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——4.0米3混凝土结构（池容产气率0.6米3/米3•天）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：水压式沼气池，设计，沼气目录1.绪论..............................................................11.1沼气介绍.....................................................11.2沼气发酵的原理...............................................11.3沼气发酵原料选择.............................................11.4工艺流程.....................................................21.5水压式沼气池结构.............................................21.6水压式沼气池工作原理及优点...................................32.圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算................................32.1设计参数.....................................................32.2设计原始数据.................................................42.3工艺流程设计.................................................42.4发酵料液的计算...............................................42.5发酵间的设计.................................................52.6进料口（管）的设计...........................................82.7水压间的设计.................................................93.圆筒形水压式沼气池施工及材料设计.................................103.1材料参考用量................................................103.2沼气池施工..................................................113.3成本核算....................................................124.参考文献.........................................................135.结束语...........................................................14固体废物处理与处置课程设计11.绪论1.1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】1.2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—11.3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，主要为秸秆类和粪CO2、H2CH4、N2CO等固体废物处理与处置课程设计2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】1.4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】1.5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314532图1—21—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2.1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和0.3几种。固体废物处理与处置课程设计4（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—12.4发酵料液的计算2.4.1发酵料液的体积33221172.63008.004.06008.05mTnknnV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；n2——产牲畜粪便总量。按养猪头数×0.006~0.15m3/（头·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5n3——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3312504.015.072.62121mkVV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）。2.5发酵间的设计2.5.1发酵间的容积31210.695.0504.072.6mkVVV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。2.5.2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①池盖削球体矢高mDf44.052.211式中：f1——池盖削球体矢高，m；D——圆柱体形池身直径，m；α1——直径与池顶矢高的比值，取5~6。②池盖削球体净容积固体废物处理与处置课程设计63222121188.044.01.1344.0614.336mfRfQ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①池底削球体矢高mDf275.082.222式中：f2——池盖削球体矢高，m；D——池身圆柱体直径，m；α2——直径与池底矢高的比值，取8~10。②池底削球体净容积3222222353.0275.01.13275.0614.336mfRfQ式中：Q3——发酵间池底削球体净容