象草沼气工程课程设计

1、 课程设计报告( 20132014年度第2学期)名 称：生物质生化转化技术课程设计 题 目：300人小区象草沼气集中供气工程设计院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成 绩： 日期：2014年 7月 9 日目 录一、课程设计的目的与要求11.1 课程设计目的11.2 课程设计要求1二、象草沼气工程的工艺设计22.1 生产基本参数及工艺指标22.2工艺流程的选择22.3 工艺流程的介绍2三、象草沼气工程的设计计算53.1 堆料场的设计53.2 粉碎机的选择53.3 泵的设计计算53.4 调节池的设计计算53.5 酸化池的设计计算63.6 厌氧发酵罐的设计计算63.7

2、增温保温的设计计算73.8 沉淀池的设计计算103.9 消化液储存池的设计计算113.10 汽水分离器的选择123.11 脱硫设备的选择123.12 沼气流量计的选择123.13 储气柜的设计计算123.14 沼气输配单元的设计12四、课程设计总结13五、参考文献14附录一 沼气工程工艺流程图15附录二 CSTR厌氧发酵工艺平、立面图16 课程设计报告一、 课程设计的目的与要求1.1 课程设计目的1.培养学生综合运用所学的基本理论、基本知识和基本技能、分析解决实际问题的能力；2.使学生了解工程设计的基本步骤、内容和方法；3.培养学生独立思考的能力；4.培养学生学习应用专业设计规范、设计手册的能

3、力；5.培养学生编写计算说明书的能力；6.培养学生绘制工程图纸的能力。1.2 课程设计要求1.以象草为发酵原料，为一个规模为300人的小区进行沼气集中供气工程设计；2.根据所提供的原料种类和用气量制定工艺方案，绘制工艺流程，并对工艺流程进行必要的说明；3.对原料储存设施、原料处理调节池、厌氧反应器、储气柜和渣液储存池等构筑物进行设计计算，对增温保温功率进行设计计算，对泵等设备进行设计计算和选型；4.根据工艺设计选择的反应器类型，绘制全套厌氧反应器设计图纸。二、象草沼气工程的工艺设计2.1 生产基本参数及工艺指标原料：象草小区人数：300人人均需气量：0.30.5 m3/d，取0.5m3/d总需

4、气量：150m3/d储气柜储气量：90m3日产气量：150m3/d干象草的沼气产能：0.37m3/kg含水率：50%日需象草量：0.81t/d发酵浓度：8%（TS）料液流量：5.62m3/d发酵时间：30d料液体积：168.6m3厌氧发酵罐的容积产气量：0.81.2m3/m3.d，取1.0m3/m3.d发酵罐的产气体积：150m3发酵罐的容积率：80%发酵罐的理论体积：187.5m3发酵温度：中温发酵，3538，取352.2工艺流程的选择此沼气工程以象草为发酵原料，为300人规模的小区提供沼气集中供气，用气量为120m3/d，属于小型沼气工程。根据所选原料及用气量，可以将整个沼气工程分为六个部

5、分：一是象草储存系统、二是象草预处理系统、三是以象草厌氧发酵系统、四是沼渣综合利用系统、五是沼气净化与储存系统、六是沼气输配与用户配套系统。2.3 工艺流程的介绍首先将象草原料进行收集并集中储存，按照每天所需象草原料的量，将一定量的象草在预处理系统中进行粉碎。粉碎后的象草原料进入调节池中，对原料的水量、水质、温度、酸碱度等进行调节，进一步进入酸化池。此后原料进入厌氧发酵罐中进行发酵。发酵过程结束后，固体和液体物质首先经过沉淀池对固、液进行分类。分离得到的固体物质，成为沼渣，为小区附近的农田提供有机肥料。分离得到的液体，成为沼液，沼液少部分供给有机蔬菜大棚作为养料，大部分沼液循环使用。分离出的气

6、体经过脱硫后进入干式储气柜储存，按照每日的需气量，将一部分沼气通过沼气增压机增压，此后进入缓冲储气柜、调压器，最后为小区的用户所利用。具体工艺流程见附图。下面对工艺流程中的重要过程进行说明。2.3.1 象草原料的储存象草原料收集后首先进行自然风干，使得象草原料的含水量满足技术要求，然后以堆跺方式储存在堆料场，象草每年可以收割68次，考虑到象草原料单位质量的产气量相对较小，而小区储料面积有限，因此象草收割次数按最多8次计算，堆料场只需要储存一个半月需要的象草原料即可，从而节约象草原料储存所需要的面积。 2.3.2 象草原料的粉碎所有象草原料均须采用专用粉碎机械粉碎处理，粉碎后的原料中，不得有20

