水压式沼气池的设计

水压式沼气池的设计一、沼气池的工作原理和设计依据〔一〕沼气池的工作原理水压式沼气池的工作原理可以概括为两句话：产气时，气压水；用气时，水压气。水压式沼气池装料封盖后启动前状态时，在发酵间内的料液和水压间内的料液液面上，同时受到大气压力的作用，因此此两个液面处在同一水平面上，它们之间的气压差和液面差均为零。此时的工作状态称为“初始工作状态”，此时的料液液面高度为O-O水平面，发酵间内存在的空间为V0。启动以后，沼气池内开始发酵产气，随着沼气产量的逐渐增加，发酵间上部气箱中的贮气量越来越大，同时所产生的沼气将发酵间内的料液压入水压间，压出的料液体积与所产的沼气体积相等。当发酵间内贮气量到达最大贮气量VC时，水压间里增加的料液也为最大贮液量VC。此时发酵间内的料液面下降到可能下降的最低位置A-A水平面，水压间内的料液面上升到可能上升的最高位置B-B水平面。此时的工作状态称为“极限工作状态”。发酵间内料液面的下降和水压间内料液面的上升使得两液面产生了高度差，高位料液具有的势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。由于料液比重接近于1，因此一般将两料液面的高差值视为池内沼气压强值。在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼气压强，数值等于：式中：ΔH——沼气池最大液面差；H1——发酵间液面最大下降值；H2——水压间液面最大上升值。以上就是“气压水”的全过程。当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发酵间内液面渐渐上升。此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高差的减少而变得越来越小。当发酵间料液液面与水压间料液液面相平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零而不再输出，“水压气”过程结束。沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范围之内，不可能超出这个范围。水压式沼气池初始工作状态H2ΔHHH2ΔHH1水压式沼气池极限工作状态〔二〕沼气池的设计依据分析上述工作原理，可以得到以下三点设计水压式沼气池的主要依据：1.沼气池装料〔包括料液〕的最高位置只能在沼气池处于初始工作状态时的液面高度，此时的液面为O-O液位。在O-O液位时，发酵间上部仍有局部气箱可以贮存沼气，但是这局部沼气由于无法被压出，因此无法被利用，所以称为“死气”。“死气”所占据的空间称作“无效气箱”或“死气箱”。2.水压间内的料液液面在O-O位置，即初始工作状态时，其液面处于最低位置，不可能再继续下降。因此，在水压间中如果存在低于O-O位置的料液的话，这局部料液没有势能，不具有压出气箱内沼气的作用，是“死液”。“死液”所占据的那局部水压间被称为“无效水压间”。无效气箱和无效水压间对沼气池运行不起任何作用，因此应当尽量控制其容积。在满足功能要求的情况下，无效气箱和无效水压间容积越小，沼气池的利用效率就越高，造价也越低。3.水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是最低液面，而水压间液面是最高液面，此时沼气池内的压强到达最高值。在设计中，称此时的压强为最高设计压强。沼气池在运行时其池内压强不应超过此值，否那么将因超负荷而破坏沼气池。为防止沼气池超负荷运行，一般设计中采取的措施是：将进、出料管〔或其中一管〕上沿安装在A-A液位面与池身的交线上，这样，当贮气量超过最大贮气量，即液面低于A-A位置时，多余的沼气自行从进、出料管逸出，保持池内压强不大于最高设计压强；同时，将水压间的溢料口下沿设计在B-B位置上，这样即使水压间液面有超过B-B位置的可能时，超出的局部料液也会从溢料口中溢出，使两液面差始终保持在最大液差之内。