养殖场沼气工程设计毕业设计.doc

中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 I 页 共 页 目录目录 1 前言 1 1 1 能源生态模式 2 1 2 能源环保模式 2 1 3 种养平衡模式 2 1 4 土地利用模式 2 1 5 达标排放模式 3 2 概述 5 2 1 沼气池的类型 5 2 2 各种沼气池的优缺点 5 2 2 1 浮罩式沼气池的优缺点 5 2 2 2 气袋式沼气池的优缺点 5 2 2 3 水压式沼气池的优缺点 5 2 3 沼气池类型的选择 6 3 水压式沼气池的说明 8 3 1 沼气池的设计依据 8 3 2 沼气发酵工艺类型 9 3 3 工艺流程 9 3 4 预处理系统 10 4 工艺设计 12 4 1 沼气池的工作原理 12 4 2 沼气池的设计依据 13 4 3 设计参数 14 4 4 水压式沼气池的构造设计 15 4 5 厌氧发酵间的设计 15 4 6 其他设施的设计 24 5 发酵产物的利用 26 5 1 沼液的用途 26 5 2 沼气的用途 27 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 II 页 共 页 5 2 1 中国沼气发电技术的发展 27 5 2 2 沼气的动力燃烧特性 27 5 2 3 沼气发电系统 29 6 总结 32 7 附录 33 参考文献 34 致谢 36 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 1 页 共 36 页 1 前言前言 近年来 中国畜禽养殖业的发展取得了举世瞩目的成就 特别是改革开放20年以来 随着农村经济体制改革的全面展开和党中央 国务院各项方针政策的贯彻落实 畜禽养 殖业得到了持续快速发展 主要畜禽产品产量连续20 年以10 左右的速度增长 然而 随着中国畜禽养殖业的飞速发展 以及对畜禽养殖污染的严重性和污染治理的必要性认 识不足 很长一段时间中并没有把畜禽养殖业污染治理为环境保护监督管理的内容 也 没有将发展规模化集约化畜禽养殖作为污染防治的一个重要手段 这些造成了中国畜禽 养殖业对环境的严重污染 据环境保护部统计 中国畜禽粪污产生的有机污染负荷 COD 早就超过了工业废水 和生活污水的总和 2008年 中国的畜禽粪便排放量高达27亿吨 对中国的环境安全造 成了巨大的威胁 因此 本文研究分析中国畜禽养殖场废弃物处理工程模式应用现状 按照减量化 无害化 资源化 生态化的原则 提出畜禽养殖场废弃物资源化的应对对 策 以实现农业生态系统的良性循环 工程模式与工艺技术路线是大中型养殖场粪污综合处理工程建设的关键 工程模 式与工艺技术路线选择是否合理直接关系到工程的处理效果 运行稳定性 投资效益 运转成本和管理操作水平等 因此必须结合实际情况 综合考虑各方面因素 慎重选择 适宜的处理模式及工艺技术路线 以达到最佳的处理效果和经济效益 我国每年有6亿余吨畜禽粪便及大量有机废弃物成为水体污染源 畜禽养殖废弃物 的任意排放对环境造成了较严重污染 通过沼气工程建设 可极大促进沼气工程产业 化发展 可有效消除畜禽粪便污染 保护生态环境 同时生物质能属于可再生能源 基本上可以实现二氧化碳零排放 大中型沼气工程的产品为沼气 沼渣和沼液 沼气 可做天然气的替代品或直接发电 沼渣可干燥后造粒 制成有机肥施用 沼液经养分 调节后可做叶面肥 沼气发电技术在中国的研究与应用已有几十年的历史 国内有一大批科研单位 高等院校和生产企业都先后从事了沼气发电技术的研究及发电设备的开发 国内进行 研究和生产的单位主要有四川省农机院 上海内燃机研究所 上海711所 浙江大学 中科院广州能源所 中国农机院 泰安电机厂 天津大学 农业部沼气科学研究所 潍坊柴油机厂 济南柴油机厂 重庆红岩机器厂和胜利动力机械有限公司等 在研究开发初期 主要是针对农村户用沼气池生产的沼气对小功率的内燃机进行 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 2 页 共 36 页 改造来生产电力 改造后的设备包括使用单一沼气燃料的和使用沼气一柴油混合燃料 的两种类型 进入新世纪以来 大型沼气工程的发展为大功率沼气发电机组的开发应 用提供了基础条件 在引进国外沼气发电机组的同时 一些发动机生产厂家也相继改 装和生产出单机功率较大的沼气发动机 并应用于许多大中型沼气工程中 取得了良 好的环境和经济效益 从技术层面来看 中国的沼气发电技术研究和应用主要集中在 内燃机系列上 一般是对柴油机或汽油机进行较浅层次的改进 对改装后的发动机的 热工性能研究不深 没有形成规模化的生产能力 虽然也设计和建造了一些沼气发电 项目并获得成功 但在总体上尚处于试点示范阶段 沼气发电设备的生产设计水平和 整体性能质量落后于国外设备 电力生产效率和能源综合利用效率有待于进一步提高 从管理层面来看 由于过去缺乏有效的鼓励政策 沼气发电的市场容量十分有限 阻 碍了沼气发电技术的发展 随着中国可再生能源法在2006年1月1日开始实施 沼气发 电的外部环境将得到大大改善 目前 