沼气毕业设计正文(2).doc

XX大学毕业设计 v2 v12.0m/h , 符合要求确定上下集气罩相对位置及尺寸：BC=CE/cos55=1.4mh4=1.0mDK=(CFb2)/2=0.96mDL=DK+KL=1.62mIL=LD/sin35=2.82mBE=CEtan55=1.43m AB=AEBE=1.39mDG=FDsin55=1.14mh5=DG+DI=1.14+2.82sin55=3.45mb CEBAFKDGHIL图3.6 三相分离器设计计算图 c.气液分离设计由图可知，欲达到气液分离的目的，上、下两组三角形集气罩的斜边必须重叠，重叠的水平距离（AB的水平投影）越大，气体分离的效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离效果的影响会越小。所以，重叠量的大小是决定气液分离效果好坏的关键。由反应区上升的水流从下三角形集气罩回流缝过渡到上三角形集气罩回流缝再进入沉淀区，其水流的状态比较复杂。当混合液上升到A点后将沿着AB方向斜面流动，并设流速为va，同时假定A点的气泡以速度vb垂直上升，所以气泡的运动轨迹将沿着va和vb合成速度的方向运行，根据速度合成的平行四边形法则，有：要使气泡分离后进入沉淀区的必要条件为：气泡上升速度vb与其直径、水温、液体和气体的密度、废水的粘滞系数等因素有关。当气泡的直径很小（d0.1mm）时，在气泡周围的水流呈层流状态，Re1,这时气泡的上升速度可由斯托克斯（Stokes）公式计算。设计参数：取消化温度T=25，沼气密度 =1.12g/L；水的密度 =1000kg/m3；废水的动力粘滞系数=0.008910-4m2/s；取气泡直径d=0.008cm根据斯托克斯（Stokes）公式可得气体上升速度vb为： （3-6）式中：vb气泡上升速度，cm/s;g重力加速度, cm/s2;碰撞系数，取0.95;废水的动力粘度系数，Pas; 那么vb=0.391cm/s=14.08m/h水流速度va=v2=1.52m/h;验证： 满足设计要求3.3.3 UASB反应器排泥系统设计计算考虑到反应器的底部可能会积累颗粒物，且底部污泥的活性较差，故本设计将采用底部排泥，一般情况下，每去除1KgCOD,可产生0.050.1KgVSS，本设计中取0.1KgVSS/KgCOD。每日产泥量1111.16每座UASB反应器每日产泥量277.83.3.4 UASB反应器产气量设计计算每日产沼气量： G （3-7）式中：r产沼气率： 0.7 m3/KgCOD（理论值） Q进液设计流量，m3/h C0进水COD浓度，KgCOD/ m3e设计去除率，%则G=0.7350037350.8510-3 =9150 m3/d=381.3 m3/h4 沼气的净化设计4.1沼气脱水工艺沼气脱水属于沼气脱硫系统的一部分，脱水设备占整个气体净化投入的比重很小，但其作用仅次于硫化氢的脱除。本设计将采用固体物理吸收法，采用活性氧化铝作为干燥剂，其具有吸附能力较好，再生温度低，在液态水中不易碎等优点。干燥剂脱水装置如图，利用干燥剂脱水时，干燥剂装在容器中，沼气自下而上流过容器。使用过一段时间后，干燥剂需要再生。2134图4.1 干燥剂脱水装置1-干燥沼气出口；2-吸水剂；3-再生气出口；4-含水沼气出口4.2沼气脱硫工艺及装置一般而言,沼气中H2S的质量浓度在112gm- 3之间,其受发酵原料和发酵工艺影响很大,当原料中的蛋白质或硫酸盐含量较高时,发酵后沼气中的H2S质量浓度就较大18。H2S对管道、燃烧器以及其它金属设备、仪器仪表等有很强的腐蚀性,因此,影响了沼气的回收利用19。H2S具有极强毒性，当空气中浓度为140mg/m3（标况）时，就会引起结膜炎和角膜炎，当浓度约为280 mg/m3（标况）时，会造成昏迷，呼吸困难甚至死亡。低浓度的H2S气体会引起头痛、呕吐、乏力、失眠以及角膜发炎等。因此在使用沼气之前，必须首先对沼气进行脱H2S的处理。沼气直接脱硫方法按原理一般可分为湿式法和干式法两大类，化学脱硫技术常运用的是常温Fe2O3干式脱硫法20,21 ,它是将Fe2O3屑和木屑混合制成脱硫剂,以湿态(含水40%左右)填充于脱硫装置内。在湿式脱硫法中一般使用碱性液体来吸收H2S22。消化后的沼气从底部进入塔中，与吸收剂逆流接触反应后从塔顶部排除。沼气干法脱硫适用于含硫量较低的燃气，日处理量较小。该法工艺简单、成熟可靠、造价低，能达到较高的净化程度。本设计采用脱硫塔反应装置脱硫。设计尺寸：一级脱硫：H2S在2 g/m3；二级脱硫：H2S在25 g/m3；三级脱硫：H2S在5 g/m3以上。