水壓式沼氣池設(shè)計(jì)--固廢課設(shè)

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 20152016 學(xué)年第 二 學(xué)期學(xué) 院： 化工與環(huán)境學(xué)院 專 業(yè)： 環(huán)境工程 學(xué) 生 姓 名： 宋思奇 學(xué) 號(hào)： 1304014145課程設(shè)計(jì)題目：水壓式沼氣池設(shè)計(jì)4.0米3混凝土結(jié)構(gòu)（池容產(chǎn)率0.6米3/米3天）起 迄 日 期： 4 月 29 日 6 月10 日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院指 導(dǎo) 教 師： 李穎 系 主 任： 張建忠 下達(dá)任務(wù)書日期: 2016 年 4 月 29 日14水壓式沼氣池設(shè)計(jì)4.0米3混凝土結(jié)構(gòu)（池容產(chǎn)氣率0.6米3/米3天）摘要 水壓式沼氣池是我國推廣最早、數(shù)量最多的池形，是在總結(jié)“三結(jié)合”、“圓、小、淺”、“活動(dòng)蓋

2、”、“直管進(jìn)料”、“中層出料”等群眾建池的基礎(chǔ)上，加以綜合提高而形成的?！叭Y(jié)合”就是廁所、豬圈和沼氣池連成一體，人畜糞便可以直接打掃到沼氣池里進(jìn)行發(fā)酵?！皥A、小、淺”就是池體圓、體積小、埋深淺?！盎顒?dòng)蓋”就是沼氣池頂加活動(dòng)蓋板。這種池型的池體上部氣室完全封閉，隨著沼氣的不斷產(chǎn)生，沼氣池內(nèi)壓力相應(yīng)提高。這個(gè)不斷增高的氣壓，迫使沼氣池內(nèi)的一部分料液進(jìn)到與池體相通的水壓間內(nèi)，使得水壓間內(nèi)的液面升高。這樣一來，水壓間的液面跟沼氣池體內(nèi)的液面就產(chǎn)生了一個(gè)水位差。用氣時(shí)，沼氣開關(guān)打開，沼氣在水壓下排出，當(dāng)沼氣減少時(shí)，水壓間的料也又返回池體內(nèi)，使得水位差不斷下降，導(dǎo)致沼氣壓力也隨之相應(yīng)降低。關(guān)鍵詞：水壓式

3、沼氣池，設(shè)計(jì)，沼氣 固體廢物處理與處置課程設(shè)計(jì) 目錄1.緒論11.1沼氣介紹11.2沼氣發(fā)酵的原理11.3沼氣發(fā)酵原料選擇21.4工藝流程21.5水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)31.6水壓式沼氣池工作原理及優(yōu)點(diǎn)42.圓筒形水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算42.1設(shè)計(jì)參數(shù)42.2設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)42.3工藝流程設(shè)計(jì)52.4發(fā)酵料液的計(jì)算52.5發(fā)酵間的設(shè)計(jì)62.6進(jìn)料口（管）的設(shè)計(jì)92.7水壓間的設(shè)計(jì)103.圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設(shè)計(jì)103.1材料參考用量103.2沼氣池施工123.3成本核算124.參考文獻(xiàn)135.結(jié)束語141.緒論1.1沼氣介紹沼氣是由生物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)如秸稈、畜禽糞便等經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一種可

4、燃性混合氣體，其主要成分是甲烷（CH4），大約占60%；其次是二氧化碳（CO2），大約占35%；此外還有少量其他氣體，有水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氮?dú)獾?。不同條件下產(chǎn)生的沼氣，成分有一定差異?！?】1.2沼氣發(fā)酵的原理沼氣發(fā)酵，又稱甲烷發(fā)酵，是由多種微生物在絕氧條件下分解有機(jī)物實(shí)現(xiàn)的。通常把參與沼氣發(fā)酵的微生物分為三類。第一類叫發(fā)酵細(xì)菌，包括各種有機(jī)物分解菌，它們通過分泌的胞外酶，將復(fù)雜的有機(jī)物分解為較簡單的物質(zhì)，例如多糖轉(zhuǎn)化為單糖，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為甘油和氨基酸，脂肪轉(zhuǎn)化為甘油和脂肪酸；第二類叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，它們的主要作用是將前一類細(xì)菌分解的產(chǎn)物進(jìn)一步分解成乙酸和二氧化碳；第三類細(xì)菌叫產(chǎn)甲烷菌，其

