水压式沼气池设计--固废课设

中北大学信息商务学院 课程设计任务书 2015 2016 学年第 二 学期 学 院 化工与环境学院 专 业 环境工程 学 生 姓 名 宋思奇 学 号 1304014145 课程设计题目 水压式沼气池设计 4 0 米 3混凝土结构 池容产率 0 6 米 3 米3 天 起 迄 日 期 4 月 29 日 6 月 10 日 课程设计地点 中北大学信息商务学院 指 导 教 师 李颖 系 主 任 张建忠 下达任务书日期 2016 年 4 月 29 日 水压式沼气池设计水压式沼气池设计 4 04 0 米米 3 3混凝土结构 池容产 混凝土结构 池容产 气率气率 0 60 6 米米 3 3 米 米 3 3 天 天 摘要摘要 水压式沼气池是我国推广最早 数量最多的池形 是在总结 三结合 圆 小 浅 活动盖 直管进料 中层出料 等群众建池的基 础上 加以综合提高而形成的 三结合 就是厕所 猪圈和沼气池连成一体 人畜粪便可以直接打扫到沼气池里进行发酵 圆 小 浅 就是池体圆 体 积小 埋深浅 活动盖 就是沼气池顶加活动盖板 这种池型的池体上部气 室完全封闭 随着沼气的不断产生 沼气池内压力相应提高 这个不断增高的 气压 迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内 使得水压间内 的液面升高 这样一来 水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位 差 用气时 沼气开关打开 沼气在水压下排出 当沼气减少时 水压间的料 也又返回池体内 使得水位差不断下降 导致沼气压力也随之相应降低 关键词 关键词 水压式沼气池 设计 沼气 目录目录 1 绪论 1 1 1 沼气介绍 1 1 2 沼气发酵的原理 1 1 3 沼气发酵原料选择 2 1 4 工艺流程 2 1 5 水压式沼气池结构 3 1 6 水压式沼气池工作原理及优点 4 2 圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算 4 2 1 设计参数 4 2 2 设计原始数据 4 2 3 工艺流程设计 5 2 4 发酵料液的计算 5 2 5 发酵间的设计 6 2 6 进料口 管 的设计 9 2 7 水压间的设计 10 3 圆筒形水压式沼气池施工及材料设计 10 3 1 材料参考用量 10 3 2 沼气池施工 12 3 3 成本核算 12 4 参考文献 13 5 结束语 14 固体废物处理与处置课程设计 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 沼气介绍沼气介绍 沼气是由生物质和有机质如秸秆 畜禽粪便等经微生物发酵产生的一种可 燃性混合气体 其主要成分是甲烷 CH4 大约占 60 其次是二氧化碳 CO2 大约占 35 此外还有少量其他气体 有水蒸气 硫化氢 一氧化碳 氮气等 不同条件下产生的沼气 成分有一定差异 1 1 21 2 沼气发酵的原理沼气发酵的原理 沼气发酵 又称甲烷发酵 是由多种微生物在绝氧条件下分解有机物实现 的 通常把参与沼气发酵的微生物分为三类 第一类叫发酵细菌 包括各种有 机物分解菌 它们通过分泌的胞外酶 将复杂的有机物分解为较简单的物质 例如多糖转化为单糖 蛋白质转化为甘油和氨基酸 脂肪转化为甘油和脂肪酸 第二类叫产氢产乙酸菌 它们的主要作用是将前一类细菌分解的产物进一步分 解成乙酸和二氧化碳 第三类细菌叫产甲烷菌 其作用是利用乙酸 氢气和二 氧化碳产生甲烷 在沼气发酵过程中 这三类微生物既相互协调 又相互制约 共同完成产沼气过程 1 根据三阶段理论 甲烷发酵原理可由下图表示 碳水化合物 糖类 多糖 单糖 挥发酚 CO2 有机物 蛋白质 氨基酸 丙酮酸 乙酸 脂肪 脂肪酸 甘油 有机酸 醇类 液化 产氢产醋酸 产甲烷 图 1 1 1 31 3 沼气发酵原料选择沼气发酵原料选择 农村沼气发酵原料尽管很多 但从沼气利用的角度考虑 主要为秸秆类和 CO2 H2 CH4 N2 CO 等 固体废物处理与处置课程设计 2 粪便类 粪便类分解速度相对较快 入池和出料都很方便 单独使用产气效果 也很好 因而许多地方只采用粪便入池发酵 但随着农业产业化的发展 农村 种植和养殖模式发生了显著的变化 家庭养猪数量不断减少 沼气发酵的粪便 量严重不足 