中国畜禽养殖场废弃物处理的基本工程模式包括能源生态模式 能源环保模 式 种养平衡模式 土地利用模式 达标排放模式五种 1 1 1 能源生态模式能源生态模式 该模式依靠现代化的设备组成比较完善的处理系统 将畜禽粪便经过一系列的生物 发酵处理 产生沼气 最大限度地回收能源 以能源开发 供热 发电 为核心 以沼液 沼渣的综合利用为纽带 以多种设施农业利用为依托 大幅度提高畜禽养殖场废弃物综 合利用效益 消除畜禽养殖场废弃物造成的环境污染 1 2 能源环保模式能源环保模式 该模式是先对畜禽场粪便进行固液分离 固体部分厌氧处理后制成沼气供热或发电 液体部分处理后达标排放 该模式不能使资源得到充分利用 并且工程和运行费用较高 1 3 种养平衡模式种养平衡模式 在耕地较多的地方 遵循生态学的原理 通过按土地规模确定畜禽养殖规模 以土 地消纳畜禽粪便 制定并实施科学规划 用畜禽粪便作为种植业的有机肥料 将畜禽粪便 密闭存放腐熟后就地还田 1 4 土地利用模式土地利用模式 该模式是建立有机肥厂 先对畜禽场粪便进行固液分离 将其中干物质进行堆肥发 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 3 页 共 36 页 酵 生产商品有机肥 销售到更远的地区 实现在更大区域内的种养平衡 再利用人工 或天然的湿地 厌氧消化系统对污水进行净化处理 通过资源化处理畜禽粪便和污水 实现畜禽养殖场环境效益和经济效益的双赢 1 5 达标排放模式达标排放模式 对于那些耕地少 土地消纳量小 又不具备沼气发电或生产有机复合肥条件的地方 而当地是必须就地发展畜禽养殖业的区域 则须建设污水处理工程 对集约化养殖场产 生的废水进行工程化处理 实现达标排放 产生的固体废弃物应按照有关法规 标准综 合利用生产有机复合肥或进行减量化 无害化处理和处置 2 以上五种模式中 种养平衡模式和土地利用模式资金投入相对最小 能源生态模式 的产出投入比最大 经济效益和环境效益明显 能源环保模式次之 达标排放模式主要 目的是实现污染物达标排放 资金投入最大 经济效益较低 各种不同模式的比较分析 见表1 1 表1 1 不同模式的比较分析 类别优点缺点 能源生 态模式 占地少 能源回收率和资源综合利 用率高 经济效益好 不产生环境污 染 前期投入大 对操作人员技术要求高 能源环 保模式 污水达标排放 生产有机肥 又可 生产沼气 供热或发电 投资很大 运行费用高 对操作人员技术要求高 种养平 衡模式 投资少 无需专人管理 需要大面积土地 施肥时要选择适当的时机 且粪肥 量受到限制 可能污染地下水并对大气产生一定的 污染 土地利 用模式 投资少 运行费用低 不耗能占地面积大 能源回收率低 可能污染地下水 达标排 放模式 污水排放完全达到国家标准投资较大 运行费用较高 经济效益低 规模化畜禽养殖场一般指达到一定生产规模的大型畜禽养殖生产企业 据统计 中 国规模化 万头 只 以上禽畜养殖场达8万多个 每年排放的粪便及粪水等总量就超过 20亿吨 再加上集约化企业生产过程中的冲洗水和私宰乱屠的污水等10亿吨左右 预计 到2012年 粪便排放量将达45亿吨 畜禽粪便中含有机氮 磷量分别为1597万吨和363 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 4 页 共 36 页 万吨 相当于中国同期化肥使用量的78 9 和57 4 3 为遏止由畜禽粪便造成的日趋严重的污染状况 改善生态环境 同时使粪便这种农 业废弃物资源化 在规模化畜禽养殖场采用能源生态模式是一条切实可行的路子 该模 式按照减量化 无害化 资源化 生态化产的原则 选用先进处理工艺治理后 将处理 后沼渣和沼液分别制成固体有机无机复合肥和液体有机无机复合肥 固体有机无机肥可 作为农作物的底肥或追肥 液体有机无机复合肥可作为叶面肥或滴灌施肥 形成养殖 沼气 肥料 养殖生态模式 整个工程是一个可持续发展的生态环保能源工程 沼气 可以用来发电 这样能被很好的利用 注重资源综合开发利用和生态平衡 利用现代科 学技术 通过人工设计生态工程 协调发展与环境之间 资源利用与保护之间的关系 形成生态上与经济上的两个良性循环 4 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 5 页 共 36 页 2 概述概述 2 1 沼气池的类型沼气池的类型 按照发酵间的结构形式有圆形池 长方形池 坛形池和扁球池等多种 按贮气方 式有气袋式 水压式和浮罩式 按照埋没方式可有地下式 半埋式和地上式 这里按 照贮气方式来分类 5 2 2 各种沼气池的优缺点各种沼气池的优缺点 2 2 1 浮罩式沼气池的优缺点 优点 沼气压力较低而且稳定 一般压力为 2 2 5kpa 即 20 25 厘米水柱 1 有利于沼气灶 灯燃烧器具的稳定使用 有效地避免水压表冲水 活动盖漏气和出料 间发酵液流失等故障的发生 发酵液不经常出入出料间 保温效果好 利于沼气细菌活动 产气效率高 2 由于发酵池与贮气浮罩分离 沼气池可以多装料 其发酵容积比同容积的水压 3 式池增加 10 以上 浮渣大部分被池拱压入发酵液中 