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；2. 产气率： m3*d；3. 池容产气率： ；4. 家庭人口： 7；5. 畜生数量： 9；6. 圆柱体型池身直径。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；3. 池盖顶端复土厚度不小于 200mm；4. 强度安

2、全系数 K；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. 张志魁 . 化工原理 M. 北京 . 化学工业出版社 .2002振明 . 固体废物的处理与处置 M. 北京 .高等教育出版社 .1993 由才 . 固体废物污染控制与资源化 . 北京. 化学工业出版社 .2002 有生 . 生态农业中废弃物的处理与再生利用 .

3、北京 .化学工业出版社 .2005 平 . 水压式沼气池原理与构造 . 可再生资源 .指导教师签字教研室主任签字年月日学生姓名： 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： 指导教师：年 月 日目录1 概 论设计任务和内容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（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

4、新扩改建现有1氨mg/m32三甲胺mg/m33硫化氢3mg/m34甲硫醇mg/m35甲硫醚mg/m36二甲二硫mg/m37二硫化碳mg/m3108苯乙烯mg/m314199臭气浓度无量纲1020306070沼气中的臭气主要为 H2S，而 H2S的含量为 %，经过吸收塔的吸收后就可以达到排放标准。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，比

5、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/m 2，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

6、最大气压极限 800kPa，装置内正常工作气压 784kPa， 活载荷 200kg/m2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。工程设计范围工程设计范围为工艺部分设计计算。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处理， 既可以有效利用资源，

7、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。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大类。 第一类细菌叫做分解菌， 它的作用

8、是将 复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳（ CO2）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 即生成甲烷。（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（H2S）、 氮及其他一些成分。

9、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 %。（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 CH4，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，比空气约轻一半。 甲烷溶解度很少，在 20、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， 是优质的气体燃料。 燃烧时呈蓝色火焰， 最高

10、温 度可达 1400 左右。纯甲烷每立方米发热量为千焦。沼气每立方米的发热量约 千焦，相当于 千克柴油或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，相当于燃烧千克煤所能利用的热量。水压式沼气池基本知识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，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

11、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 4 16千帕（即 40160 厘米水柱）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

12、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 每天仅为米 / 米 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。沼气池采用中温厌氧发酵发酵温度维持在 3035，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 较理想的发酵工艺类型。 目前世界各国的大、 中型沼气工程普遍采用此工艺。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

13、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发酵原料发酵原料：所

14、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 20：130：1，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。Cx混合原料碳氮比 kNx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吨， 查芈振明 固体废弃物的处理与处置表 97得稻草中 C1为 42%、N1为%；猪粪中 C2为%、 N2为%。设稻草有

15、 x kg ，猪粪则为（ 250-x ）kg求出 x=吨一次性投加的稻草为吨， 猪粪为吨。 水压式沼气池的容积比较小， 对于每月 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 草为吨，猪粪为吨。采用每 30 天投料一次， 30 天进行一次大换料。沼气池体部分设计计算设计参数（1）气压：（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，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1028，发酵料液中的干物

16、质含量为 6 10时，每天每立方米发酵料液产气量为，夏季产 气旺盛，冬季较差。我国通常采用的池容产气率包括、 、和几种，本设计取池容 产气率为。（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积有4、6、8、10m3 等几种，现采用的集中式沼气池容积比较大， 。（5）投料率：投料率系指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比， 一般在 8595%为宜。发酵间的设计（1）确定池容 V稻草和猪粪的年产量为吨， 月产量为吨。因为料液的含水率超过 90%，

17、取 95%， 所以沼气池的容积 V 可以定为÷ =16m3。（2）确定贮气量贮气量 =池容产气率×池容× =×16×=，这是每月产生的总沼气量，每个沼 气池产生的沼气通过管道连接在一起，进入吸收塔进行后续处理。（3）计算圆筒形发酵间容积： 圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成（如图 3 所示），三个部分的容积计 算公式如下：图 3 沼气池发酵间的组成式中： V1、V2、V3分别为池盖容积、池底容积、池身容积f1、 f 2 分别为池盖矢高、池底矢高r1池盖曲率半径，它与其他尺寸的关系为r1 1 R2 f12 ；1 2f11r 2池底曲率半径，它与其

18、他尺寸的关系为21f2 R222；池体内径 池身高度圆周率，取 离，如图 4 所示。其中，死气箱拱的矢高 f 死可按下式计算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 f1=1 ，池底矢跨比 f2 = 1和池身高 H D5各种因素，一般认为池盖矢跨比D8D时2.5沼气池的尺寸比较合理。f1 D ，5V= V1+V2+V3=+=2 D8 ，R=D2 代入上面各式得：D=0.447故 D=3 V /0.447 =，取 D为f1 =5 =f2=8=H=R=2=r1= 2?1f1(R2 +f12)=1r2=2?1f2(R2+f22)=总高 h=H+f1+f2+f3= ，其中

19、 f3 为沼气池上拱盖开口高度，取 f3= 说明：沼气池的总高为，因为地下水位在地面下 5-6m。假设在地面下免污染地下水，可设沼气池的地下埋深为，在地面以上的部分为。6m，为了避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，般都确定在发酵间直径的两端。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该位置的计算方法如下：计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面OO位置的距f 死 =h1+h2+h3式中： h1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 1015cm之间，取 12cmh2导气管下露出长度，一般取 35