7、mm以上长度的象草纤维。2.3.3 调节池调节池用于发酵原料的水量、水质、温度、酸碱度的调节，也兼顾初次沉淀功能。粉碎后的原料按规定数量经计量后投入调节池与回流水进行搅拌混合，同时补充新水，使料液浓度达到TS 8，搅拌均匀后泵入厌氧发酵罐进行发酵。2.3.4 酸化池对于含固体高的发酵原料应设置酸化池，酸化池宜分解为24格，轮流作业，酸化池的建设以半地下式为主，根据地区气候条件的不同，既要考虑消除浮渣、积渣方便，又要考虑冬季保温，防止料液结冰。2.3.5 厌氧发酵采用中温（35-38）发酵，利用太阳能作为热源对发酵罐进行增温保温，以保持中温发酵的条件。该发酵罐须做好保温，原料发酵采用下流式，多点

8、布料。发酵罐配置负压保护装置，并使贮气罐与发酵罐之间的沼气管路往返畅通，以保证发酵罐出料时不产生负压。2.3.6 保温增温措施增温措施主要利用太阳能供热。本项目用增温措施补充的热损失包括发酵设施和各种管路的散热损失，象草原料和补充新水的升温热量，回流水配料工序的散热损失，按每天进料量折算。2.3.7 沉淀池通过自然沉淀的方式使发酵结束后剩余的固体和液体物质分类，得到沼渣和沼液。2.3.8 沼渣、沼液的综合利用将氧发酵残余物沼渣将作为初级有机肥直接施用在小区附近的农田。沼渣的综合利用实现了整个生产过程无废弃物排放，实现了物质循环合理利用的生态系统。沼液大部分用于回流配料，少部分供给附近的蔬菜大棚

9、作为养料。2.3.9 沼气的净化与储存沼气经脱水、脱硫，计量后进入干式储气柜储存。净化工序包括沼气的脱水、脱硫。沼气的脱水采用重力方法，并在输送沼气管路的最低点设置气水分离器将管路中水蒸气排除。沼气脱硫采用干式脱硫剂脱硫。沼气通过脱硫器后，沼气中H2S浓度应低于20mg/m3。2.3.10 沼气输配与用户配套沼气输配采用常压输配，沼气由干式储气柜输出，经增压机加压，最大压力0.08MPa，并通过缓冲储气罐和埋地敷设的输配管路输送，至小区后经调压器调压至0.04MPa后连接输配支管，再通过分支管路送入各用户的厨房。每户居民配套燃气表、沼气灶具和灯具。三、象草沼气工程的设计计算3.1 堆料场的设计

10、由生产及工艺指标可知，象草的消耗量为0.81 t/d。由于象草每年可以收获68次，按照8次计算可使储存的象草量最少，占地面积最小。因此，一次储存的象草量为一个半月所消耗的象草原料的量，为。结合象草自然堆积情况下的密度，算得体积约为1458m3。设计堆料场的面积为370m2，高度在4m以内。以彩钢板作为棚顶和四壁的材料，地面为混凝土地面，并棚架上设置消防喷淋系统。此外，配套消防水池为砖混结构，容积100m3，长10m、宽6.6m、池深1.5m，配备消防泵一台，5.5kw。3.2 粉碎机的选择设计选用JF-500粉碎机2台，1台使用，1台作为备用。象草粉碎量300500 kg/h，电机的功率5.0

11、kw。3.3 泵的设计计算3.3.1 类型和参数的选择由于料液的悬浮物浓度较高，因此选用WDB无堵泵。吸水管及出水管的流速均选择1.0m/s3.3.2 泵的功率进料时间为0.5h，因此进料流量扬程为液面的高度h=4.4m，此处泵的扬程h取5m，完全可以满足要求水泵轴功率配套电机功率。3.4 调节池的设计计算3.4.1调节池搅拌器为了使废水混合均匀，调节池下设两台LFJ-350反应搅拌机3.4.2 调节池容积调节池的原料滞留时间通常以发酵原料量变化一个周期的时间设计为宜，取10d。调节池的有效容积调节池的实际容积3.4.3 调节池尺寸为了便于调节池的管理，和不至于过低接触底部，调节池高度H选择在