5、作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳產(chǎn)生甲烷。在沼氣發(fā)酵過程中，這三類微生物既相互協(xié)調(diào)，又相互制約，共同完成產(chǎn)沼氣過程?！?】根據(jù)三階段理論，甲烷發(fā)酵原理可由下圖表示 碳水化合物 糖類 多糖 單糖 揮發(fā)酚、CO2 有機(jī)物 蛋白質(zhì) 氨基酸 丙酮酸、乙酸 脂肪 脂肪酸、甘油 有機(jī)酸、醇類 液化 產(chǎn)氫產(chǎn)醋酸CO2、H2CH4、N2CO等 產(chǎn)甲烷圖111.3沼氣發(fā)酵原料選擇農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料盡管很多，但從沼氣利用的角度考慮，主要為秸稈類和糞便類。糞便類分解速度相對(duì)較快，入池和出料都很方便，單獨(dú)使用產(chǎn)氣效果也很好，因而許多地方只采用糞便入池發(fā)酵。但隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，農(nóng)村種植和養(yǎng)殖模式發(fā)生了顯著的變化，家庭養(yǎng)

6、豬數(shù)量不斷減少，沼氣發(fā)酵的糞便量嚴(yán)重不足，秸稈作為發(fā)酵主要原材料成為必然。秸稈隨農(nóng)事活動(dòng)批量獲得，能長時(shí)間存放不影響產(chǎn)氣。但秸稈發(fā)酵速度較慢，需要較長時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期的沼氣產(chǎn)量，且出渣較為困難。為此，入池前需要進(jìn)行切短、堆漚等預(yù)處理，或和糞便一起發(fā)酵，并采用批量入池，批量出渣的方法?！?】1.4工藝流程沼氣發(fā)酵工藝類型較多，我國農(nóng)村普遍采用的是下述兩種工藝。（1） 自然溫度半批量投料發(fā)酵工藝這種工藝的發(fā)酵溫度隨自然溫度變化而變化，采用半批量方式投料。這種工藝的發(fā)酵期因季節(jié)和農(nóng)用情況而定，一般為5個(gè)月左右，運(yùn)行中要求定期補(bǔ)充新鮮原料，以免造成產(chǎn)氣量下降，該工藝的主要缺點(diǎn)是出料操作勞動(dòng)量大。（2）

7、 自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝 這種工藝是在自然溫度下，定時(shí)定量投料和出料，能維持比較穩(wěn)定的發(fā)酵條件，使沼氣微生物（菌群積累）區(qū)系穩(wěn)定，保持逐步完善的原料消化速度，提高原料利用率和沼氣池負(fù)荷能力，達(dá)到較高的產(chǎn)氣率；工藝自身能耗少，簡單方便，容易操作。【2】1.5水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)在我國農(nóng)村，沼氣發(fā)酵不僅作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，處理各類廢棄物來制成農(nóng)家肥，而且獲得生物質(zhì)能用來照明或作為燃料?！?】厭氧發(fā)酵一般在沼氣發(fā)酵池中進(jìn)行。沼氣池種類很多，我國農(nóng)村最常用的有：家用水壓式沼氣池，曲流布料沼氣池和圓柱形自循環(huán)沼氣池等?！?】其中，水壓式沼氣池是農(nóng)村推廣的主要池型。水壓式沼氣池是一種埋設(shè)在地下

8、的立式圓筒形發(fā)酵池，池蓋和池底是具有一定曲率半徑的殼體，主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導(dǎo)氣管幾個(gè)部分?！?】水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)簡圖如下 1 4 5 3 2圖121加料管；2發(fā)酵間；3水壓間；4導(dǎo)氣管；5控制閥1.6水壓式沼氣池工作原理及優(yōu)點(diǎn)家用水壓式沼氣池的工作原理是：池內(nèi)裝入發(fā)酵原料（約占池體積的80%左右)，以料液表面為界限，上部為貯氣間，下部為發(fā)酵間。當(dāng)沼氣池內(nèi)產(chǎn)生沼氣時(shí)，沼氣集中在貯氣間內(nèi)，隨著沼氣的增多，池內(nèi)的壓力不斷增大，此時(shí)沼氣壓迫發(fā)酵液進(jìn)入水壓間。用沼氣時(shí)，貯氣間的沼氣被放出，此時(shí)，水壓間內(nèi)的料液進(jìn)入發(fā)酵間，如此“氣壓水、水壓氣”反復(fù)進(jìn)行，因此稱之為水壓式沼氣池。水

9、壓式沼氣池構(gòu)造簡單，施工方便，各種建筑材料均可使用，取材容易，價(jià)格較低，一般68m3沼氣池造價(jià)6001000元?；炷两Y(jié)構(gòu)的沼氣池使用壽命可達(dá)20年。年產(chǎn)沼氣240m3以上（黃河以北），可供五口之家8個(gè)月做飯和全年照明?！?】2.圓筒形水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算2.1設(shè)計(jì)參數(shù)（1）氣壓：7480Pa（即80cm水柱）。（2）池容產(chǎn)氣率：池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池容積1晝夜的產(chǎn)氣量，單位為m3沼氣/（m3池容·d）。我國通常采用的池容產(chǎn)氣率包括0.15、0.2、0.25和0.3幾種。（3）貯氣量：貯氣量系指氣箱內(nèi)的最大沼氣貯存量。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的最大貯氣量以12h產(chǎn)氣量為宜，

