农村家用沼气池设计精校版

1、课程设计说明书 题目:农村家用沼气池设计 院 系：地球与环境学院 专业班级：环境工程班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2014年1月9日 安徽理工大学课程设计（论文）任务书 地球与环境学院院系 环境工程教研室 学号 学生姓名专业（班级） 设计题目 农村家用沼气池设计 设 计 技 术 参 数 1收集系数0.8 ； 2. 产气率：0.3m3/m3*d ； 3. 池容产气率：0.3 ； 4. 家庭人口： 7； 5. 畜生数量：9； 6. 圆柱体型池身直径 3.3m。 设 计 要 求 1. 沼气池宜建在畜圈或厕所地表以下，进料间与人、畜粪入口相连通； 2. 坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观；

2、 3. 池盖顶端复土厚度不小于 200mm 4. 强度安全系数K 2.65 ； 5. 正常使用寿命20年以上。 工 作 量 1. 设计计算说明书1份； 2. 图纸1张； 3. 设计成果打印并装订好，与图纸一起放入专门的牛皮纸袋中。 工 作 计 划 1. 资料收集与整理1天； 2. 设计计算2天； 3. 绘制有关图纸1天； 4. 编写设计说明书2天 参 考 资 料 1. 王 2. 芈 3. 赵 4. 卞 5. 张 三志魁.化工原理M.北京.化学工业出版社.2002 岸振明.固体废物的处理与处置M.北京.高等教育出版社.1993 舀由才.固体废物污染控制与资源化.北京.化学工业出版社.2002 有

3、生.生态农业中废弃物的处理与再生利用.北京.化学工业出版社.2005 攵平.水压式沼气池原理与构造.可再生资源.2003.6 指导教师签字 教研室主任签字 学生姓名：学号：21专业班级： 课程设计题目农村家用沼气池设计 指导教师评语： 成绩： 指导教J 年 月 日 1 概 论 3 1.1 设计任务和内容 3 1.1.1 设计内容 3 1.1.2 水压式沼气池设计任务 4 1.1.3 课程设计原则 5 1.1.4 工程设计范围 5 1.2 项目的背景及建设的必要性 5 1.3 沼气的基本知识 5 1.4 水压式沼气池基本知识 6 1.4.1 水压式沼气池的特点 6 1.4.2 沼气池采用中温厌氧

4、发酵 7 2 厌氧发酵工艺流程说明 8 3 沼气池体部分的设计计算 8 3.1 发酵原料 8 3.2 沼气池体部分设计计算 8 3.2.1 设计参数 9 3.2.2 发酵间的设计 9 3.2.3 水压间的设计 12 4 配套设施的设计计算 13 4.1 换热器的计算 13 4.2 吸收塔的计算 15 5 设计总结 17 6 参考文献 18 1 概 论 1.1 设计任务和内容 1.1.1 设计内容 根据基础资料，设计一个方案，对农业固体废物畜禽粪便和秸秆进行厌氧发 酵处理，温度低的时候对原料进行换热， 使进口温度满足中温厌氧发酵， 出口气 体吸收其中的硫化氢，沼气经净化之后达到恶臭污染物控制标准

5、（GB14554-93 中二级新扩改建标准。控制标准如表 1所示： 表1恶臭污染物厂界标准值 序号 控制项目 单位 一级 二级 三级 新扩改建 现有 新扩改建 现有 1 氨 3 mg/m 1.0 1.5 2.0 4.0 5.0 2 三甲胺 mg/m3 0.05 0.08 0.15 0.45 0.80 3 硫化氢 mg/m 0.03 0.06 0.10 0.32 0.60 4 甲硫醇 mg/m3 0.004 0.007 0.010 0.020 0.035 5 甲硫醚 3 mg/m 0.03 0.07 0.15 0.55 1.10 6 二甲二硫 mg/m3 0.03 0.06 0.13 0.42

6、0.71 7 二硫化碳 mg/m3 2.0 3.0 5.0 8.0 10 8 苯乙烯 mg/m3 3.0 5.0 7.0 14 19 9 臭气浓度 无量纲 10 20 30 60 70 沼气中的臭气主要为H2S,而H2S的含量为0.034%，经过吸收塔的吸收后 就可以达到排放标准。 1.1.2水压式沼气池设计任务 （1）设计题目 水压式沼气池设计 （2）主要设计任务 水压式沼气池尺寸设计：沼气池主体容积、高度、直径、水压间容积、高 度、直径。 配套设施：换热器的传热面积、管长、管径、标准换热器选型；吸收塔填 料层高度、塔径、总压力等。 换热器和吸收塔采用间歇式操作，一次厌氧发酵时间为 30天，