秸秆作为发酵主要原材料成为必然 秸秆随农事活动批量获得 能长时间存放不影响产气 但秸秆发酵速度较慢 需要较长时间才能达到预期 的沼气产量 且出渣较为困难 为此 入池前需要进行切短 堆沤等预处理 或和粪便一起发酵 并采用批量入池 批量出渣的方法 1 1 41 4 工艺流程工艺流程 沼气发酵工艺类型较多 我国农村普遍采用的是下述两种工艺 1 自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 这种工艺的发酵期因季节和农用情况而定 一般为 5 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 该工艺的主要缺点是出料操作劳 动量大 2 自然温度连续投料发酵工艺 这种工艺是在自然温度下 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 提高原料利用率和沼气池负荷能力 达到较高的产气率 工艺自身能耗少 简 单方便 容易操作 2 1 51 5 水压式沼气池结构水压式沼气池结构 在我国农村 沼气发酵不仅作为农业生态系统中的一个重要环节 处理各 类废弃物来制成农家肥 而且获得生物质能用来照明或作为燃料 2 厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行 沼气池种类很多 我国农村最常用的 有 家用水压式沼气池 曲流布料沼气池和圆柱形自循环沼气池等 3 其中 水压式沼气池是农村推广的主要池型 水压式沼气池是一种埋设在地下的立式 圆筒形发酵池 池盖和池底是具有一定曲率半径的壳体 主要结构包括加料管 发酵间 出料管 水压间 导气管几个部分 2 水压式沼气池结构简图如下 固体废物处理与处置课程设计 3 1 4 5 3 2 图 1 2 1 加料管 2 发酵间 3 水压间 4 导气管 5 控制阀 1 6 水压式沼气池工作原理及优点水压式沼气池工作原理及优点 家用水压式沼气池的工作原理是 池内装入发酵原料 约占池体积的 80 左右 以料液表面为界限 上部为贮气间 下部为发酵间 当沼气池内产生沼 气时 沼气集中在贮气间内 随着沼气的增多 池内的压力不断增大 此时沼 气压迫发酵液进入水压间 用沼气时 贮气间的沼气被放出 此时 水压间内 的料液进入发酵间 如此 气压水 水压气 反复进行 因此称之为水压式沼 气池 水压式沼气池构造简单 施工方便 各种建筑材料均可使用 取材容易 价格较低 一般 6 8m3沼气池造价 600 1000 元 混凝土结构的沼气池使用寿 命可达 20 年 年产沼气 240m3以上 黄河以北 可供五口之家 8 个月做饭和 全年照明 3 2 圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算 2 1 设计参数设计参数 1 气压 7480Pa 即 80cm 水柱 2 池容产气率 池容产气率系指每立方米发酵池容积 1 昼夜的产气量 单位 为 m3沼气 m3池容 d 我国通常采用的池容产气率包括 0 15 0 2 0 25 固体废物处理与处置课程设计 4 和 0 3 几种 3 贮气量 贮气量系指气箱内的最大沼气贮存量 农村家用水压式沼气 池的最大贮气量以 12h 产气量为宜 其值与有效水压间的容积相等 4 池容 系指发酵间的容积 农村家用水压式沼气池的池容积有 4m3 6m3 8m3 10m3等几种 5 投料率 系指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比 一般在 85 95 之间为宜 2 2 设计原始数据设计原始数据 发酵间容积 池容 为 4 0 立方米 最大投料量小于发酵间总容积的 90 池容产气率 0 6 米 3 米3 天 建池材料 现浇混凝土 池内正常工作压力 800 毫米水柱 压强 P 0 08 公斤 厘米 2 2 3 工艺流程设计工艺流程设计 此处采用自然连续投料发酵工艺 以人 禽畜粪便及蔬菜秸秆为发酵原料 定时定量投料和出料 简单工艺流程图如下 图 2 1 2 4 发酵料液的计算发酵料液的计算 2 4 1 发酵料液的体积发酵料液的体积 3 32211 72 6 3008 004 0 6008 0 5 m TnknnV 式中 V1 发酵料液体积 m3 n1 产人粪便总量 按常住人口 0 006 0 013m3 