12、0.52m之间。为了调节池有足够的反应时间，调节池的长度L选择在1020m之间。取高度为1m，长度取14m，则宽度B=5m设计调节池为两节，则每节的高度为1m，长度为7m，宽度为5m3.5 酸化池的设计计算3.5.1 酸化池的容积酸化池的酸化时间对纤维素含量较高的秸秆和牛粪，酸化时间宜为23d。本工程中所用的象草其纤维素含量也较高，因此酸化时间取3d。酸化池的有效容积酸化池的实际容积3.5.2 酸化池的尺寸与上升速度酸化池的上升流速度为0.50.8m/s，取上升流速为0.5m/s取高度1.5m，长度取6m，则宽度为2.3m，实际高度为1.5+0.5=2m设计酸化池为两节，则每节的高度为2m，长

13、度为3m，宽度为2m3.6 厌氧发酵罐的设计计算3.6.1 发酵罐体积与尺寸的设计根据工艺参数，发酵罐的体积为187.5m3，因为较小高径比的反应罐能较好保留污泥量并有效减少搅拌器的负荷，所以设计的反应罐采用较小的径高比。假设径高比，计算得到D=7.1m，H=4.7m取D=7m，H=5m，则实际的径高比D/H=7/5=1.4实际发酵罐的体积：可以满足要求。3.6.2 发酵罐体积的校核根据工艺参数，每日的料液量为5.62m3，由于发酵的周期为30d，因此发酵罐内至少应该可以储存30d进入的料液量。因此发酵罐的体积不能小于：由于170.1m3小于设计的体积，因此符合要求。按照上述设计，液面的高度最

14、高为：3.6.3 搅拌器电机的功率设计叶轮的直径D=1.0m，共有两个叶轮，转速n=50r/min，一小时工作五分钟则单个叶轮需要的功率：所以总功率为：3.7 增温保温的设计计算3.7.1 料液加热功率的计算发酵罐的表面积：每天的进料量为5058kg/d，采用中温发酵35，料液的温度为20，以水的比热容作为料液的比热容，因此温度差：因此可以算得每日加热所需要的热量为：从而得到料液的加热功率为：3.7.2 发酵罐保温功率的计算发酵罐的散热可分为两个部分，即圆柱壁面的散热和圆底的散热。反应罐内恒定温度为35，假定环境温度最低为-5，最大温差40，因此反应罐内层采用30mm铬镍钢，。保温层采用100

15、mm挤塑聚苯乙烯泡沫板，外层以薄彩钢固定，底部每秒的的热损失可以按照下面的公式计算：其中A为圆底的面积，K为平板的导热系数。其中h1内部对流换热系数，根据文献取为1800W/(m.k)，h2为保温层外表面与环境间换热系数，对于非金属保护层可取为11.63 W/(m.k)。因此圆柱壁面每秒的散热量可以按照下式进行计算：其中r0为罐体的内径为3.5m，r1为罐体的外径为3.53m，r2为保温层外径为3.63m所以圆柱壁面每秒的散热量为：因此罐体一天的散热损失为：3.7.3 热负荷及加热管的计算加热装置的热负荷可由上述计算结果计算，公式为：其中Qb为发酵过程中产生的生物热，Qg为沼气带走的热量，可以

16、忽略不计。因此根据计算总加热功率P=7.9kW假设加热管中的工质流速为1m/s，设进口温度温度为60，出口温度为45，则加热管中的流量为：加热管径为：又因为工质在管内流动较缓，所以假设管内外壁的传热系数相等均为400W/(m.k)，因为加热管的导热性能好，导热系数可以忽略。因此，加热管的总传热系数：水的平均温度为：，所以加热管长为：设计的周长为22m，考虑到热损失，热水管应该均匀环绕三周。3.7.4 太阳能集热装置的设计3.7.4.1 太阳能集热器面积及管子数量考虑到管路损失的影响，管路损失大约占罐体需热量的2%，因此太阳能集热装置每天提供给系统的热量为：单位面积的日辐射量Ra假设为14MJ/

