在罐身上；压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：，开在封头上；液位计：采用标准： 型号： 直径：，开在罐身上；溶氧探头：；ph探头：型；3.4二级立式厌氧发酵罐二级发酵罐采用立式发酵罐，其大体设计跟一级发酵罐相似。二级立式发酵罐顶部设置储气膜，合二为一，与传统的贮气柜相比，减少了厌氧发酵罐顶盖以及贮气柜配置。设计为常温发酵，兼具储存沼液功能。立式厌氧发酵罐罐体采用拼装结构，便于安装维护和检修。顶部采用双膜式贮气柜，膜式贮气柜通过调整内外膜之间夹层的空气压力以保护外膜并维持贮气柜的形态

41、和结构，能承受一定的载荷，并将内膜内的沼气输入输气管道供后续发电用。3.4出料固液分离系统及后处理系统由于活塞式泥浆泵的入口低于厌氧反应器出料口1.2 m，同时活塞泵自身也有一定的自吸能力，出料阀门开启后，出料较易流入活塞式泥浆泵内，经泵送至螺旋挤压固液分离机进行固液分离，分离出的固体进行堆肥处理，分离出的液体进入集液槽，部分液体作为接种物经泵回流至预处理段，其余经泵送入二级发酵罐。二级立式厌氧罐发酵后的出料可作液体有机肥料使用。3.5厌氧沼渣、沼液的利用经一级发酵后的物料由浆料泵输送至固液分离机，经固液分离后的固体堆肥。由于其固体有较全面的养分和丰富的有机物，除了含有丰富的n、p、k和大量的

42、元素外，还含有对作物生长起重要作用的b、cu、fe、mn、zn等微量元素，是一种缓速兼备有改良土壤功效的优质肥料，所以可以制成肥料出售。而经二级发酵后产生的沼液可以经过处理用作沼肥使用，如沼液浸种、沼液叶面喷施、沼液喂猪、养鱼等。3.6厌氧沼气的净化沼气20作为一种优质廉价的气体燃料，用途很多。其一般含甲烷60%70%，热值为2000029000kj/m3，可以作为能源使用，既可以满足煮饭、炒菜、烧水、点灯等生活用能的需要，有可广泛用作生产能源，如利用沼气升温育秧、孵化幼、烘干农产品，还用于锅炉、内燃机发电等。沼气可用来点灯照明，但沼气灯耗气量较大，从提高沼气热能利用率以及安全卫生角度考虑，用

43、沼气发电，既经济又方便。本设计主要将沼气用于发电。但是厌氧消化装置刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有气体燃料ch4和惰性气体co2外，还含有一定比例的h2s、h2o，少量的nh3，h2、n2、o2、co和卤化烃。刚生产出来的沼气并不能立马用于发电等的利用，需要经过净化。沼气的净化是指沼气中ch4之外其他气体的去除。3.6.1沼气净化机理目前沼气净化的机理21有三大类，即化学吸收、物理提纯和生物脱除。（1）化学吸收。一种化学吸收机理是采用胺、碱、醇等复合溶液吸收剂，利用酸碱中和反应吸收沼气中的co2、h2s等酸性物质，同时也能吸收nh3等易溶于水、醇的气体。另一种化学吸收机理是采用干化

44、学物质（如fe2o3）作为吸收剂吸收杂质气体。化学吸收的吸收剂都可以通过装置的自净系统和再生系统释放出各种杂质和气体得到再生循环使用。（2）物理提纯。通过此机理净化沼气的主要是变压吸附法。利用吸附剂在不同压力条件下对不同气体吸附力不同的原理来分离沼气中的不同组份。沼气中的h2o、co2、h2s等吸附容量较大的强吸附组分在一定压力下被吸附剂吸附停留在床层中，而较小吸附容量的弱吸附组分n2、ch4 等从床层出口输出，从而实现了对沼气的净化。（3）生物脱除。在一定的条件下利用微生物生长繁殖需要沼气中某些杂质气体作为营养物质，从而实现对沼气的净化。现阶段，物理化学法已被广泛地应用且积累了丰富的经验。但