可以使发酵原料更好地发酵产气 因为装满 4 料 混凝土池壁浸水后 气密性大为提高 致使产气率较高 一般比水压式池型提高 30 左右 缺点 占地面积大 建池成本高 比同容积的水压式池型增加 30 左右 施工 难度大 出料困难 2 2 2 气袋式沼气池的优缺点 优点 气袋式沼气池压力较低 对防渗漏要求不高 沼气池发酵料液不会随沼气 的 多少而波动 缺点 气袋材料价格贵 容易老化 寿命不长 沼气压力太低 难以用来 1 2 煮 饭 点灯 若要满足使用要求 需要在气袋上施加重力 使其具有一定的压力 2 2 3 水压式沼气池的优缺点 优点 池体结构受力性能良好 而且充分利用特让的承载能力 所以省工省料 1 成本比较低 适于装填多种发酵原料 特别是大量的作物秸秆 2 为便于经常进料 厕所 猪圈可以建在沼气池上面 粪便随时都能打扫进池 3 沼气池周围都与土壤接触 对池体保温又一定的作用 4 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 6 页 共 36 页 缺点 由于气压反复变化 而且一般在 4 16kPa 压力之间变化 这对池体强度 1 和灯具 灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利影响 由于没有搅拌装置 池内浮渣容易结壳 又难于破碎 所以发酵原料的利用率 2 不高 池容产气率偏低 一般产气率仅为 0 20 m3 m3 d 左右 由于活动盖直径不能加大 对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说 大出料工作 3 比较困难 6 2 3 沼气池类型的选择沼气池类型的选择 设计与 模式 配套的沼气池 制定建池施工方案 必须考虑下列因素 产 1 选择池基应考虑土质 建造沼气池 选择地基很重要 这是关系到建池质量和池 子寿命 的问题 必须认真对待 由于沼气池是埋在地下的建筑物 因此 与土质的好 坏关系很大 土质不同 其密度不同 坚实度也不一样 容许的承载力就有差异 而 且同一个地方 土层也不尽相同 如果土层松软或沙性土或地下水位较高的烂泥土 池基承载力不大 在此 处建池 承受不了 必然引起池体沉降或不均匀沉降 造成池 体破裂 漏水漏气 一般自然土层 每平方米容许承载力都超过 10 吨以上 在这样的 自然土层上建造沼气池 是没有 什么问题的 因此 池基应该选择在土质坚实 地下 水位较低 土层底部没有地道 地窖 渗井 泉眼 虚土等隐患之处 而且池子与树 木 竹林或池塘要有一定距离 以免树根 竹根扎入池内或池塘涨水时影响池体 造 成池子漏水漏气 北方干旱地区还应考虑池子离水源 和用户都要近些 若池子离用户 较远 不但管理 如加水 加料等 不方便 输送沼气的管道也要很长 这样会影响沼气 的压力 燃烧效果不好 此外 还要尽可能选择背风向阳处建池 产 2 设计池子应考虑荷载 确定荷载是沼气池设计中一项很重要的环节 所谓荷载 是 指单位面积上所承受的重量 如果荷载确定过大 设计的沼气池结构截面必然过大 结果用料过 多 造成浪费 如果荷载确定过小 设计的强度不足 就容易造成池体破 裂 荷载的计算标 准一般为 池身自重 按混凝土量计算 每立方米为 2 5 吨左右 拱 顶覆土每立方米为 2 吨左右 池内发酵原料每立方米容积为 1 2 吨左右 沼气池产气 后池内每平方米受压为 1 吨左右 此外 经常出现在池顶的人 畜等压力以最大量考 虑为 1 吨左右 所以 地基和承载力至少不能 小于每平方米 8 吨 产 3 设计池子应考虑拱盖的矢跨比和池墙的质量 建造沼气池 一般都用脆性材料 受压性 能较好 抗拉性能较差 根据削球形拱 盖的内力计算 当池盖矢跨比在 1 5 35 时 是池盖的环向内力变成拉力的分界线 大 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 7 页 共 36 页 于这个分界线 若不配以钢筋 池盖则可能破裂 因此 在设计削球形池拱盖时矢跨 比 即矢高与直径之比 矢高指拱脚至拱顶的垂直距离 一般在 1 4 1 6 之间 在设计反 削球形池底时矢跨比为 1 8 左右 具体的比例还应根据池子大小 拱盖跨度及施工条件 等决定 注意在砌拱盖前要砌好拱盖的蹬脚 蹬脚要牢固 使之能承 受拱盖自重 覆土和其他荷载 如畜圈 厕所等 的水平推力 一般说来 一个直径为 5 米 矢 跨比为 1 5 厚度为 10 厘米的混凝土拱盖 其边缘最大拉力约为 10 吨 以免出现裂缝和下 塌的危险 其次 池墙质量必须牢固 池墙基础 环形基础 的宽度不得小于 40 厘米 这 是工程构造上的最小尺寸 基础厚度不得小于 25 厘米 一般基础宽度与厚度之比 应在 1 1 5 2 范围内为好 根据上述描述 再根据实际情况我选择水压式沼气池作为养殖场沼气工程设计的 池型 7 3 水压式沼气池的说明水压式沼气池的说明 3 1 沼气池的设计依据沼气池的设计依据 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 