20、cm，取 4cmh 3导气管下口到 OO液面距离，一般取 2030cm，取 25cm f 死 =12+4+25=41cm=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、r 1分别为死气箱容积、死气箱的矢高、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= 死 100%V式中： V、 V死分别为沼气池容积和死气箱容积， m3 投料率=（） /16=% 计算最大贮气量 V 贮 V贮=池容×池容产气率× =16×× =

21、计算气箱总容积 V 气V气=V 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 = += 计算池盖容积 V1 式中： V1、f 1、R分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径V1= ×÷6×（3 ×+=<因此 AA 液面位置在池身内 计算发酵间最低液面位 AA对于一般的沼气池来说， V气均大于 V1，也就是说 AA 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 -V1由于 V 筒=Rh 筒 ，因此 h筒 =V筒R2

22、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AA 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 = m3h 筒=× =水压间的设计水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 OO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H1 与水压间液面最大上升值 H2之和，即 H=H1+H2（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 Vmax=90% 16=储气系数 KG=产气率 K= （ m3·d）总容积 V=1

23、6m3直径 D=（m） 池盖曲率半径 r 1=（m）矢高 f 1=（ m） 设计计算a. 集气间体积 V0 （m3），储气量 VG（m3） V0=V-Vmax=（m3）3VG= V max× K×KG= =（m3）b. 根据 VW=VG，就可求出水压间的直径 DW。假设 hw=1m则Dw= 4?2.16/（3.14?1） =4 配套设施的设计计算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 5升至 35，热 水从 75降至 45，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16m3/

24、月，换热时间为 5h，则原料液的流量为 105 kg/h 。（1）计算热负荷（不计热损失）及热水用量（2）平均温度差t 1=75-35=40； t 2=45-5=40因为 t1 =40 =1<2，所以逆流 t 逆= t1 t2 =40，因为原料液和热水流量 t2 40 2比较大，单管程的换热器无法完成换热任务，所以选择单壳程双管程的换热器。R= T1 T2 =75 45=，P=t2 t1 =35 5 =，温度校正系数 =，因为>可行， t2 t1 35 5T1 t1 75 5 t m=× t 逆=×40=3.48 10682.39m21200 35.2（3）估算

25、传热面积 A 估选总传热系数 K 估=1200W/（）， A估Q估 K 估 tm（4）试选型号因为原料液中含有悬浮物质， 长期在换热器中流动， 会有部分沉积， 造成换 热管堵塞，增大污垢热阻，必须经常清洗换热器。壳程中有旋流挡板，易造成悬 浮颗粒沉降，而管程则易于清洗，所以热水走壳程，料液走管程。管内料液的流速选取 u1=2m/s选取传热管 25mm×，其内径 d1=，外径 d2=估算单程管子根数为3600qm12d1u110523600 998.2 0.785 0.022 244.3 ，取 45 根31.004 10 331 = 4.183 103 1.0040.5991= 110

26、 3d10.8 0.3 e1 r1=×0.5990.02×（）0.8×=根据传热面积 A 估估算管子长度A估82.39L = 估23.3md2 n3.14 0.025 45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 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 挡 板数 NB=L -1= 6 -1=29 块。传热面积 A 选=h 0.2（5）校核总传热系数管程对流传

27、热系数 1qm1105管内料液流速 u1= 3600 1 = 3600 9982 .21.89m/ s2 0.785 0.022 47d1 n4137581 .6d1 u11 0.02 1.89 998.2壳程对流传热系数 2壳程流通截面积 S=hd（ 1- d0 ）= ××（ 1- 25 ）=t 32热水的流速 u2=qm227.81.1m/ s2 S 983.1 0.0263正方形排列的当量直径de=4 （t 2 4d01Nu2Pr 2 3（ 2 ）w360.14 =163，P =cp2 2 = 4.179 103 469.9 10 62.980.659热水被冷却，取（

28、2）w0.1412=163 2 Pr2 3 （ 2 ） dew=163× 0.659 ×（）0.02713×= W/ 总传热系数取污垢热阻 Rd1= Rd2=，碳钢的热导率=45W/（）d 2）2 23.14 0.025d0） =4 （0.0322 0.785 0.0252 ） 0.027md12 d220 20+25 2626.9 251 = 1 +Rd1+ b d1 +Rd2 × d1 + K 1dmd20.0025 20 +×6832.26 45 22.5 ×K= W/传热面积6A= Q = 3.48 10 = 与原估计值基本相

29、符 K tm 1164.1 35.2A选 = 86.9 =，即传热面积有 2%的裕量，符合要求A 84.9吸收塔的计算（1）传质推动力的计算在温度 t=35 ，总压下，含有 H2S %（摩尔分数）的沼气与清水接触，吸收 其中的 H2S。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。 35时空气的密度是 m3，则 H2S 的密度是 kg/m 3，吸收后 H2S的必须小于 m3，即× 10-8 ，吸收率要达到 %以上。一 般硫化氢的浓度超过 %时可引起人头痛、乏力、失明、胃肠道病等症状。超过%时，可很快致人死亡。从实际

30、情况考虑，只要 H2S 的摩尔分数低于 %即可，所以 本设计要求吸收率达到 98%，即出口混合气体中 H2S 的摩尔分数是 %。从化工原理表 5-1 查得 H2S 水溶液的亨利系数 E=，总压 P=，相平衡常数 m=E =68.6p 0.2343LL ×( G ) 2GL用化工原理5-29 坐标的与乱堆填料的泛点线，查的纵坐标为0.2 L0.0014（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 H2S，每月沼气产量为 500m3，处理 完，则混合气体的流量 1000m3/h ，沼气的温度为 35，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=×× 18=h（3）吸收