45、该方法存在运行费用高、投资大、再生困难、产生二次污染等缺点。生物法具有不需催化剂和氧化剂、不需处理化学污泥、少污染、低能耗、高效率、可回收单质硫等优点，正在成为沼气脱硫领域的发展趋势。3.6.2 沼气净化方法沼气净化的程度取决于沼气的用途。沼气供热需要脱h2s、h2o，沼气发电需要脱h2s、h2o、有机卤化物，沼气作汽车燃料需要脱h2s、h2o、有机卤化物、co2，沼气并入天然气网需要脱h2s、h2o、有机卤化物、co2以及金属。不管是什么用途，沼气中的h2s和h2o都要脱除。沼气脱h2o和脱h2s常用的技术详述如下。（1）脱h2o厌氧消化装置中气相的沼气经常处于水饱和状态22，沼气会携带大量

46、水分，使之具有较高的湿度。沼气中的水分有下列不良影响：一是水分与沼气中的硫化氢产生硫酸，腐蚀管道和设备，而且当沼气被加压储存时，沼气中的水会凝结冻坏储气罐；二是水分凝聚在检查阀、安全阀、流量计等设备的膜片上影响其准确性；三是水分能增大管路的气流阻力；四是水分会降低沼气燃烧的热值。因此，沼气的输配系统中应该脱h2o。发酵装置出来的沼气中所含的水分形式是饱和水蒸气，一般采用冷分离法将其除去。通过调整压力引起混合气体温度发生变化，使水蒸气从气态冷凝为液态的水后，将其从沼气中脱除。此法经济简单，被大多数沼气工程所采用。沼气冷却的方式有自然降温及机械脱水两种。冷却温度还要考虑下一步脱硫过程中不同脱硫剂对

47、水分量的要求，根据脱硫剂的水分合理量进行适当的初步冷却。在沼气输送过程中，还有一部分水要析出。为了避免析出的水分腐蚀或堵塞管道，常在管路的最低处安装集水器，定期排除集水器中的水。（2）脱h2sh2s22总是存在于沼气中，尽管其含量因为发酵原料的不同有所变化，但是必须予以去除，以免腐蚀压缩机、气体储存罐和发动机。h2s可以和大部分金属反应，并且随着浓度和压力的变化反应也会改变。由于h2s的存在会导致很多问题，如沼气含有一定量的硫化氢，有时也含极少量的有机硫，硫化氢是剧毒的有害物质，空气中含0.1%的硫化氢数秒内可使人致命。它对输气管、仪表仪器、燃烧设备有很强腐蚀作用，其燃烧产物二氧化硫也是一种腐

48、蚀性很强的气体，同时进入大气能产生“酸雨”。为保证人体健康和保护大气环境，延长燃气设备等的使用寿命，必须进行脱硫。总结出来的8种h2s脱除21方法可以分为物理提纯、化学净化和生物吸收。现就3种机理中常用的方法分析如下。 活性炭吸附工艺。在变压吸附系统中h2s可以通过用ki浸泡过的活性炭去除。此过程中，h2s被转化为单质s和h2o，单质s就被活性炭吸收了。在连续运行的情况下，系统要包含两个吸附装置。如果活性炭上h2s的浓度超过3ppm，需要进行再生。 氧化铁吸收工艺。通过氧化铁来吸收沼气中的h2s，此工艺的脱硫原理如下： fe2o3h2o+h2fe2s3h2o+3h2o （1）此反应是放热反应，

49、最低温度要求12，最佳反应温度为2550。所以，实际工程运营中，需要加热来达到最佳反应温度。另外，h2s的脱除是通过在活性氧化铁表面的水膜中离解成h+和s2+后，再进行化学反应。因为此反应需要一定量的水，一般要将脱硫剂的水分含量控制在10%15%。所以沼气在前面的脱水过程中温度不能太低，水分不能脱除得太多，但也应避免生成的冷凝水使球状氧化铁粘在一起，减少了反应表面，从而影响脱硫效果。此法的脱硫工艺中产生的硫化铁可以被空气氧化再生，生成氧化铁和单质s。此工艺的反应原理如下， fe2s3h2o+3/2o2fe2o3+3s+609kj （2）从反应式可以看出，再生过程中会放出大量的热，因此常常会发生