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 8 页 共 36 页 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 3 水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是最低液面 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 11 养殖废水属于高浓度有机废水 若按常规方法处理 则投资大 工艺复杂 管理 繁杂 运行费用高 且处理效果并不理想 近年来 已有部分学者对养殖粪污处理进 行了相关报道 开发出了一些适宜的工艺 安徽合肥庐江某农业开发有限公司的养鸭基地是一个小规模的私人种肉鸭养殖基 地 常年存栏祖代种 肉鸭共1万只 年出栏父母代种鸭苗4万只 鸭粪平均产量为1 2 t d 冲粪水为6m d 笔者设计采用混合生物制肥 沼液养鱼 生态鱼塘 鱼塘水回 用和沼气利用的粪污处理工艺 8 3 2 沼气发酵工艺类型沼气发酵工艺类型 1 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 采用半批量方式投料 基本流程图 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 9 页 共 36 页 如图 3 3 所示 原料选择原料欲处理配料 加活性污泥 入池发酵产气大出料 定期出料送农田 自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程 图 3 1 半批量方式投料流程图 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 该工艺主要缺点使是出料操作劳动量大 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 所以我们选择的是自然温度连续投料发酵工艺 9 3 3 工艺流程工艺流程 根据养鸭场废水的水质特性 设计采用固液分离一厌氧生物技术和生态循环利用 模式 该模式由预处理系统 有机肥生产系统和资源化生态利用系统等组成 主要工 艺流程见图3 4 设计出水水质达到 城市污水再生利用城市杂用水水质 标准 GB T 18920 2002 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 10 页 共 36 页 图3 2 鸭粪处理工艺流程 该处理工艺的主要特点如下 遵循以零排放为主 综合利用为辅的治理原则 综合利用鸭粪和粪水中的可回收物质和能源 鸭粪及粪水中的有机废物经过压滤后 发酵制成有机肥或有机复合肥 废水经中温发酵工艺处理后产生的沼气可作为区域的 补充能源 同时将沼液注入生态鱼塘 避免了二次污染 生态鱼塘结合水生植物 去除了沼液中的N P等污染物质 同时水生植物又可以为有机肥的生产提供原料 并 且鱼塘养鱼又可为公司带来一定的经济效益 沼气可以用来发电 同样可以带来收益 同时减轻能源短缺的压力 10 3 4 预处理系统预处理系统 1 工清扫固态物与格栅分离 在处理系统中除实行人工清扫固态物外 还在废水排入口处设置格栅 分离去除 粪水中的固态物 以防堵塞水泵和影响后续处理单元的正常运行 格栅为砖混结构 尺寸为1 5 m 1 5 m 0 6 m 格网尺寸为15 25 mm 格栅倾角为50 70 2 固液分离设备 采用固液分离机 主要由渣液振筛分离系统 铝合金 出渣挤压系统 自动冲洗系 统 电气控制系统构成 辅助部分有搅拌机 废水送料泵 经固液分离机分离后的粪 渣含水量在30 左右 对化学耗氧量 总耗氧量 氮 磷的去除率为70 一95 有 效减少了固态物的入池量 3 调节池 调节池对鸭场废水进行混合 储存和调节 起到初步酸化水解作用 以满足厌氧 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 11 页 共 36 页 发酵工艺的技术要求 采用砖混结构 其容积按20 d的水力停留时间设计 11 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 12 页 共 36 页 4 工艺设计工艺设计 4 1 沼气池的工作原理沼气池的工作原理 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 4 1 21 HHH 式中 H 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 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 13 页 共 36 页 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 12 图4 1 水压式沼气池初始工作状态 图4 2 水压式沼气池极限工作状态 4 2 沼气池的设计依据沼气池的设计依据 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 