结论：鉴于本设计针对奶牛场沼气系统，实际含硫率很低，故采用一级脱硫方式。a.脱硫塔直径 脱硫塔的直径设计应该满足以下两个条件：一般情况，粗脱硫时取高径比为34，当高径比增大时，脱硫效果会提高，但同时压力损失增大，因此在满足压力损失的情况下，应尽量取上限值。本设计中脱硫高径比取4。b.脱硫剂的填装量本设计将采用TCS-106型常温氧化铁脱硫剂。其反应式为：脱硫 Fe2O3+3H2S Fe2S3+3H2O再生 2Fe2S3 +3O2 2 Fe2O3+6S脱硫剂的填装量取决于原料气的气量、硫含量以及设计脱硫剂的使用寿命，以V表示脱硫剂的填装量： V= (4-1)式中：V脱硫剂填装量，m3； C进口气体中H2S的浓度，mg/m3； Q原料气流量，m3/h；t脱硫剂使用寿命，h；W脱硫剂原粒度的质量穿透硫容，%；d脱硫剂的质量堆密度，0.7 t/m3。V=7.7 m3H:D=4:1则D取1.35m，H=5.4m，脱硫塔总高为8.1m。HD0.1H0.1H0.1H0.2H图4.2 脱硫塔外形尺寸设计简图5沼渣处理工艺5.1沼渣处理工艺流程图曝气池沉淀池污泥回流排放或农肥利用沼渣及废水图5.1 沼渣处理工艺流程图活性污泥法工艺能从污水中去除溶解性的和胶体的可生物降解的有机物，以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其他的一些物质。曝气设备的作用是传递氧气进入混合液，同时还起到了搅拌作用而使混合液呈现出悬浮状态，随后混合液流入沉淀池，混合液中悬浮固体在沉淀池中进行固液分离，流出沉淀池的为净化水。沉淀池中的污泥大部分回流至曝气池，此过程称为污泥回流，目的是使曝气池内保持一定的悬浮固体浓度，即保持一定的微生物浓度。在本设计中经过处理后的剩余污泥可作为农肥二次利用。5.2曝气池简易设计推流式曝气池的长宽比一般为510，池宽和有效水深之比一般为12，与常用曝气鼓风机的出口风压匹配，有效水深通常在46m。水量：Q=3500 m3/d水力停留时间：HRT=7h曝气池结构：LBH=41 m5 m5 m有效高度：H=5 m超高：h=0.5 m有效容积：V有效=41 m5 m5 m =1025 m3总容积：V总=41 m5 m5 .5m =1127.5 m3主要设备：PWX型微孔曝气器5.3二沉池二沉池中普遍存在四个区：清水区、絮凝区、成层沉降区、污泥压缩区，一般存在泥水界面和压缩界面，混合液进入沉淀池后，首先被池水稀释，从而固体浓度大大降低并开始形成絮凝区，絮凝区的上层是清水区，它们之间为泥水界面；絮凝区下部是成层沉降区，此区中固体的浓度基本不变，沉速也基本不变；靠近池底处为污泥压缩区，压缩区与成层沉降区之间有个明显的界面，固体浓度发生突变。在本设计中将采用矩形池，即平流式二沉池。设计计算数据：水量：Q=3500 m3/d 水力停留时间：HRT=2h二沉池结构：LBH=13 m5 m4.5 m有效高度：H=4.5 m超高：h=0.5 m有效容积：V有效=13 m5 m4.5 m =292.5 m3总容积：V总=13 m5 m5m=325 m3主要设备：（1） 链条式刮泥机（2） 污泥回流泵（3） 排泥泵5.4农肥利用沼液中含有氮、磷、钾、钙、铜、锌、铁、B族维生素、赤霉素、氨基酸和酶活性物质，并且经沼气厌氧发酵后, 约95%的寄生虫和有害细菌被杀灭23 。因此，发酵后的沼液是很好的有机肥料，可以直接将沼液作为有机肥灌溉到农田中，或是把它作为叶面肥直接喷施均能达到很好的效果；还可以利用沼液来浸种，提高种子的出芽率和以后的生长能力24 ，或者将沼液作为一种无毒、无残留的农药来防治农业病虫害25,26。北京蟹岛生态度假村严格按照有机农业的标准进行生产，不使用任何化学农药与化肥，大田与日光温室已连续施用沼液、沼渣多年27，内蒙某牛场利用沼肥生产牧草，都取得了良好的经济效益。沼渣是发酵后的沉渣，含有较全面的养分和丰富的有机物，其中有机质36 %49. 9 %;；腐植酸10.1 %24.6 %；全N0.8 %1.5 %；全P0.39%0.71 % ；全K0.61 %1.3 % ，还含有对作物生长起重要作用的B、Cu、Fe 、Mn、Zn等微量元素，因此是优质有机肥料。还有利用沼渣种植蘑菇28、代替部分饲料养猪29、养鱼30、饲养蚯蚓等都取得了显著发展。6管道设计计算牛舍至集粪池管道设计：水及低黏度液体（0.11.0Mpa），流速范围为1.53.0m/s，本设计选定1.5m/s。qv=3500m3/d=0.04 m3/s 管路内径计算： d=0.2m25时水的黏度为0.893710-3pas，=997.0Kgm-3Re=0.21.5997.0/0.893710-3=3.35105 故为湍流形式。