人 d 取值 人畜粪便 青 草及农业废物 进料 间 厌氧发 酵间 水压 出 料 间 农田 固体废物处理与处置课程设计 5 n2 产牲畜粪便总量 按养猪头数 0 006 0 15m3 头 d 取值 n3 每日舍外能定量收集粪便总量 m3 d k2 收集系数 取 0 5 1 0 T 原料滞留期 d 蔬菜区 T 取 30 平坝农业区取 35 丘陵 农 区取 40 2 4 2 气室容积的计算气室容积的计算 气室容积 3 312 504 0 15 0 72 6 2 1 2 1 mkVV 式中 V1 发酵料液体积 m3 V2 气室容积 m3 k3 原料产气率 我国通常采用的产气率包括 0 15m3 m3 d 0 2m3 m3 d 0 25m3 m3 d 0 3m3 m3 d 2 52 5 发酵间的设计发酵间的设计 2 5 12 5 1 发酵间的容积发酵间的容积 3 121 0 695 0 504 0 72 6 mkVVV 式中 V 发酵间容积 m3 V1 发酵料液体积 m3 V2 气室容积 m3 k1 容积保护系数 取 0 9 1 05 2 5 22 5 2 发酵间各部分尺寸的确定发酵间各部分尺寸的确定 1 沼气池的直径根据用户平面布置确定 考虑充分利用土地资源 平面 布局紧凑的原则 确定沼气池的直径为 2 2m 2 发酵间池盖削球体矢高和净容积 固体废物处理与处置课程设计 6 池盖削球体矢高 m D f44 0 5 2 2 1 1 式中 f1 池盖削球体矢高 m D 圆柱体形池身直径 m 1 直径与池顶矢高的比值 取 5 6 池盖削球体净容积 3 22 2 1 2 11 88 0 44 01 1344 0 6 14 3 3 6 m fRfQ 式中 Q1 池盖削球体净容积 m3 f1 池盖削球体矢高 m R 池身圆柱体内半径 m 3 发酵间池底削球体矢高和净容积 池底削球体矢高 m D f275 0 8 2 2 2 2 式中 f2 池盖削球体矢高 m D 池身圆柱体直径 m 2 直径与池底矢高的比值 取 8 10 池底削球体净容积 3 22 2 2 2 23 53 0 275 01 13275 0 6 14 3 3 6 m fRfQ 式中 Q3 发酵间池底削球体净容积 m3 f2 池底削球体矢高 m 4 发酵间池身圆柱体容积和池墙高度 发酵间池身圆柱体净容积 3 312 59 4 53 0 88 0 6mQQVQ 固体废物处理与处置课程设计 7 式中 Q2 发酵间池身圆柱体净容积 m3 V 发酵间总容积 m3 Q1 池盖削球体净容积 m3 Q3 发酵间池底削球体净容积 m3 发酵间池身圆柱体高度 m R Q H21 1 1 114 3 59 4 22 2 式中 R 发酵间池身圆柱体半径 m H 发酵间池身圆柱体高度 m 5 发酵间内总表面积 池盖削球体球面内表面积 222 2 1 2 1 42 4 44 0 1 114 3 mfRS 式中 S1 池盖削球面内表面积 m2 R 池身圆柱体半径 m f1 池盖削球面矢高 m 圆柱体池身内表面积 2 2 36 8 21 1 1 114 322mRHS 式中 S2 池身圆柱体内表面积 m2 R 池身圆柱体内半径 m H 池身圆柱体高度 m 池底削球体内表面积 2222 2 2 3 04 4 275 0 1 114 3mfRS 式中 S3 池底削球体内表面积 m2 R 池身圆柱体内半径 m f2 池底削球体矢高 m 发酵间总表面积 2 321 82 1604 436 842 4 mSSSS 固体废物处理与处置课程设计 8 2 5 3 发酵间各部分位置标注发酵间各部分位置标注 Q1 f1 Q2 V H f2 Q3 D R 图 2 2 2 62 6 进料口 管 的设计进料口 管 的设计 进料口 管 由上部长方形槽和下部圆管组成 其中上部长方形槽几何尺 寸是长 宽 深 600mm 320mm 500mm 下部圆管采用 260mm 现浇混凝土管 管与池墙角为 40 水压式沼气池进料管安装位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处 该位置计算如下 2 6 12 6 1 死气箱拱的矢高死气箱拱的矢高 mhhhf40 024 004 0 12 0 321 死 式中 h1 池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离 