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 H1 H2 H 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 14 页 共 36 页 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 3 水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是最低液面 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 14 4 3 设计参数设计参数 设计水压式沼气池 除了掌握上述依据外 还需要掌握沼气发酵工艺中的有关参 数 主要参数有 1 气压 由于沼气燃烧器 包括沼气灯和沼气炉 灶等 需要在额定的压力范围内 才能进行正常工作 因此在设计时应考虑气压值的大小 根据我国农村的具体情况 水压式沼气池的设计气压为 7840Pa 即 80cm 水柱 为宜 气压过高容易损坏池体 造成渗漏 气压过低则不便沼气的输送和使用 同时会造成水压间占地面积过大 2 池容产气率 即每立方米发酵间每昼夜的产气量 m3 m3 d 它反应沼气池在一 定条件下生产沼气的能力 在常温半连续发酵的条件下 池容产气率是在不断变动的 作为设计参数的池容产气率仅仅是为了设计的需要而估计确定的一个参数 根据我国 实际 水压式沼气池通常采用的池容产气率有 0 15 0 2 0 25 0 3 几种 我们选择适 合的 这里以 0 2 m3 m3 d 为标准 3 贮气量 水压式沼气池的贮气量是指气箱内的最大贮存沼气量 它是根据沼气池 的产气情况和用户用气情况而确定的 经过分析和验证认为 最大贮气量以 12 小时产 气量为宜 由于贮气量等于排出的料液量 因此它也等于有效水压间的容积 4 池容 指的是发酵间的容积 它是根据家庭人口数 养殖场鸭子的数量和池容产 气率来确定的 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 15 页 共 36 页 5 投料率 指的是最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比 投料率的大小 确定了无效气箱的多少 投料率越大 无效气箱越小 则所建沼气池越经济 但要注 意 投料率不能为 100 这是因为安装导气管时 为避免蛆虫爬进造成堵塞 导气管 应露出活动盖下口 3 5cm 同时 为避免料液或者浮渣堵塞导气管 液面应低于导气 管 15 20cm 因此 投料率一般在 85 95 之间为好 15 4 4 水压式沼气池的构造设计水压式沼气池的构造设计 1 发酵间设计 水压式沼气池发酵间设计可按下列步骤进行 确定池容 池容的大小主要取决于家庭人口数 养殖场鸭子的数量和预计池容产气率 其相 互关系为 n n k n T 式4 1 1 V 1223 V1 5 0 006 10000 0 0006 0 80 0 000 20m 96 48 m 式中 V1 发酵料液的体积 m n1 产人粪便总量 按 5 人 0 006 人 d 取值 n2 产牲畜粪便总量 按 1 万只鸭 0 0006 只 d 取值 n3 每日舍外能定量收集粪便总量 m d 取 0 000 K2 收集系数 取值 0 80 T 原料停滞期 d 平坝农业区取 20 2 气室容积的计算 V2 1 2 V1 k3 式 4 2 式中 V1 发酵料液体积 m V2 气室容积 m K3 原料产气率 本次试验为 0 2 为常温下产气率 V2 1 2 96 48 0 2 9 648 m 12 4 5 厌氧发酵间的设计厌氧发酵间的设计 1 发酵间的容积 V V1 V2 k1 式 4 3 式中 V 发酵间的容积 m 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 16 页 共 36 页 V1 发酵料液体积 m V2 气室容积 m K1 容积保护系数 取 0 9 1 05 本次设计取 K1 1 0 V 96 48 9 648 1 0 106 13m 所以要设计的发酵间体积要大于 106 13 m 所以我选择设计 125 m 的发酵间 2 确定贮气量 产产产产 产产产 2 1 产 产产产产 2 1 产产产 0 5 12 5m 1252 0 3 计算发酵间容积 式 4 4 3 3 6 1 1 2 1 2 1 2 11 f rffRfV 式 4 5 3 3 6 2 2 2 2 2 2 2 22 f rffRfV 式 4 6 HRV 2 3 式 4 7 2 1 2 1 2 1 1 fR f r 式 4 8 2 1 2 2 2 2 2 fR f r 图 4 3 发酵间的尺寸标注 综合圆筒型沼气池的内力结构计算 材料用量计算和施工管理 使用技术等种因 V1 V2 V3 r1 r2 R f1 f2 D H 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 