7、比较冷的 月份分两个区间，从1月份到3月份，从10月份到1月份是比较冷的时间，所 以需要用到换热器；产生的气体要经过吸收才能达到恶臭污染物控制标准 ， 所以要用到吸收塔。 （3）设计目的 巩固已学过的与环境工程有关的专业知识，特别是厌氧发酵章节； 领会国家关于环境保护的方针、政策和法规，初步树立正确的环境保护指 导思想； 综合运用所学知识，通过课程设计规定的任务，培养全面考虑和解决问题 的能力； 提高计算、制图等方面的基本技能； 提高运用文献、技术资料和工具书的能力。 （4）基础资料 地基允许承载力8t/m2,地下水位在地面下 5-6m,水压间有效容积是日产 气量的50%装置内最大气压极限w

8、800kPa,装置内正常工作气压w 784kPa, 活载荷200kg/m 1.1.3 课程设计原则 （1）在总体技术路线上要符合我国生活垃圾处理的技术政策，水压式沼气 池要符合无害化的总目标。 （2）配套换热器和吸收塔，保证水压式沼气池的温度比较恒定且能有效回 收沼气中的二氧化碳。 （3）根据该地区的经济承受能力，尽可能为国家节省建设资金。 1.1.4工程设计范围 工程设计范围为工艺部分设计计算。 1.2 项目的背景及建设的必要性 随着生活水平的提高和集约式农业的发展，农村固体废物中畜禽粪便和秸 秆的产生量越来越大， 不及时有效的处理将造成农村环境卫生的破坏。 利用普通 使用的水压式沼气池进行

9、处理， 既可以有效利用资源， 又可以产生新的清洁能源 沼气，还可以消除环境污染。水压式沼气池存在能耗低、占地面积不大、处 理效果好的优点， 但是也存在随季节温度变化工作不稳定等缺点， 在设计的过程 中需要克服该问题。 1.3 沼气的基本知识 （1）沼气及其产生过程 沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，通 过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、 池塘中发现的， 所以人们叫它沼气。 沼气含有多种气体， 主要成分是甲烷 （ CH4） 沼气细菌分解有机物， 产生沼气的过程， 叫沼气发酵。 根据沼气发酵过程中各类 细菌的作用，沼气细菌可以分为两

10、大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将 复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳（CO）等。它们当中有专门分解 纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂 肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把 简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。因此，有机物变成沼气的过程，就 好比工厂里生产一种产品的两道工序： 首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复 杂的有机物加工成半成品一一结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下， 将简单的化合物加工成产品一一 即匸成屮烷 （2）沼气的成分 沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢（

11、HS）、 氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重 烃等气体；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为 55%- 70% 二氧化碳含量为28%- 44% 硫化氢平均含量为 0.034%。 （3）沼气的理化性质 沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它的主要成分甲烷在常温下是 一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是 CH,是一个碳原子与四 个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻 一半。甲烷溶解度很少，在 20C、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3 个单位体积的甲烷。 甲烷是简单的有机化合物，是

12、优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰，最高温 度可达1400 C左右。纯甲烷每立方米发热量为 36.8千焦。沼气每立方米的发 热量约23.4千焦，相当于0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热 量。从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤所 能利用的热量。 1.4水压式沼气池基本知识 1.4.1水压式沼气池的特点 水压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、出料管、水压间、导气管几个部分。圆 筒形结构沼气池的受力性能好，比相同容积的长方形池表面积小20%左右，池内 无死角，容易密封，有利于甲烷菌的活动，

13、以发挥甲烷菌的产气作用。 水压式沼气池的工作原理是：产气时，沼气压料液使水压箱内液面压高； 用 气时，料液压沼气供气。产气、用气循环工作，依靠水压箱内料液的自动升降， 使气室的气压自动调节。 （1）水压式沼气池型有以下几个优点： 池体结构受力性能良好，而且充分利用土壤的承载能力，所以省工省料， 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，对农村积肥十分有利。 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。 沼气池周围都与土壤接触，对池体保温有一定的作用。 （2）水压式沼气池型也存在一些缺点，主要是： 由于气压反复变化，而且一般在416千帕（即40160厘米