据相关资料，本设计选取管道材质为热轧无缝钢管，其绝对粗糙度=0.2mm，故=0.001，查图可得=0.0215，设计管道长度l=15m；hf=1.814J/Kg集粪池至四座UASB反应器为4条相同独立管道，以一条支路为例：需2个90弯头（阻力系数，le/d=35），一个离心泵用来输送混合液体至反应器。支路的流量qv1=qv/4=0.01m3/s 则管道内径d1=0.092m选取108mm的热轧无缝钢管，壁厚15mm 集粪池设计深度h=3m，UASB反应器液面与集粪池液面取10m，管路总长取7m，钢管绝对粗糙度取=0.2mm，则=0.0022，查得=0.026，截止阀le/d=300，2个90弯头le/d=352=70，管出口突然扩大管路压头损失带入计算得=1.33J/Kg 则扬程可达11.33m，由此结合资料选取IS80-65-125的泵7 总体布局7.1平面布置沼气工程总体布置应符合该沼气工程工艺的要求，需要布置紧凑，便于施工、运行和管理；同时应结合地形、气象和地质条件等因素，经技术经济分析确定，使其充分利用地形、设施高度，达到排水畅通、降低能耗、土方平衡的需求。奶牛场沼气工程的平面布置应该包括：牛舍、处理构筑物、办公楼以及其它辅助构筑物，还有以及各种管道、道路、绿化等的布置。平面布置应遵循以下基本原则：处理构筑物与生活、管理设备应分别集中布置，其位置和朝向力求合理，生活、管理设施应与处理构筑物保持一定的距离。功能分区明确，配置得当。处理构筑物宜按流程顺序布置，应当充分利用原有地形，尽量做到土方量的平衡。构筑物之间管线应短捷，避免迂回曲折，尽量做到水流通畅。处理场内的雨水管道、污水管道、给水管道、电气埋线等管线应全面安排，避免相互干扰，管道复杂时可考虑设置管廊。产生臭气和噪声的构筑物和辅助建筑物（如鼓风机）的布置，应注意对周围环境的影响。处理厂内的绿化面积一般不小于全厂总面积的30%。应设置通向各构筑物和附属建筑物的必要通道，以满足物品运输、日常操作管理和检修的需要。7.1.1沼气布线的管道规则布置沼气管线时，应考虑沼气管道的压力状况，地形变化以及土壤性质，应具体注意事项如下：沼气管道一般情况下设为地下直埋敷设，应尽量避开建筑物以及主要干道。在各处理构筑物之间，原则上应设有贯通、连接的管渠。此外，还应设有能够使各个处理构筑物独立运行的管、渠，当某一处理构筑物因故障停止工作时，要保证它的后接处理构筑物仍能够保持连续正常的运行。 应设超越所有处理构筑物，能够把其直接排放水体的超越管。7.1.2附属建筑物该沼气发酵流程中的附属建筑物如下：泵房、鼓风机房、综合办公楼、维修间、仓库等，它们也是沼气厂中不可缺少的组成部分。总体的建筑面积大小应按平面图布置具体情况与条件具体而定。7.2高程布置高程设计的任务是对各处理单元构筑物与辅助设施等相对高程作竖向布置，通过计算确定各单元处理构筑物和泵站的高程，各单元处理构筑物之间连接管渠的高程和各部分的水面高程。高程布置的合理性也直接影响污水处理厂的工程造价、运行费用、维护管理和运行操作等。高程布置图需要标明处理构筑物的池底、池顶以及水面高程，表达出各处理构筑物间的高程关系和处理工艺流程，以此保证污水能够沿流程在各处理构筑物之间通畅地流动，来使整个设备流程能够正常运行。高程图上的垂直和水平方向的比例尺般不相同，一般垂直的比例大(取1：100)，而水平比例会取的小些(1：500)，可以使图纸醒目、协调。8 沼气工程技术经济评价8.1工程投资估算表8.1 工程投资估算序号项目名称土建费用/万元安装费用/万元设备费用/万元合计/万元1集粪池1311153固液分离机554UASB反应器（含布水器三相分离器沼气储气罐等配套设备）30303003608脱水罐110119脱硫塔11121410有机肥加工中心4.531522.511曝气池25120022612沉淀池15131914沼气流量计1.51.515综合楼315916机修间3381417车库、仓库31418锅炉房324919场内道路432920绿化1010合计（万元）729经济核算分析的主要目的是追求费用的最小化同时实现效益最大化。本次设计是针对500头奶牛粪便进行沼气发酵技术，应努力实现费用最小化原则。8.2运行成本估算运行成本的估算通常不仅仅包括能源消耗费、药剂费和修理基金提存以及日常维护检修费，还有员工的工资福利费等。结 论本设计采用UASB反应器作为牛粪发酵沼气主要反应器，其具有反应器内污泥浓度高、有机负荷高、水力停留时间长、无需混合搅拌设备等优点，此方法经济效益较好，值得推广，将是一种非常有使用前景和广阔空间的生化处理工艺。