17 页 共 36 页 素 一般认为 当池盖矢跨比 池底矢跨比和池身高时 沼气 5 1 1 D f 8 1 2 D f 5 2 D H 池的尺寸比例比较合理 这样 一旦发酵间某一尺寸被确定以后 我们即可以计算出其它部分的尺寸和发 酵间各部分的容积 16 我们还可以用合理尺寸比例来确定已知容积的发酵间各部分尺寸 利用合理尺寸比例和容积计算公式可以得出 3 1 0827 0 DV 3 2 0501 0 DV 3 3 3142 0 DV 因为发酵间容积 所以 因此可以得一计算公式 321 VVVV 3 4470 0 DV 式 4 9 3 4470 0 V D 即 3 3078 1 VD 1 3078 6 6 m125 式中 D 发酵间的半径 m V 发酵间的体积 m 3 发酵间各部分尺寸确定 沼气池的直径根据题目要求及经验和平面设计 确定为 6 6m 1 发酵间池盖削球体矢高和净容积 池盖削球体矢高 1 f1 D a1 式 4 10 式中 f1 池盖削球体矢高 m D 圆柱体形池身直径 m a1 直径与池体矢高的比值 取值范围 5 6 取 5 f1 6 6 6 1 1 m 池盖削球体净容积 2 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 18 页 共 36 页 Q1 f1 3R2 f12 式 4 11 6 式中 Q1 池盖削球体净容积 m3 圆周率 取 3 14 f1 池盖削球体矢高 m R 池身圆柱体内半径 m 则 Q1 3 14 6 1 1 3 3 32 1 12 19 50 m3 2 发酵间池底球体矢高和净容积 池底削球体矢高 1 f2 D d2 式 4 12 式中 f2 池底削球体矢高 m D 池身圆柱体直径 m d2 直径与池底矢高的比值 取值范围 8 10 取 8 那么 f2 6 6 8 0 825 m 池底削球体净容积 2 Q3 f 2 3R2 f22 式 4 13 6 式中 f2 池底削球体矢高 m Q3 发酵间池底削球体净容积 m 圆周率 取值 3 14 则 Q3 3 14 6 0 825 3 3 32 0 8252 14 40 m 3 发酵间池身圆柱体容积和池墙高度 发酵间池身圆柱体容积 1 Q2 V Q1 Q3 式 4 14 式中 Q1 池盖削球体净容积 m V 发酵间总容积 m Q2 发酵间池身圆柱体容积 m Q3 发酵间池底削球体净容积 m Q2 125 14 40 19 50 91 10 m 发酵间池身圆柱体高度 2 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 19 页 共 36 页 H Q2 R2 式 4 15 式中 圆周率 取值 3 14 R 发酵间池身圆柱体半径 m H 发酵间池身圆柱体高度 m H 91 10 3 14 3 32 2 67 m 4 发酵间内总面积 S S1 S2 S3 式 4 16 式中 S 内总表面积 S1 池盖削球体内表面积 S2 池身圆柱体内表面积 S3 池底削球体内表面积 盖削球体球面内表面积 1 S1 R2 f12 式 4 17 式中 S1 池盖削球面内表面积 m R 池身圆柱体半径 m f1 池盖削球面矢高 m 圆周率 取值 3 14 S1 3 14 3 32 1 12 38 0 圆柱体池身内表面积 2 S2 2 RH 式 4 18 式中 S2 池身圆柱体内表面积 R 池身内圆柱体内半径 m H 池身圆柱体高度 m 圆周率 取值 3 1416 S2 2 3 14 2 67 3 3 55 33 池底削球体内表面积 3 S3 R2 f22 式 4 19 式中 S3 池底削球体内表面积 f2 池底削球面矢高 m 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 20 页 共 36 页 R 池身圆柱体内半径 m 圆周率 取值 3 14 S3 3 14 3 32 0 8252 36 33 发酵间总表面积 4 S 38 0 55 33 36 33 129 66 17 4 确定进出料管安装位置 进出料管位置的安装是否恰当 对沼气池的发酵和产气都会有很大的影响 水平 位置安装不恰当 会引起发酵原料利用不充分 竖直位置安装错误 会引起跑气或者 压力过高等现象 水平位置的确定 1 目前水压式沼气池进 出料管的水平位置一般均确定在发酵间直径的两端上 这 种对称布置使进出料口之间的距离最远 对于保证发酵原料在池内的滞留期和流动的 均匀性都有很大的好处 可以减少发酵原料的短路和发酵出现死角的现象 竖直位置的确定 2 压强控制法 限压法 该种方法是将进 出料管位置确定在发酵间的最低设计液面高度上 这样 当池 内贮气量达到最大设计贮气量 同时 池内也达到了最高设计压强 时 进 出料管 口的上沿即开始露出液面 如果继续产气 则所产沼气即从进 出料管逸出池外 保 持池体内的压强始终在设计压强范围之内 这种方法的优点在于能自动限压 保护池 体的安全 缺点是进 出料口位置偏高 用肥时不易取出较稠的料液 压强控制法计算进 出料口竖直位置的方法如下 A 计算死气箱拱的矢高 即池盖拱顶点到发酵间最高液面位 