14、水柱）压力 之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。 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 用率不高，池容产气率（即每立方米池容积一昼夜的产气量）偏低，一般产气率 每天仅为0.15米3/米3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 工作比较困难。因此，出料的时候最好采用出料机械。 1.4.2沼气池采用中温厌氧发酵 发酵温度维持在3035 C,此发酵工艺有机物消化速度较快，产气率高， 与高温发酵相比，所需热量要少得多。从能量回收的角度，该工艺被认为是一种 较理想的发酵丄艺类型。H前世界各国的大、中型沼气丄

15、和普遍采用此丄茁， 有机物厌氧发酵依次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段（如图1所示）。各阶 段各有其独特的微生物类群起作用。 液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌， 包括 纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌。产酸阶段起作用的细菌是醋酸分解 菌。这两个阶段起作用的细菌称为不产甲烷菌。 产甲烷阶段起作用的细菌是甲烷 细菌。 图1厌氧发酵三阶段 2厌氧发酵工艺流程说明 所设沼气池采用厌氧发酵工艺流程。 工艺流程图如图2所示，采用中温厌氧发酵，发酵时间为 30天，也就是说 30天进行一次大换料。一月到三月、十月到一月温度比较低，这段时间对原料 要进行换热处理。产生的沼气要经过吸收塔吸收才能用，才能达到排

16、放要求。 图2厌氧发酵工艺流程 3沼气池体部分的设计计算 3.1 发酵原料 发酵原料：所设计的沼气池所用的农业固体废物主要有猪粪和秸秆两种，其 年产量为9.6吨，因为在南方，所以秸秆为稻草。 厌氧发酵的适宜碳氮比为 20： 1 30： 1，碳氮比达35： 1时产气量明显下 降，本沼气池选用的碳氮比为 25: 1。 为使发酵过程有一个较高的产气量，可将贫氮原料与富氮原料适当配合成为 具有适宜碳氮比的混合原料。 混合原料碳氮比 、Cx Nx 式中：K混合原料的碳氮比 C 、 N分别为原料中碳、氮含量，% x原料的重量，kg 采用一次性进料，一次性出料的方式，猪粪和稻草的月产量为0.8吨，查芈 振明

17、固体废弃物的处理与处置表 97得稻草中C为42% N为0.63%;猪粪 中 C2 为 7.8%、2 为 0.6%。 设稻草有x kg，猪粪则为（250-x）kg 求出x=0.17吨 一次性投加的稻草为0.17吨，猪粪为0.63吨。水压式沼气池的容积比较小， 对于每月0.8吨的原料无法全部容纳，因此分十个沼气池同时作业，每个池子一 次性投加的稻草为0.017吨，猪粪为0.063吨。采用每30天投料一次，30天进 行一次大换料。 3.2 沼气池体部分设计计算 3.2.1 设计参数 (1) 气压：0.1Mpa(即一个标准大气压)为宜。 ( 2)池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容一昼夜的产气量

18、，单 位为m3沼气/ (m3池容.d )。 目前，我国农村沼气池一般为常温发酵， 在设计沼气池时， 参照试验测定的 数据和生产实践经验，采用产气率标准为：在温度变化幅度为 1028C,发酵 料液中的干物质含量为610%时，每天每立方米发酵料液产气量为0.10.3m3, 夏季产气旺盛，冬季较差。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25 和 0.3 几种，本设计取池容产气率为 0.3。 (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 12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。 (4) 池容：池容系指发酵间的容积，农村家用水压式沼气池的池容

19、积有4、 2池底曲率半径，它与其他尺寸的关系为r2 R f22 ; 2f2 R池体内径 H池身高度 n圆周率，取3.14 综合圆形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 f 1f 1d 各种因素，一般认为池盖矢跨比 二-，池底矢跨比=-和池身高H = 时 D 5D 82.5 沼气池的尺寸比较合理。 D8，r=2代入上面各式得: 3333 V= Vi+V2+V3=O.O827D +0.0501D +0.3142D =0.447D D= V 0.447 故 D=Vv/0.447 =3.29m,取 D 为 3.3m f1 =3.3/5 =0.66m f2=3.3/8=0.4125