〔三〕设计参数设计水压式沼气池，除了掌握上述依据外，还需要掌握沼气发酵工艺中的有关参数。主要参数有：1.气压由于沼气燃烧器〔包括沼气灯和沼气炉、灶等〕需要在额定的压力范围内才能进行正常工作，因此在设计时应考虑气压值的大小。根据我国农村的具体情况，水压式沼气池的设计气压为7840Pa〔即80cm水柱〕为宜。气压过高容易损坏池体，造成渗漏：气压过低那么不便沼气的输送和使用，同时会造成水压间占地面积过大。2.池容产气率即每立方米发酵间每昼夜的产气量〔m3/m3·d〕，它反响沼气池在一定条件下生产沼气的能力。在常温半连续发酵的条件下，池容产气率是在不断变动的。作为设计参数的池容产气率仅仅是为了设计的需要而估计确定的一个参数。根据我国实际，水压式沼气池通常采用的池容产气率有0.15、0.2、0.25、0.3几种。3.贮气量水压式沼气池的贮气量是指气箱内的最大贮存沼气量，它是根据沼气池的产气情况和用户用气情况而确定的，经过分析和验证认为，农村以炊事为目的的沼气池，最大贮气量以12小时产气量为宜。由于贮气量等于排出的料液量，因此它也等于有效水压间的容积。—m3之间，家庭人口约为3—5人，因此一般取池容为4、6、8、10m3等几种。5.投料率指的是最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比。投料率的大小确定了无效气箱的多少。投料率越大，无效气箱越小，那么所建沼气池越经济。但要注意，投料率不能为100%，这是因为安装导气管时，为防止蛆虫爬进造成堵塞，导气管应露出活动盖下口3—5cm；同时，为防止料液或者浮渣堵塞导气管，液面应低于导气管15—20cm。因此，投料率一般在85——95%之间为好。〔四〕水压式沼气池的构造设计水压式沼气池发酵间设计可按以下步骤进行：⑴确定池容池容的大小主要取决于家庭人口数、用气水平和预计池容产气率，其相互关系为：⑵确定贮气量⑶计算发酵间容积综合圆筒型沼气池的内力结构计算、材料用量计算和施工管理、使用技术等诸种因素，一般认为：当池盖矢跨比、池底矢跨比和池身高〔对于4、6、8、10m3容积的小型沼气池可取H=1m〕时，沼气池的尺寸比例比拟合理。这样，一旦发酵间某一尺寸被确定以后，我们即可以计算出其它局部的尺寸和发酵间各局部的容积。我们还可以用合理尺寸比例来确定容积的发酵间各局部尺寸。利用合理尺寸比例和容积计算公式可以得出：因为发酵间容积，所以。因此可以得一计算公式：即求出D后，其它尺寸便能求出了。⑷确定进出料管安装位置进出料管位置的安装是否恰当，对沼气池的发酵和产气都会有很大的影响。水平位置安装不恰当，会引起发酵原料利用不充分；竖直位置安装错误，会引起跑气或者压力过高等现象。①水平位置确实定目前水压式沼气池进、出料管的水平位置一般均确定在发酵间直径的两端上。这种对称布置使进出料口之间的距离最远，对于保证发酵原料在池内的滞留期和流动的均匀性都有很大的好处，可以减少发酵原料的短路和发酵出现死角的现象。②竖直位置确实定Ⅰ.压强控制法〔限压法〕该种方法是将进、出料管位置确定在发酵间的最低设计液面高度上。这样，当池内贮气量到达最大设计贮气量〔同时，池内也到达了最高设计压强〕时，进、出料管口的上沿即开始露出液面。如果继续产气，那么所产沼气即从进、出料管逸出池外，保持池体内的压强始终在设计压强范围之内。这种方法的优点在于能自动限压，保护池体的平安，缺点是进、出料口位置偏高，用肥时不易取出较稠的料液。压强控制法计算进、出料口竖直位置的方法如下：A、计算死气箱拱的矢高〔即池盖拱顶点到发酵间最高液面位O-O位置的距离〕如下图，死气箱拱的矢高：式中：h1——池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离。