O O 位置的距离 h1 h2 h3 fs 图 4 4 死气箱拱的矢高 如图 4 4 所示 死气箱拱的矢高 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 21 页 共 36 页 321 hhhfs 式中 h1 池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离 计算可得 计算过程从略 对于 65cm 直径的活动盖该值在 10 15cm 之间 h2 导气管下露出长度 为保证不让蛆虫等爬入导气管内使导气管堵塞 该值取 3 5cm h3 导气管下口到 O O 液面为的距离 由于池内浮渣会逐渐加厚 实际 液面要高出 O O 液面 因此要求 h3必须大于 15cm 一般可取 20 30cm B 计算死气箱容积 式 4 3 1 2s ss f rfV 20 5 5m 2 1 2 1 2 1 1 fR f r 1 13 3 1 12 1 22 Vs 3 14 14 68m 3 95 0 5 5 95 0 2 式中 Vs 死气箱容积 fs 死气箱矢高 r1 池盖曲率半径 根据死气箱容积 可计算出沼气池投料率 式 4 21 100产产产 V VV s 100 125 68 14125 88 26 C 计算最大贮气量 2 1 产产 产产产产产产产 产产产 125 12 5m 2 1 2 0 D 计算气箱总容积 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 22 页 共 36 页 式 4 22 Cs VVV 气 14 68 12 5 27 18 m 式中 V气 沼气池气箱总容积 VC 沼气池有效气箱容积 即最大贮气量 E 计算发酵间最低液面 A A 即极限工作状态 先比较 V气和 V1 池盖容积 当 V气 V1时 A A 液面在圆筒形池身范围内 A 当 V气 V1时 A A 液面在池盖范围内 B 当 V气 V1时 A A 液面恰好在池盖和池身交接平面上 C 大多数沼气池是属于种状况 只有在池容产气率较低 沼气池效益很差的情况 A 下出现状况 至于纯属巧合 B C 在状况时 要确定进 出料管的安装位置 应首先算出气箱在圆筒形池身部分 A 的容积 m 82 4 68 14 5 19 1 V 27 18 4 82 22 36m 式中 V筒为气箱在在圆筒形池身内所占的容积 由于 V筒 R2h筒 式中 h筒 圆筒形池身内气箱部分的高度 R 圆筒形池身半径 因此 0 65m 2 R V h 2 3 314 3 36 22 A A 液面位在池盖与池身交接平面以下 h筒的位置上 该位置也就是进 出料管上 口的安装位置 中层出料安装法 这种安装法是将是进 出料管安装在圆筒形池身墙中部偏下的位置 这要比用压 强控制法计算出的位置低约 20cm 左右 这样安装进 出料管 便于中层出料 有利于卫生 因为上层料液多浮渣 消化 率低 灭菌效果差 底层料液由于沉淀 寄生虫病卵较多 中层料液虫卵少 消化情 况也较好 因此从卫生角度来看 中层出料最为理想 在采取中层出料安装法时 池内压强有时可能高于设计压强 不利于池体安全 1 VVV 气气 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 23 页 共 36 页 因此 在应考虑沼气池的减压安全保护措施 常见的安全保护措施一是加大池体结构 的安全系数 二是采用其它形式的限压装置 如可以控制气压计玻璃管的高度 当气 压过大时会将气压计水柱冲出 达到减压保护池体的作用 农村家用水压式沼气池标准图集 GB4750 84 进 出料管采用的是中层出料 安装法 以上两种方法各有利弊 在实践中最好的办法是将两种方法结合起来 即用压强 控制法来确定进料管安装位置 而出料管的位置则采用中层出料安装法来确定 这样 既能保证池内压力不会超过设计压强 又能保证中层出料 有利于除害灭病 方便取 肥用肥 2 水压间设计 水压间兼有对池内沼气加压 贮肥以及便于出料等多种功能 设计合理水压间的 要求是 无效水压间容积是零 当水压间中料满时 气箱内的沼气压强恰好等于设计 压强 要做到以上两条 在设计水压间时必须确定三个尺寸 1 水压间底面标高 由于当水压间底面恰好与发酵间初始状态 O O 位置相平时 水压间无无效容积 因此 将水压间底面标高确定在此位置上最为理想 2 水压间高度 因为沼气池内设计压强是沼气池在最大贮气量时发酵间内的液面下降值和水压间 的液面上升值之和产生的压强 此时 水压间液面达到了最高位置 即 B B 液面 因此取此位置作为水压间顶面是最经济 最合理的 3 水压间的容积 由于从池内压出的料液量等于池内的贮气量 因此 水压间的容积等于池内最大 贮气量 3 水压间设计的方法 下面用一些公式来说明水压间的设计方法 1 求水压间底面标高 根据计算 O O 位置在池盖拱顶下 fs处 因此底面标高应确定在池盖拱顶下 fs处 2 求发酵间最大液位降 H1 即 O O 面与 A A 面间的距离 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 