20、m H=3.3/2.5=1.32m R=3.3/2=1.65m r仁 1(r2 + f12)=2.3925m 2?f1 r2 =(r2 +f22 )=3.525m 2?f 2 总高h=H+f1+f2+f3=3.0m，其中f3为沼气池上拱盖开口高度，取 f3=0.6m 说明： 沼气池的总高为2.4m，因为地下水位在地面下5-6m。假设在地面下6m为 了避免污染地下水，可设沼气池的地下埋深为2.5m,在地面以上的部分为0.5m。 确定进出料管的安装位置：水压式沼气池进出料管的的水平位置， 一般都确 定在发酵间直径的两端。 该位置 (4) 进出料管的垂直位置一般确定在发酵间的最低液面设计高度处 的计

21、算方法如下: 计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面O位置的距 离，如图4所示。其中，死气箱拱的矢高f死可按下式计算 f 死=hi+h2+h3 式中：hi池盖拱顶点到活动盖下边缘平面的距离(计算过程略去)，对 65cm直径的活动盖，该值在 10 15cm之间，取12cm h 2导气管下露出长度，一般取 3 5cm取4cm h 3导气管下口到 O-O液面距离，一般取2030cm,取25cm f 死=12+4+25=41cm=0.41m 图4 死气箱的矢高 1、活动盖 2、导气管 3、蓄水圈 4、死气箱 5、固定拱盖 计算死气箱的容积V死 式中：V死、f死、r1分别为死气箱容积、死气箱

22、的矢高、池高曲率半 径 求投料率：根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率，投料率 V -V死 100% 式中：v、v死分别为沼气池容积和死气箱容积，m 投料率=(16-3.9 ) /16=75.6% 计算最大贮气量V贮 3 V贮二池容X池容产气率X 0.5=16 X 0.3 X 0.5=2.4m 计算气箱总容积V气 V pV死+V贮 式中：V气、V死、V贮分别为沼气池气箱总容积、死气箱总容积和有 效气箱容积(最大贮气量) V 气=3.9+2.4=6.3m 3 计算池盖容积M 式中：V、f1、R分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径 3333 V1=3.14 X 0.66 -6X (3 X 1.65

23、+0.66 )=2.97m 6.3m 因此A A液面位置在池身内 计算发酵间最低液面位 A A 对于一般的沼气池来说，V气均大于V1,也就是说A A液面位置在圆筒形池 身范围内，此时，要确定进出料管的安装位置，应按下式先算出气箱在圆筒形池 身部分的容积V筒 V筒=V气-V i 由于V筒=n Rh筒，因此h筒 =2 兀R 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 A A液面位在池盖与池身交接平面以下 h筒的位置上，这个位置 就是进出料管的安装位置。 V筒=6.3 -2.97=3.33 m 3 h 筒=3.33/(3.14 X 1.65 2)=0.39m 3.2.3水压间的设计 水

24、压间的设计包括确定以下三个尺寸： (1) 水压间的底面标高，此标高应确定在发酵间开始工作状态时的液面位置 O- 0水平。 (2) 水压间的高度 H:此高度应等于发酵间最大液位下降值H与水压间液 面最大上升值H2之和，即 H=h+H (3) 水压间容积：此容积等于池内最大贮气量。 水压间的计算如下： 设计参数 最大投料量 Vna=90% 16=14.4m? 储气系数Q0.5 产气率 k= 0.3m3/ (m d) 总容积V=16m 直径 D=3.3 (m 池盖曲率半径r 1=2.39 ( m 矢高 f 1=0.66 (m) 设计计算 a. 集气间体积vo ( m)储气量vg( m) V0=V-V

25、maFl6-14.4=1.6 (m) V= VmaxX KX K=14.4 0.3 0.5=2.16 ( m) b. 根据V=VG,就可求出水压间的直径 D/。 假设hw=1m则 Dw= 4?2.16/(3.14?1) =1.66m 4配套设施的设计计算 4.1换热器的计算 因为料液含水率超过90%可以把料液当水看待。料液从 5C升至35T，热 水从75C降至45C，逆流流动。每月的原料液一次性进入换热器，加热后再进 入沼气池进行中温发酵，每个沼气池配一台换热器，则原料液流量为16制月， 换热时间为5h，则原料液的流量为105kg/h。 (1) 计算热负荷(不计热损失)及热水用量 (2) 平均