50、自燃。为防止脱硫剂自燃，一般需要对卸除的废脱硫剂喷洒少量水。另外，在经过很多次重复使用后，氧化铁的表面上会覆盖一层硫单质，所以就需要更换氧化铁。通常一个装置中要配有两个反应床，一个进行脱硫时，另一个可以进行再生。在目前的畜禽养殖场沼气工程中，氧化铁吸收工艺被称为干法脱硫。另外有一种常用的湿法脱硫。湿法脱硫的脱硫剂多用浓度为2%3%的碳酸钠溶液。此两方法的脱硫剂都可以再生。 生物脱硫法。该法是利用无色硫细菌，如氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等，在一定的温度、湿度和微氧的条件下，将h2s氧化成单质s或h2so3。脱硫机理为：1，h2s气体溶解，即由气相转化为液相；2，溶解后的h2s被微生物吸收，转移

51、至微生物体内；3，进入微生物细胞内的h2s作为营养物被微生物分解、转化和利用，从而达到去除h2s的目的。其反应方程式如下：2h2s+3o22h2so3 （3）2h2s+o22s+2h2o （4）大部分的硫氧化细菌都属于硫杆菌属。硫杆菌随处可见，用来脱除h2s并不需要接种。另外，大多硫杆菌是自养的，厌氧消化物的表面可以提供给它们一个生长所需的微观好氧环境和必需的营养。所以，运用生物法脱硫，直接往厌氧消化罐或储气罐中通入一定量的o2或空气并保持一定时间即可，方法比较简单。适当的温度、反应时间和空气量可以使沼气中的h2s含量减少至50ppm。在实际运用中，沼气中通入o2或空气的量根据沼气中h2s的含

52、量确定，一般为26的空气。对于不同甲烷含量的沼气，空气中的爆炸范围不同，所以必需采取一定的安全措施避免沼气中通入过量的空气引起爆炸。同时，生物脱硫也存在过程不容易控制、脱除出来的单质s容易堵塞填料及损害曝气头等缺点。3.6.3 沼气净化方案的确定.沼气净化包括脱水、脱硫及脱二氧化碳，其中脱硫是净化的重点和关键。沼气净化工艺流程顺序设计如图3.3。 图3.3沼气净化顺序图沼气从厌氧消化器中出来后，含有饱和水、硫化氢和二氧化碳等其他物质，h2s在水中会溶解，形成酸性物质对设备造成腐蚀，而且h2s的存在也会对co2的去除有影响，所以把脱硫放在首位。先去除饱和水对去除co2也有好处，所以把脱水放在第二

53、，脱除co22最后。（1）对于h2s的脱除采用以氧化铁为脱硫剂的干法脱硫。干法脱硫中最为常见的方法为氧化铁脱硫法23。它是在常温下沼气通过脱硫剂床层，沼气中的h2s与活性氧化铁接触，生成硫化铁和硫化亚铁，然后含有硫化物的脱硫剂与空气中的氧接触，当有水存在时，铁的硫化物又转化为氧化铁和单体硫。这种脱硫再生过程可循环进行多次，直至氧化铁脱硫剂表面的大部分孔隙被硫或其他杂质覆盖而失去活性为止。一旦脱硫剂失去活性，则需要将脱硫剂从塔内卸出，摊晒在空地上，然后均匀地在脱硫剂上喷洒少量稀氨水，利用空气中的氧，进行自然再生。干法脱硫装置宜设置两套，一备一用。 脱硫塔体床层应根据脱硫量设计为单床层、双床层或多

54、床层。脱硫剂的反应温度应控制在生产厂家提供的最佳温度范围内，一般当沼气温度低于10时，脱硫塔应有保温防冻和增温措施，当沼气温度大于35时，应对沼气进行降温。脱硫装置进出气管可采用上进下出或下进上出方式。脱硫装置底部应设置排污阀门和沼气安全泄压等设备。 脱硫塔内装有中央圆孔的吊筐。叠置起来的吊筐在净化塔中心形成的圆柱形沼气通道，如图3.4上箭头表示的方向。 沼气由塔底进入中心通道，并均匀分布进入各个吊筐中，通过脱硫剂层后进入吊筐与塔壁形成的空隙内，而由塔测壁排出。气体以正常的速度通过脱硫剂时，每米厚脱硫剂的阻力为125255mmh2o。沼气与脱硫剂接触时间，一般取50300s。脱硫后沼气中含硫化氢量应降低到1020mg/m3。脱硫器的直径d，一般按h/d=23选取，其他尺寸按图3.5标注尺寸关系计算。脱硫剂宜分层填装，要求再生或更换方便。图3.4塔式干法脱硫装置示意图d-脱硫器