消化池.docx

消化池污泥的厌氧消化是为了使污泥中的有机物质，变为稳定的腐殖质，同时可以减少污泥体积，改善污泥的性质，使之易脱水，破坏和控制致病微生物，并获得有用的副产品，如沼气。本设计采用固定盖式，两极消化，一级消化污泥投配率为5，二级消化污泥投配率为10，消化温度3335，一级消化池进行加温搅拌，二级消化池不加热，不搅拌，利用一级消化池的余温。已知条件：含水率为97%，污泥量391.11m3/d，挥发性固体含量为65%，采用中温消化，消化后VSS去除50%。1 容积计算 消化池的有效容积 V=QC0Sv 式中 V消化池容积，m3； C0污泥挥发性固体浓度，kgVSS/(m3.d)； Sv容积负荷，kgVSS/(m3.d)。 污泥含水率为97%，则污泥固体浓度为3%，其中挥发性固体VSS占65%，则： C0=0.040.651000=26kg/m3 取Sv=1.3 kgVSS/(m3.d)。 V=QC0Sv=391.11261.3=7822.2m3 采用中温两级消化，容积比一级：二级=2:1，则一级消化池总容积为5220m3，用两座池，单池容积为2610 m3。二级消化池容积为2610 m3，用一座池。 各部分尺寸的确定消化池直径D：设计中D取17m集气罩直径d1：采用2m池底下锥底直径d2：采用2m集气罩高度h1：采用2m上锥体高度h2式中 1上椎体倾角，一般采用1530设计中取1200 ，设计中取2.7m消化池柱体高度h310m下锥体高度h4 式中2下椎体倾角，一般采用515。设计中取2=10 则消化池总高度为H= h1+h2+h3+h4=2+2.7+10+1.4=16.1m总高度和圆柱直径的比例： 容积校核 集气罩的容积V1为：=6.28m3上盖部分容积V2为：=231.14m3 圆柱部分容积V3为：=2269.80m3下锥体部分容积V4为：=119.85m3则消化池的有效容积V0为：V0=V2+V3+V4 =231.14+2269.80+119.85 =2620.79 m32610m3 符合要求 2平面尺寸计算 消化池各部分表面积计算 集气罩表面积A1为： 上盖表面积A2为： 下锥体表面积A3为： 消化池柱体表面积A4为： 故消化池总面积A= A1 + A2+ A3+ A4=1029.14m23消化池热工计算消化系统总耗热量包括把生污泥加热到消化温度、消化池体热损失、输泥管道与交换器的热损失三部分。 加热生污泥耗热量 式中 Q1提高污泥温度所需平均耗热量，kcal/h； TD中温消化温度，；Ts新鲜污泥平均温度，为。 已知每座一级消化池每日投配的生污泥量，V=195.56m3/d，中温消化温度TD=35，污泥年平均温度为18，日平均最低温度为14。 全年的平均耗热量 最大耗热量为式中 Q1MAX提高污泥温度所需最大耗热量，kcal/h；TS新鲜污泥日平均最低温度，。 设计中取TS=14 消化池池体的耗热量 式中 F池盖、池壁及池底的散热面积，m2； TA池外介质的温度，池外介质为大气，计算平均耗热量，采用年平均气温，计算最大耗热量，采用冬季室外计算温度；池外介质为土壤时，采用全年平均温度； K池盖、池体与池底的传热系数，kcal/(m2h)。 池盖K0.7kcal/(m2h) 池盖K0.6kcal/(m2h)（池外为大气） 池盖K0.45kcal/(m2h)（池外为土壤） 池盖部分全年平均耗热量消化池总面积为F2=A1+A2=15.7+235.61=251.31m2，池外介质为大气，年平均气温16.3，冬季室外计算气温为-2.3。则池盖部分全年平均耗热量为：Q2=F2K2（TD-TA）1.2池盖部分最大耗热量为：Q2MAX=F2K2（TD- TA）1.2式中 Q2 池盖平均耗热量，kcal/h； F2 池盖表面积，m2； K2 池盖传热系数，kcal/(m2h)； TA 室外大气年平均温度，； TA冬季室外计算温度，。 