水压式沼气池设计8.5米3混凝土结构-0.2米天

中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计11绪论1.1沼气沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，它是由生物质和有机质如秸秆、畜禽粪便等发酵产生的，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。1.2沼气发酵原理厌氧发酵也称沼气发酵或甲烷发酵，是指有机物在厌氧细菌作用下转化为甲烷（或称沼气）的过程。有机物厌氧消化的生物化学反应过程是非常复杂的，中间反应及中间产物有几百种，每种反应都是在酶或其他物质的催化下进行的，总反应式为：有机物＋H2O＋营养物——→细胞物质＋CH4↑＋CO2↑＋NH3↑＋H2↑＋H2S↑＋…＋抗性物质＋热量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。根据三阶段理论，甲烷发酵原理可由下图表示。中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计21.3沼气发酵优点沼气发酵有很多优点。沼气发酵可产生甲烷，它是清洁方便的燃料；发酵过程中N、P、K等肥料成分几乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨态氮，速效性养分增加；发酵残渣可以作为饲料肥料；沼气发酵处理有机物课大量地节省曝气消化所消耗的能量等等。1.4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。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。1.5水压式沼气池水压式沼气池，是我国推广最早、数量最多的池型，“三结合”即厕所、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。固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形三种池型。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，这个水位差叫做“水压”。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液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随着相应降低。这种利用部分料液来回窜动。引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就是水压式沼气池。其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。水压式沼气池结构简图如下：中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计3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。1.6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，基本流程图如下。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。中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计4（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圆筒形水压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、0.2和0.3几种。（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。（6）某农户家共6人，畜生（猪）5头。（此处根据我国农村一般情况自定数值）。2.2设计原始数据发酵间容积（池积）为8.5立方米；最大投料量小于发酵间总容积的90%；池容产气率：0.2米³沼气/米³池容·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：中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计52.4发酵料液的计算2.4.1发酵料液体积的计算332211014.73007.004.07009.06mTnknnV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；n3——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3312701.02.0014.72121mkVV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）、0.2m³/（m³·d）、0.3m³/（m³·d）、0.35m³/（m³·d）。本设计取0.35m³/（m³·d）2.5发酵间的设计2.5.1发酵间的容积312196.595.0714.0014.7mkVVV式中：V——发酵间容积，m³；中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计6V1——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，D=1.3048×3√5.96=3.19m，确定沼气池的直径为2.34m。（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。①池盖削球体矢高：mDf638.0519.311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32221211507.1638.017.13638.0614.336mfRfQ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mDf40.0819.322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池底削球体净容积中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计732222223893.040.017.1340.0614.336mfRfQ式中：Q3——发酵间池底削球体净容积，m3；f2——池底削球体矢高，m；（4）发酵间池身圆柱体容积和池墙高度①发酵间池身圆柱体净容积331240.3893.0507.18.5mQQVQ式中：Q2——发酵间池身圆柱体净容积，m3；V——发酵间总容积，m3；Q1——池盖削球体净容积，m3；Q3——发酵间池底削球体净容积，m3。②发酵间池身圆柱体高度mRQH79.017.114.340.3222式中：R——发酵间池身圆柱体半径，m；H——发酵间池身圆柱体高度，m。（5）发酵间内总表面积①池盖削球体球面内表面积222212158.5638.017.114.3mfRS式中：S1——池盖削球面内表面积，m2；R——池身圆柱体半径，m；f1——池盖削球面矢高，m。②圆柱体池身内表面积2280.579.017.114.322mRHS中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计8式中：S2——池身圆柱体内表面积，m2；R——池身圆柱体内半径，m；H——池身圆柱体高度，m。③池底削球体内表面积222222380.440.017.114.3mfRS式中：S3——池底削球体内表面积，m2；R——池身圆柱体内半径，m。f2——池底削球体矢高，m；④发酵间总表面积232118.1680.480.558.5mSSSS2.5.3发酵间各部分位置标注Q1f1Q2VHf2Q3DR2.6进料口（管）的设计进料口（管）由上部长方形槽和下部圆管组成，其中上部长方形槽几何尺寸是长×宽×深=600mm×320mm×500mm；下部圆管采用φ260mm现浇混凝土管，管与池墙角为40˚。中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计9h1h2h3fs2.6.1死气箱拱的矢高mhhhf41.025.004.012.0321死式中：h1——池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在10~15cm之间；h2——导气管下露出长度，取3~5cm；h3——导气管下口到液面距离，一般取20~30cm。2.6.2死气箱容积321295.0341.06675.141.014.33mffV死死死式中：V死，f死，ρ1——分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。2.6.3投料率根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率。%9.88%1005.895.05.8VVV死式中：V，V死——分别为发酵间容积和死气箱容积，m3。2.6.4最大贮气量31.063210.258.521mV池容产气率池容贮2.6.5气箱总容积3013.2063.195.0mVVV贮死气式中：V气，V死，V贮——分别为沼气池的气箱总容积、死气箱总容积和有中北大学信息商务学院固体废物处理工程课程设计10效气箱容积（最大贮气量）。2.6.6发酵间最低液面为（1）气箱在圆筒形池身部分的容积31506.0507.1013.2mQVV气筒（2）圆筒形池身内气箱部分的高度mRVh118.017.114.3506.022筒筒最低液面位于池盖与池身交接平面以下h筒的位置上，这个位置也就是进料管的安装位置。2.7水压间的设计2.7.1水压间零压线无效水压间的容积取为0。未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下0.4m处，因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m处的水平线上。2.7.2发酵间最大料液水位降产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f1+h筒=0.638+0.118=0.756m，又未产气时液面距池顶0.4m，所以，发酵间最大料液水位降为0.756-0.4=0.356m。2.7.3水压间高度由于设计压强为7480Pa（即80cm水柱）,因此