计算可得〔计算过程从略〕：对于65cm直径的活动盖该值在10~15cm之间。h2——导气管下露出长度。为保证不让蛆虫等爬入导气管内使导气管堵塞，该值取3~5cm。h3——导气管下口到O-O液面为的距离。由于池内浮渣会逐渐加厚，实际液面要高出O-O液面，因此要求h3必须大于15cm。一般可取20~30cm。B、计算死气箱容积式中：Vs——死气箱容积fs——死气箱矢高r1——池盖曲率半径根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率：C、计算最大贮气量D、计算气箱总容积式中：V气——沼气池气箱总容积；VC——沼气池有效气箱容积〔即最大贮气量〕E、计算发酵间最低液面A-A〔即极限工作状态〕先比拟V气和V1〔池盖容积〕：eq\o\ac(○,A)当V气>V1时，A-A液面在圆筒形池身范围内；eq\o\ac(○,B)当V气<V1时，A-A液面在池盖范围内；eq\o\ac(○,C)当V气=V1时，A-A液面恰好在池盖和池身交接平面上。大多数沼气池是属于eq\o\ac(○,A)种状况，只有在池容产气率较低、沼气池效益很差的情况下出现eq\o\ac(○,B)状况，至于eq\o\ac(○,C)纯属巧合。在eq\o\ac(○,A)状况时，要确定进、出料管的安装位置，应首先算出气箱在圆筒形池身局部的容积：式中：V筒为气箱在在圆筒形池身内所占的容积。由于V筒=πR2h筒式中：h筒——圆筒形池身内气箱局部的高度；R——圆筒形池身半径。因此A-A液面位在池盖与池身交接平面以下h筒的位置上，该位置也就是进、出料管上口的安装位置。Ⅱ、中层出料安装法这种安装法是将是进、出料管安装在圆筒形池身墙中部偏下的位置，这要比用压强控制法计算出的位置低约20cm左右。这样安装进、出料管，便于中层出料，有利于卫生。因为上层料液多浮渣，消化率低，灭菌效果差；底层料液由于沉淀，寄生虫病卵较多；中层料液虫卵少，消化情况也较好。因此从卫生角度来看，中层出料最为理想。在采取中层出料安装法时，池内压强有时可能高于设计压强，不利于池体平安。因此，在应考虑沼气池的减压平安保护措施。常见的平安保护措施一是加大池体结构的平安系数；二是采用其它形式的限压装置，如可以控制气压计玻璃管的高度，当气压过大时会将气压计水柱冲出，到达减压保护池体的作用。“农村家用水压式沼气池标准图集”〔GB4750—84〕进、出料管采用的是中层出料安装法。以上两种方法各有利弊，在实践中最好的方法是将两种方法结合起来：即用压强控制法来确定进料管安装位置，而出料管的位置那么采用中层出料安装法来确定。这样，既能保证池内压力不会超过设计压强，又能保证中层出料，有利于除害灭病，方便取肥用肥。水压间兼有对池内沼气加压、贮肥以及便于出料等多种功能。设计合理水压间的要求是：无效水压间容积是零；当水压间中料满时，气箱内的沼气压强恰好等于设计压强。要做到以上两条，在设计水压间时必须确定三个尺寸：〔1〕水压间底面标高。由于当水压间底面恰好与发酵间初始状态O-O位置相平时，水压间无无效容积。因此，将水压间底面标高确定在此位置上最为理想。〔2〕水压间高度。因为沼气池内设计压强是沼气池在最大贮气量时发酵间内的液面下降值和水压间的液面上升值之和产生的压强，此时，水压间液面到达了最高位置〔即B—B液面〕。因此取此位置作为水压间顶面是最经济、最合理的。〔3〕水压间的容积。由于从池内压出的料液量等于池内的贮气量，因此，水压间的容积等于池内最大贮气量。下面用一些公式来说明水压间的设计方法：〔1〕求水压间底面标高根据计算，O-O位置在池盖拱顶下fs处，因此底面标高应确定在池盖拱顶下fs处。〔2〕求发酵间最大液位降H1〔即O