设计中取K2=0.7kcal/(m2h)Q2251.310.7(3516.3)1.23947.58 kcal/hQ2MAX=251.310.7(35+2.3)1.2=7874.04 kcal/h 池壁在地面以上部分年平均耗热量 若消化池池壁的1/3在地面以下，2/3在地面以上，则F3=2/3A4=356.05m2 平均耗热量为：Q3= F3K3（TD-TA）1.2 最大耗热量为Q3max= F3K3（TD-TA）1.2式中 Q3地面上池壁平均耗热量，kcal/h；F3地面上池壁表面积，m2；Q3max地面上池壁最大耗热量，kcal/h；K3池壁传热系数，kcal/(m2h)。 设计中取K3=0.6kcal/(m2h)Q3=356.050.6（35-16.3）1.2=4793.86 kcal/hQ3max=356.050.6（35+2.3）1.2=9562.08 kcal/h 池壁在地面以下部分年平均耗热量 F3=1/3A4=178.03m2，池外介质为土壤，年平均气温为15，冬季室外计算气温为2。平均耗热量为：Q3= F3K4（TD-TB）1.2 最大耗热量为Q3max= F3K4（TD-TB）1.2式中 Q3地面下池壁平均耗热量，kcal/h； Q3max地面下池壁最大耗热量，kcal/h；F3地面下池壁表面积，m2；K4池壁传热系数，kcal/(m2h)；TB 室外大气平均温度，；TB冬季室外计算温度，。设计中取K4=0.45kcal/(m2h)。平均耗热量为：Q3=178.030.45（35-15）1.2=1922.72kcal/h最大耗热量为： Q3max=178.030.45（35-2）1.2=3172.49 kcal/h 池底部分全年平均耗热量为 池底部分面积F5=A3=243.76m2。平均耗热量为：Q5= F5K5（TD-TB）1.2 最大耗热量为Q5max= F5K5（TD- TB）1.2式中 Q5池底部分平均耗热量，kcal/h； Q5max池底部分最大耗热量，kcal/h；F3池底部分表面积，m2；K4池底壁传热系数，kcal/(m2h)；TB 室外大气平均温度，；TB冬季室外计算温度，。设计中取K5=0.45kcal/(m2h)。平均耗热量为：Q5=243.760.45（35-15）1.2=2632.61kcal/h最大耗热量为：Q5max=243.760.45（35-2）1.24343.80kcal/h 每座消化池的平均耗热量Q2=3947.58+4793.86+1922.72+2632.61=13296.77kcal/h 最大耗热量 Q2max =7874.04+9562.08+3172.49+4343.80=24952.41 kcal/h 输泥管道与热交换器的耗热量 输泥管道与热交换器的耗热量可简化计算取前两项热损耗和的5%15%。 即： Q3=（0.050.15）（Q2+Q3） 设计取10%。 Q3=0.1（138521.67+13296.77）=15181.84kcal/h Q3max =0.1（171115+24952.41）=19606.74kcal/h每座消化池全年平均耗热量为：Q= Q1+Q2+Q3=138521.67+13296.77+15181.84=167000.28 kcal/h 每座消化池最大耗热量为： Qmax= Q1max+ Q2max + Q3max=171115+24952.41+19606.74215674.15 kcal/h消化系统平均总耗热量为： QT=2Q=334000.56 kcal/h消化系统最大总耗热量为： QTmax=2Qmax=431348.3 kcal/h 消化池保温结构厚度的计算 为了减少消化池内热量散失，节约能耗，在消化池体外侧应设保温结构。