17、m2，选择真空管太阳能集热器，其效率为45%，则太阳能集热器的面积为：本工程所用真空管太阳能集热器的真空管尺寸为直径58mm，长度1800mm，单根管集热面积为0.1044m2，经计算得到需要真空管1130根。3.7.4.2 蓄热水箱的设计为了保证在太阳辐射不存在的情况下仍能为反应装置提供一定的热量，确保反应装置在正常温度下工作。系统中太阳能集热器收集的热量存在蓄热水箱中的热媒中。蓄热水箱中的热水起到加热发酵罐内料液温度的作用。设发酵罐内料液温度维持恒定的35，从太阳能集热器出来的热水的温度为60，因此进入内部蓄热水箱的热水的温度也是60，设从内部蓄热水箱出来的水的温度为40。因此在计算内部蓄

18、热水箱的热流量时，必须采用整个传热面上的对数平均温差，其计算公式为：t4为太阳能集热器的出水温度,即蓄热水箱的入水温度，t3为太阳能集热器的进水温度,即蓄热水箱的出水温度。所以蓄水池的容积为：将其设计为圆柱体，直径设计为2.5m，则高度为2.9m。外部膨胀水箱采用太阳能集热器配套的蓄热水箱,不再另外进行设计加工。3.8 沉淀池的设计计算3.8.1 沉淀池参数的选择采用平流式沉淀池，取表面负荷，取池高不应小于0.3m，沉淀池的有效水深宜采用24m，沉淀时间取3h3.8.2 沉淀池总表面积3.8.3 沉淀池部分有效水深3.8.4 沉淀池有效容积3.8.5 沉淀池长度由沉淀池出口的最大负荷不应大于2

19、.9L/(s.m2)，即水平流速为：v<2.9mm/s，取水平流速为0.15mm/s3.8.6 沉淀池宽度3.8.7 污泥部分高度排泥污泥斗为方斗，斜壁与水平面倾角为60°，取底边污泥口宽度为0.2m，则污泥的高度为：3.8.8 沉淀区的高度取超高hl=0.3m 缓冲层高度h3=0.5m3.9 消化液储存池的设计计算消化液在储存池中储存4天，则有：消化液储存池有效容积：消化液储存池真实容积：为了流入与自留流出的方便，提供一定的静水压头，水的深度应在24m之间。取h=3m，并按照圆形设计，计算得到半径R=1.72m3.10 汽水分离器的选择根据沼气量的大小，汽水分离器的规格型号可

20、以从下表中选择：表2 汽水分离器规格型号型号汽水分离器外径/mm进出口管径/mm适用情况GS-600600DN150200沼气量大于GS-500500DN100150沼气量GS-400400DN50100沼气量小于500m3/d因此应选择GS-400型号的汽水分离器。3.11 脱硫设备的选择脱硫塔的规格型号可以从下表中选择：表3 脱硫塔规格型号型号脱硫剂量/kg进出口管径/mm适用情况TS-10001000DN150200沼气量大于TS-500500DN100150沼气量TS-250250DN50100沼气量小于500m3/d因此应选择TS-250型号的脱硫塔。3.12 沼气流量计的选择选择型

21、号为LZ100的沼气流量计，其量程为0100 m3 /h，满足本沼气工程的要求。3.13 储气柜的设计计算储气柜的储气量一般为日用气量的5060%，因此储气柜的储气量为由于冬季温度可能低于0，所以选择常压干式储气柜。3.14 沼气输配单元的设计 采用常压输配，输配压力低于0.08MPa，压力值在国家规定的低压压力下限0.1MPa以下，输配管路采用环形管网，地埋敷设。四、课程设计总结通过参照设计标准及相关文献，设计了300人小区象草沼气集中供气工程，对工艺流程进行了设计，并画出了工艺流程图。对原料储存设施、粉碎机、格栅、泵、固液分离器、调节池、酸化池、厌氧发酵反应器、换热器、沉淀池、消化液储存池、汽水分离器、脱硫塔、储气柜等设备设施进行了选择和设计。并画出了厌氧发酵反应器的CAD图。通过上述工作，很好的完成了课程设计的要求。通过本次课程设计，我对沼气工程的整体设计工艺有了深入的了解，对各部分的工艺计算进行了学习，仔细的阅读了沼气工程设计规范及相关文献，从而学会了整体的设计方法及设计过程。通过自主的文献、手册、书