另一方面，沼气作为一种清洁型可燃性气体，可以广泛应用于生产与生活中。因此，开发沼气工程为缓解我国能源压力将做出巨大贡献，目前我国的沼气工程逐渐发展为能源与生态相结合的方式，通过对奶牛场粪污的无害化管理的同时，变废为宝，将粪污进行深度处理后二次加工为有机废料，产生了良好的经济效益、社会效益和生态效益。随着沼气工程技术与沼肥利用技术的日趋完善，规模化的奶牛场沼气发酵工艺技术将具有广泛的研究以及应用背景。参 考 文 献1 张全国. 沼气技术及其应用M. 北京化学工业出版社,2005.2 周孟津. 沼气发酵工艺的发展A.中国沼气十年C. 北京:中国科学技术社,1990 ,22-2813 中国奶业协会等. 奶业与生态环境国际论坛报告及论文集C. 大连,2005.4 Teodorita Al Seadi ,et al. Good practice in quality management of AD residue. EB/OL.2004,768-854 5 Danish Biogas Association. Biogas and more 22systems and markets overview of anaero bicdigestionEB/OL.2004,99-120. 6 Ann C wilkie. Anaerobic digestion of flushed dairy manure Proceedings Anaerobic Digester Technology Applications in Animal Agriculture ,Virginia ,US ,2003 ,350-354.7 CN Mulligan. An evaluation of the sustainability of the anaerobic digestion of manureC . Proceedings 10th World Congress AD,Montreal ,Canada ,2004,11786-178918 D Hodgkinson,GLiu,M Kubines. Technical and feasibility of manure treatment with low temperature anaerobic digestionA. Proceedings 10th World Congress AD C Montreal Canada,2004,11753-175419 郑时选,章立建. 沼气技术在农业立体污染防治中的作用J. 中国沼气,2005,23（1）：52-5310 T Y Yeole . Microbial technology to enhance biogas production at low temperature from cattle dungA. Proceedings10th world Congres ADC1Montreal ,Canada, 2004,1186-186711 钱泽澍. 沼气发酵微生物学M. 杭州:浙江科学技术出版社,1986.12 农村家用沼气发酵工艺规程P. GB 995888.13 刘树民, 韩靖玉, 岳海军. 中国北方寒冷地区沼气的综合开利用J. 内蒙古农牧大学学报, 2002, 24(4):83-86.14 HoflhiannMFermentation of stack odsolidniatterJ. Landiec2hnik,2000,55:442-44315 胡纪萃,周孟津,左剑恶. 废水厌氧生物处理理论与技术M. 北京:中国建筑工业出版社, 2003.11-1616 甘寿文, 徐兆波, 黄武大. 中型沼气工程生态应用关键技术研究J. 中国生态农业学报, 2008(5):1293-1297.17 郑元景. 污水厌氧生物处理M. 中国建筑工业出版社,1988.18 高英姿,李全胜,艾滨,张勇. 绿色沼气工程发展与脱硫技术分析J. 黑龙江电力,2002, (3) : 237-238.19 霍保根,田凤军. 常温氧化铁脱硫剂在沼气脱硫中的应用J.中国沼气,2006, (1) : 55.20 钱伯章. 汽油禁用MTBE的预测分析J. 石油化工技术经济,2001, (3) : 33-35.21 吴显春,刘路加. 二异丙基醚是良好的高辛烷值汽油调合组分J. 炼油设计,1994,24(5) : 32-33.22 王伟,郝兴仁,吕爱梅. TAME合成工艺技术J. 石油化工,2003,32 (1):5