由保温层和保护层组成。保温结构的厚度可通过消化池池壁结构低限热阻R0d进行计算。即使消化池池壁结构的总热阻R0R0d。 池盖保温厚度计算保温材料厚度 =R0d-R0式中 池盖保温材料的厚度，mm； 保温材料的热导率，kcal/（mh）； R0d池壁结构低限热阻，（mh）/kcal。 R0d=TD-TATRnkA 式中 T冬季池壁结构允许温差，一般T=710； Rn池壁结构热阻，（mh）/kcal，对消化池盖内表面Rn=0.133； k温度修正系数，对消化池盖k=1； A保温材料变形和池壁结构热惰性系数，对可压缩的保温材料A=1.2，热惰性指标D03的材料A=1.1，其他材料A=1。 对于多层保温结构 D0=RiSi式中 Ri某一层材料的热阻，（mh）/kcal； Si某一层材料的蓄热系数，（mh）/kcal； R0=Rn+R+Rw式中 R0池壁结构中除掉保温材料外的总热阻，（mh）/kcal； Rw池壁结构外表面热阻，（mh）/kcal，取Rw =0.05。 R=ii式中 i除保温材料外各层池壁结构厚度，m； i除保温材料外各层池壁结构热导率，kcal/（mh）。确定参数：对于消化池顶盖T=7，Rn=0.133，Rw=0.05，k=1，假定池顶结构热惰性指标D03，取A=1.1。计算低限热阻R0d： R0d=TD-TATRnkA=35-（-2.3）70.13311.1=0.780设计保温层厚度、计算各层材料的R、D0：查表可得：钢筋混凝土1=1.33，S1=13.40 R1=11=0.11.33=0.0752 D01=0.075213.40=1.0077 水泥砂浆抹面层2=0.8，S2=8.65 R2=22=0.020.8=0.025 D02=0.0258.65=0.2163 防水层3=0.15，S3=2.85 R3=33=0.010.15=0.067 D03=0.0672.85=0.1910 由于R0=Rn+R+Rw=0.133+0.0752+0.025+0.067+0.05=0.35消化池顶盖保温材料采用加气混凝土，4=0.25，S4=3.2 4=4R0d-R0=0.250.780-0.35=0.1075m取4=110mm。则R4=44=0.110.25=0.44， D04=0.443.2=1.41 校核总的热惰性指标： D0=D01+D02+D03+D04=1.0077+0.2163+0.1910+1.41=2.8253.0与假定的D0相符，保温材料及选定厚度合理。 池壁保温层厚度的计算 消化池池壁采用聚氨酯泡沫塑料作为保温材料，聚氨酯泡沫塑料的热导率B=0.02kcal/(mh)，钢筋混凝土的热导率G=1.33kcal/(mh)。采用简化计算公式。式中 B盖池壁保温材料的厚度，mm； G 消化池池壁混凝土结构层厚度，mm； G 钢筋混凝土的导热系数，kcal/（mh）； B 保温材料导热系数，kcal/（mh）； K3 池壁传热系数，kcal/（mh）。设计中取G=400mm，K3=0.6kcal/（mh），采用聚氨酯硬质泡沫塑料作为保温材料。池壁在地面以上的保温材料延伸到地面以下的深度为冻深加0.5m，即延伸到地面以下0.5m。 池壁在地面以下的部分以土壤作为保温层时，其最小厚度的核算：土壤导热系数为B=1.0 kcal/（mh），K5=0.45 kcal/（mh）设消化池池壁在地面以下的混凝土结构厚度为G=600mm，则土壤的最小厚度保温可以满足要求，故可不加其他的保温措施。 池底以下土壤作为保温层，其最小厚度的核算：消化池池底混凝土结构厚度为G=600mm，则保温厚度池壁保温材料采用聚氨酯硬质泡沫塑料，其厚度经计算分别为27mm，乘以1.3的修正系数，采用50mm，池底保温材料厚度取50mm。二级消化池的保温结构及厚度均与一级消化池相同。 