24 页 共 36 页 根据计算 A A 面在发酵间圆筒形池身墙下 h筒处 所以 A A 面距池盖拱顶距离为 f1 h筒 所以 发酵间最大液位降 H1 f1 h筒 fs 式 4 23 1 1 0 65 0 95 0 8m 3 求水压间高度 H2 因为设计压强为 H 厘米水柱 所以 H2 H H1 H1 h筒 fs H 0 8 式 4 24 H1 0 65 0 95 2 67 0 8 3 47 m H 3 8m H2 H H1 2 8 0 8 2 0 m 4 求水压间平面面积 S 因为 水压间的容积等于最大贮气量 VC 所以 式 4 25 2 H V S c 25 6 0 2 5 12 5 求水压间平面的形状 长 宽或圆的半径 若水压间平面是正方形或长方形 根据水压间平面面积和施工场地即可确定其边长 若水压间平面是圆形 则平面圆的半径 r 为 m S r 41 1 14 3 25 6 水压式沼气池的尺寸设计完成 19 4 6 其他设施的设计其他设施的设计 1 沼气发酵利用系统 养鸭场废水处理采用传统的沼气池发酵 产生的沼气用于鸭舍的保温和鸭场的生 产生活 剩余沼气用于发电 以供鸭场其他设备的正常运行 可减少鸭场的能源消耗 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 25 页 共 36 页 该系统主要由沼气发酵池 沼气储柜及沼气输配系统构成 沼气发酵池 鸭场粪便冲洗水经过固液分离后 进入沼气发酵池 其水量为6m d 粪水COD约 为5000 mg L 发酵后沼液COD 500 mg L 结合当地气象情况 设计发酵时间为20d 则该鸭场需建设125m 的沼气发酵池 为此拟建1座125m 的沼气发酵池 自动升降水压 式 地下式砖混结构 储气柜 根据鸭场排放粪污量 0 25 t d 粪污入池率取30 原料产气率取0 2 m kgTS 发酵温度为20 25 则鸭场沼气产量为12 5m d 采用浮罩式储气柜 钟罩内设置安 全泄压孔 罐内正常工作压力为4 kPa 水封池为圆柱体钢筋混凝土结构 储气柜主要 参数 水封池尺寸为1 5 2m 钢混结构 钢结构 沼气输配系统 采用专业管线 聚乙烯管 及配套设备输送沼气 聚乙烯管规格为DN20 长度为 1500m 在储气柜后设置脱硫塔和气水分离设备 2 有机肥生产系统 固体有机肥料生产车间的平面尺寸为5 m 14m 砖混结构 内设有机肥发酵池 干燥区 原料堆放区 包装设备等 有机肥发酵池1座 砖混结构 辅助设备包括烘干机l台 板框压滤机l台 粉碎机l 台 打包机1台 7 3 生态鱼塘 沼气发酵池每天产生沼液约6m 分别从生态鱼塘的三个方向6个入口进水 按消 纳沼液体积占生态鱼塘蓄水体积的0 02 计算 则生态鱼塘的容积为40000 m 平均水 深为2 m 将20000 的水面分成5个小塘 每个小塘的面积约为4000 鱼塘内水流方向为折流式 水生植物养殖区和养鱼区交叉分开 鱼类养殖以鲢鱼 草鱼为主 养殖量约为250 kg 667 a 水生植物选择 挺水植物 芦苇 菖蒲等 既可以去除沼液中的N P等营养物质 又可为有机肥生产提供原料 浮水植物 满 江红 可作水稻绿肥和鱼类的饲料 莼菜 药用价值极高 水浮莲 浮萍 对N P等营 养物质的去除效果明显 生态鱼塘在消纳沼液的同时每天也可以提供6 m 的鸭舍地面 冲洗水 节约了水资源 中北大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 26 页 共 36 页 4 处理效果 工程建成后 连续试运行90 d 各工段运行良好 废水经固液分离后水质有所好转 对COD BOD5 SS NH3一N都有一定的去除 在沼气厌氧发酵池发酵20 d后 水质 有较大改善 COD BOD SS去除率均达到80 以上 生态鱼塘对 COD BOD5 SS NH3一N的去除率分别为86 8 88 9 92 3 98 2 生态鱼塘出水水质基本达到了 城市污水再生利用城市杂用水水质 GB T 18920 2002 标准 该工程有机肥料产量为100t a 产生的有机肥全部外卖 鲜鱼产量为2450 kg a 全部外卖以及提供给业主所在公司的餐饮连锁店 沼气产量为25 0m d 用于养 鸭场的照明 剩余沼气由当地农村能源办公室免费接线提供给当地农户使用 5 发酵产物的利用发酵产物的利用 5 1 沼液的用途沼液的用途 沼液是人们广为熟知的一种速效性有机肥料 随着新农村建设的步伐 人们发展 沼气生态农业的热情越来越高 沼气池建设迅速发展 沼气肥产出量随之日益增多 沼液的用途也逐渐被群众开发利用 现把沼液的几种用途介绍如下 1 浸种 沼液用于浸种能使种子内部酶的活动得到激发 促进胚细胞分裂 刺激生 长 调控生长基因 用沼液浸过的有壳种子 发芽率达 98 以上 成活率可提高 16 其方法为 用完好无损的编织袋 装好种子扎口后放入桶装沼液中 浸泡 24 小 时取出后用清水反复漂洗数遍后再去催芽 须注意的是 种子必须全干燥且无外伤 浸种的沼液必须有 50 天的时间 在持续运转的沼气肥中存储发酵 2 种蘑菇 用沼液作蘑菇的生物助长激素 不仅可以