该值一般在 10 15cm 之间 h2 导气管下露出长度 取 3 5cm 固体废物处理与处置课程设计 9 h3 导气管下口到液面距离 一般取 20 30cm 2 6 22 6 2 死气箱容积死气箱容积 3 2 1 2 87 0 3 4 0 595 1 4 014 3 3 m f fV 死 死死 式中 V死 f死 1 分别为死气箱容积 死气箱矢高 池盖曲率半径 2 6 32 6 3 投料率投料率 根据死气箱容积 可计算出沼气池投料率 5 85 100 0 6 87 0 0 6 V VV 死 式中 V V死 分别为发酵间容积和死气箱容积 m3 2 6 42 6 4 最大贮气量最大贮气量 3 0 45 2 1 0 156 0 2 1 mV 池容产气率池容 贮 2 6 52 6 5 气箱总容积气箱总容积 3 32 1 45 087 0 mVVV 贮死气 式中 V气 V死 V贮 分别为沼气池的气箱总容积 死气箱总容积和有 效气箱容积 最大贮气量 2 6 62 6 6 发酵间最低液面位发酵间最低液面位 1 气箱在圆筒形池身部分的容积 3 1 44 0 88 032 1 mQVV 气筒 2 圆筒形池身内气箱部分的高度 m R V h116 0 1 114 3 44 0 22 筒 筒 最低液面位于池盖与池身交接平面以下 h筒的位置上 这个位置也就是进 料管的安装位置 固体废物处理与处置课程设计 10 2 72 7 水压间的设计水压间的设计 2 7 12 7 1 水压间零压线水压间零压线 无效水压间的容积取为 0 未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下 0 4m 处 因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下 0 4m 处的水平线上 2 7 22 7 2 发酵间最大料液水位降发酵间最大料液水位降 产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为 f1 h筒 0 44 0 116 0 556m 又 未产气时液面距池顶 0 4m 所以 发酵间最大料液水位降为 0 556 0 4 0 156m 2 7 3 水压间高度 由于设计压强为 7480Pa 即 80cm 水柱 因此水压间的高度 mH644 0 156 0 8 0 水压间 2 7 42 7 4 水压间圆柱体底面积水压间圆柱体底面积 2 70 0 644 0 45 0 m H V S 水压间 贮 水压间 2 7 52 7 5 水压间底面半径水压间底面半径 m S r47 0 14 3 7 0 水压间 3 3 圆筒形水压式沼气池施工及材料设计圆筒形水压式沼气池施工及材料设计 3 13 1 材料参考用量材料参考用量 根据 GB T4752 2002 中 4m3 10m3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表 如下 混凝土 容积 m3 体积 m3水泥 kg中沙 m3碎石 m3 41 2573500 6220 959 61 6354550 8091 250 82 0175610 9971 540 固体废物处理与处置课程设计 11 102 2396231 1071 710 池体抹灰水泥素浆 容积 m3 体积 m3水泥 kg中沙 m3水泥 kg 40 2771130 2596 60 3471420 3247 80 4001630 3749 100 5082080 47511 合计材料用量 容积 m3 水泥 kg中沙 m3碎石 m3 44690 8810 959 66041 1331 250 87331 3711 540 108421 5821 710 表 3 1 本设计为池容 6m3 产气率为 0 15m3 m3 d 的现浇混凝土结构圆筒形水 压式沼气池 参照标准 取材料用量为水泥 604kg 中砂 1 133m3 碎石 1 250m3 一般情况建一个的沼气池需要红砖 600 块 若建 6m3沼气池 则水泥 3 8m 砖 砂比 8m3沼气池用量要减少 10 考虑到进出料间用料则本设计需红砖 600 块 由于进出料管为现浇混凝土管 所以水泥 中沙 碎石的用量分别增加为 720kg 1 5m3 1 3m3 钢筋 1 8m 3 23 2 沼气池施工沼气池施工 1