热交换器的计算 消化池的加热，采用池外套管式泥水热交换器。 热交换器的计算包括热交换管长，热源、消化污泥循环量计算。 污泥循环量确定 设计采用一座消化池对应一台热交换器，全天均匀投配。 每个消化池生污泥量QS1=195.5624=8.15m3/h生污泥进入一级消化池前，与回流的一级消化池污泥先混合再进入热交换器，生污泥与回流污泥的比为1:2。回流的消化污泥量QS2=8.152=16.3m3/h污泥循环总量QS=QS1+QS2=8.15+16.3=24.45m3/h 计算污泥出口温度TS 生污泥的日平均最低温度为Ts=14，生污泥与消化污泥混合后的温度为： 污泥循环流量QS=16.296m3/h，污泥出口温度为： TS=TS+QTmaxQS1000=28+215674.1524.451000=36.82 热水循环量Qw 热交换器入口热水温度采用Tw=85，出水温度Tw=75，Tw-Tw=10。 则所需要的热水循环量 热交换器口径确定设计中取内管管径D1选用DN70的钢管，内管外径D=78mm，则污泥在内管中的流速为：=1.76m/s 在1.52.0m/s之间，合格。外管管径D2采用DN110的铸铁管，则热水在外管内管间流速为：在1.01.5m/s之间，合格。 热交换器长度L由以上计算可知，T1=TS-Tw=28-75=47 T2=TS-Tw=36.82-85=48.18 故热交换器长度 式中 D内管外径，m； K传热系数，约为600kcal/(m2h) 故 设每根长4m，则其根数为：根，取8根。 锅炉容量计算 设计选用常压热水锅炉，锅炉供热水量Gw，kg/h。 式中 QTmax总耗热量，kcal/h； T4锅炉内热水水温，约90； T锅炉供水温度； 水比热容，1.0kcal/(m2h)； 锅炉的热效率。 锅炉供水温度取T=5，热效率取80%，则： 4 混合搅拌设备 沼气混合搅拌计算消化池的混合搅拌采用多路曝气管式（气通式）沼气搅拌。沼气经压缩机加压后，通过消化池顶的配气环管，由均布的竖管输入。竖管的喷气出口位置在消化池有效深度的2/3处。 搅拌用气量式中 q单池搅拌用气量，m3/s； q0搅拌单位用气量，m3/min1000m3一般采用57 m3/min1000m3； V消化池有效容积，m3。设计中取q0=6 m3/min1000m3 沼气曝气管管径循环搅拌系统干管和配气环管流速一般为1015m/s，竖管为57m/s。干管流速取v1=11m/s，干管管径d1为：取d1=200mm。每座消化池设20条竖管，竖管流速v2=6m/s，竖管管径d2为： 竖管长度消化池有效深度H=h2/2+h3+h4=1.4+10+1.4=12.8m竖管插入污泥面以下的长度h=2/3H=8.54m 压缩机功率通常一台压缩机对应一座消化池。所需压缩机功率N为： N=VW式中 N沼气压缩机功率，W； V一级消化池容积，m3； W单位池容所需功率，一般取58W/ m3。设计取W=6W/ m3，则： N=VW=26106=15660W=15.66KW5消化后污泥量计算 一级消化后的污泥量一级消化降解了部分可消化有机物，同时一级消化不排除上清液，消化前后污泥含水不变，有下式成立V2P2=V1P1V2(1-P2)=V1(1-P1)(1-PVRdm) 式中 V1一级消化前生污泥量，m3/d； V2二级消化前生污泥量，m3/d； P1生污泥含水率，%； P2一级消化污泥含水率%； Pv生污泥中含有的有机物含量，%一般采用65%； Rd污泥可消化程度，%一般采用50%； m一级消化占可消化程度的比例，%一般采用70%80%。