26、温度差 11=75-35=40； 12=45-5=40 C 因为 2 = 12 =1qm1 n = r 兀2 3600d1 u1 4 105 2 3600 998.2 0.785 0.022 =44.3，取 45 根 根据传热面积A估估算管子长度 二 d2 n =82.39 3.14 0.025 45 二 23.3m 若用4管程，则每管程的管长选用 L=6000mm 由换热器系列标准初选浮头式换热器型号为BES600-2.5-90-6/25-4I 管总数N=188根，每管程的管数n=188=47根，管中心距t=32mm正方形错 4 列。壳体内径D=600mm折流挡板间距h=200mm 故折流板

27、挡板数 I62 N=l-1=2-1=29 块。传热面积 A选=86.9m h0.2 （5）校核总传热系数 管程对流传热系数a 1 qm1105 管内料液流速 U1= 3600 1 = 3600 99821.89m/s lxd12x n 0.785 7.02 汉47 4 = 37581.6 d1 u1- _ 0.02 1.89 998.2 r1 叫1.004X10 1 3-3 4.183 101.004 10 0.599 a 10.023 二 R0.8 P0.30.023 X 0599 X( 37581.6) 0.8 X 706832.26W/m.K d10.02 壳程对流传热系数a 2 壳程流

28、通截面积 Shd (1-止)0.2 X 0.6 X( 1- 25 ) 0.0263m t32 27.8 热水的流速U2= 亚 =1.1m/ s P2 汉 S 983.1 汇 0.0263 正方形排列的当量直径 de= i. d0 叩=4 (O.。322 -。.785 O.。25 0.027m 3.14 0.025 -1 / 為、 Nu2Pr2 3 (-) % =163, R2=CP=4.179 103 469.9 10 J 2.98 0.659 热水被冷却，取 -)0.14 =0.95 1 a 2=163Pr2 3 de -)-0.14=163X 0659 X( 2.98 ) _3 X 0.9

29、5=2626.9 W/m2.K Jw0.027 总传热系数 2 取污垢热阻Rd= Rd2=0.0002m.K/W，碳钢的热导率九=45W/(m.K) D+Rd+ bp +RdX 鱼 + K 二dmd2 :2 d2 20 +0.0002+ 0.0025 汉 20 +0.0002 X 20 + 6832.2645 22.5252626.9 25 =0.000859 K=1164.1 W/mf.K 传热面积 Q3 48汇1062 A= =一. =84.9m 与原估计值基本相符 K %1164.1 35.2 A选=兰卫=1.02，即传热面积有2%的裕量，符合要求 A 84.9 4.2 吸收塔的计算 (

30、1)传质推动力的计算 在温度t=35 C,总压0.2Mpa下，含有HS 0.034% (摩尔分数)的沼气与清 水接触，吸收其中的HS。 相同条件下，气体密度之比等于气体相对分子质量之比。空气平均分子量是 29,硫化氢是34,所以硫化氢密度比空气的大。35C时空气的密度是1.15kg/m3, 则S的密度是1.34 kg/m 3,吸收后HS的必须小于0.06mg/m3，即4.48 x 10-8, 吸收率要达到99.99%以上。一般硫化氢的浓度超过0.02%时可引起人头痛、乏力、 失明、胃肠道病等症状。超过 0.1%时，可很快致人死亡。从实际情况考虑，只 要HS的摩尔分数低于0.02%即可，所以本设

31、计要求吸收率达到98%即出口混 合气体中HS的摩尔分数是0.00068%。 从化工原理表5-1查得HS水溶液的亨利系数E=68.6Mpa，总压P=0.2Mpa, 相平衡常数 m=E=68. =343 p 0.2 (2) 吸收剂(水溶液)用量的计算 设计参数 由沼气池出来的沼气用水溶液去除其中的HS,每月沼气产量为500m, 0.5h 处理完，则混合气体的流量 1000riVh，沼气的温度为35C，其中的二氧化碳、 甲烷等气体可视为惰性气体，性质认为与空气相同。吸收剂用量为最小用量的 1.1倍，已知操作压力为2个标准大气压。 设计计算 惰性气体流量为 吸收剂用量 L=39.55 x 369.75 x 18=263267.34kg/h (3) 吸收塔塔径的计算 设计参数 假设用清水吸收沼气中的 HS,最大沼气的处理量为 1000nVh，密度p G=1.15kg/m