设计中取V1391.11m3/d，P197，m=80%，经计算V2388.06 m3/dP297.76 二级消化后的污泥量消化浓缩后的污泥含水率由一级消化前的97%降至二级消化后的95%，每日二级消化池排除污泥式中 V1生污泥量，m3/d； V3二级消化后污泥量，m3/d； P1生污泥含水率，%； P3二级消化后的污泥含水率，%；设计中P197，P395，V1391.11m3/d 二级消化池上清液排放量 整个消化过程中产生的上清液由二级消化池排除VV1P1-V3P3V=391.110.97-158.400.95228.90m3/d。6 沼气产量 消化池降解的污泥量X=（1-P）V1PVRd式中 X 消化池降解的污泥量，kg/d； P 生污泥含水率，%； V1生污泥含量，m3/d； PV生污泥有机含量，一般采用65%； Rd污泥可消化程度，一般采用50%。 设计中P97，V1391.11m3/d X（1-0.97）391.110.650.510003813.32m3/d。 消化池的产气量q=aX 式中 q消化池甲烷产量，m3/d； a污泥沼气产率，m3/kg污泥，一般采用0.751.10m3/kg污泥。设计中取a=0.9m3/kg污泥，每日产气量q=0.93813.323432m3/d0.0397m3/s 设甲烷体积占沼气体积的52%计。则沼气产量q=34320.5=6864m3/d7 一级消化池的管道系统 进泥管式中 Q 进泥管投泥量，m3/d； Q1投加生污泥量，m3/d； Q2循环污泥量，m3/d，一般采用Q2=（24）Q1； n 消化池个数。设计中取Q2=2Q1，n=2。 Q=(391.11+2391.11)/2=586.67m3/d适当采用间歇用行，每日运行12小时。式中 v1管内污泥流速，m/s； D1投配管直径，m； 设计中为防止污泥堵塞，设计中取D1=200mm 排泥管为了防止消化池中产生正负压变化，在投泥的同时还要进行排泥。式中 Q一级消化池的排泥量，m3/d； v2管内污泥流速，m/s； D2排泥管直径，mm。设计中为防止堵塞，设计中取D2=200mm，一级消化池单池排泥量Q2=194.03m3/d，采用间歇排放，每日运行时间3h，用闸阀控制排泥，出泥口设在池底中央处。 循环出泥管式中 Q2循环污泥量，m3/d； v3管内污泥流速，m/s； D3循环污出泥管直径，mm。 设计中取Q2=2Q1，n=2，采用间歇运行，每日运行12h设计中为防止堵塞，设计中取D2=150mm 取样管在池中不同位置设置取样管，共设4根，DN=50mm。 沼气集气管的设计计算Q=Q1+Q2式中 Q 集气管沼气流量，m3/s； Q1消化池产生的沼气流量，m3/s； Q2搅拌所需沼气流量，m3/s； q 每日产生沼气量，m3/d； a 一级消化池产气量的比率，%，一般采用80%； n 一级消化池数量； v集气管内沼气流速，m3/s； D沼气集气管直径，m。设计中污泥一级消化、二级消化产气量分别是总气量的80%、20%，故 一级消化产气量q1=0.86864=5491.2m3/d 二级消化产气量q2=0.26864=1372.8m3/d设计中取Q2=0.35m3/s，q1=5491.2m3/d，沼气管直径DN=300mm，n=2Q=0.0318+0.33=0.382m3/s集气管内平均流速以5.0m/s计，最大不超过78m/s，符合要求设计中取最高时产气量为平均产气量的2倍，最高时产气量Qmax=2Q1+Q2Qmax=0.03182+0.35=0.414m2/s 溢流管的设计计算为防止池内液为超过限定的最高液位，池内应该设置溢流管，采用溢流管管径DN=200mm。溢流管水封高度采用0.8m，水封的作用是防止池内沼气沿溢流管泄露。8 二级消化池的管道系统 进泥管二级消化池采用一座，采用间歇进泥的运行方式，每日进泥时间3h。式中 Q1进泥管流量，m3/s； V2二级消化池进泥量，m3/d； n 消化池数量； t1 二级消化池每日进泥时间，h； v1管内污泥流速，m/s； D1二级消化池进泥管直