10、其值與有效水壓間的容積相等。（4）池容：系指發(fā)酵間的容積。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的池容積有4m3、6m3、8m3、10m3等幾種。（5）投料率：系指最大投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比，一般在85%95%之間為宜。2.2設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)發(fā)酵間容積（池容）為4.0立方米；最大投料量小于發(fā)酵間總?cè)莘e的90%；池容產(chǎn)氣率：0.6米3/米3·天；建池材料：現(xiàn)澆混凝土；池內(nèi)正常工作壓力800毫米水柱(壓強(qiáng)P=0.08公斤/厘米2)。2.3工藝流程設(shè)計(jì)此處采用自然連續(xù)投料發(fā)酵工藝，以人、禽畜糞便及蔬菜秸稈為發(fā)酵原料，定時(shí)定量投料和出料，簡單工藝流程圖如下：人畜糞便（青草及農(nóng)業(yè)廢物）進(jìn)料間厭氧發(fā)酵間水壓

11、（出料）間農(nóng)田 圖212.4發(fā)酵料液的計(jì)算2.4.1發(fā)酵料液的體積 式中：V1發(fā)酵料液體積，m3； n1產(chǎn)人糞便總量。按常住人口×0.0060.013m3/（人·d）取值； n2產(chǎn)牲畜糞便總量。按養(yǎng)豬頭數(shù)×0.0060.15m3/（頭·d）取值； n3每日舍外能定量收集糞便總量，m3/d； k2收集系數(shù)，取0.51.0； T原料滯留期（d）；蔬菜區(qū)T取30，平壩農(nóng)業(yè)區(qū)取35，丘陵農(nóng) 區(qū)取40。2.4.2氣室容積的計(jì)算氣室容積式中：V1發(fā)酵料液體積，m3； V2氣室容積，m3； k3原料產(chǎn)氣率，我國通常采用的產(chǎn)氣率包括0.15m3/（m3·d）、

12、 0.2m3/（m3·d）、0.25m3/（m3·d）、0.3m3/（m3·d）。2.5發(fā)酵間的設(shè)計(jì)2.5.1發(fā)酵間的容積 式中：V發(fā)酵間容積，m3； V1發(fā)酵料液體積，m3； V2氣室容積，m3； k1容積保護(hù)系數(shù)，取0.91.05。2.5.2發(fā)酵間各部分尺寸的確定（1）沼氣池的直徑根據(jù)用戶平面布置確定?？紤]充分利用土地資源、平面布局緊湊的原則，確定沼氣池的直徑為2.2m。（2）發(fā)酵間池蓋削球體矢高和凈容積池蓋削球體矢高式中：f1池蓋削球體矢高，m； D圓柱體形池身直徑，m； 1直徑與池頂矢高的比值，取56。池蓋削球體凈容積 式中：Q1池蓋削球體凈容積，m3；

13、f1池蓋削球體矢高，m； R池身圓柱體內(nèi)半徑，m。 （3）發(fā)酵間池底削球體矢高和凈容積 池底削球體矢高 式中：f2池蓋削球體矢高，m； D池身圓柱體直徑，m； 2直徑與池底矢高的比值，取810。池底削球體凈容積式中：Q3發(fā)酵間池底削球體凈容積，m3； f2池底削球體矢高，m； （4）發(fā)酵間池身圓柱體容積和池墻高度 發(fā)酵間池身圓柱體凈容積 式中：Q2發(fā)酵間池身圓柱體凈容積，m3； V發(fā)酵間總?cè)莘e，m3； Q1池蓋削球體凈容積，m3； Q3發(fā)酵間池底削球體凈容積，m3。 發(fā)酵間池身圓柱體高度 式中：R發(fā)酵間池身圓柱體半徑，m； H發(fā)酵間池身圓柱體高度，m。（5）發(fā)酵間內(nèi)總表面積池蓋削球體球面內(nèi)表面

14、積式中：S1池蓋削球面內(nèi)表面積，m2； R池身圓柱體半徑，m； f1池蓋削球面矢高，m。圓柱體池身內(nèi)表面積式中：S2池身圓柱體內(nèi)表面積，m2； R池身圓柱體內(nèi)半徑，m； H池身圓柱體高度，m。池底削球體內(nèi)表面積式中：S3池底削球體內(nèi)表面積，m2； R池身圓柱體內(nèi)半徑，m。 f2池底削球體矢高，m；發(fā)酵間總表面積2.5.3發(fā)酵間各部分位置標(biāo)注 Q1 f1 Q2 V H f2 Q3 D R圖22 2.6進(jìn)料口（管）的設(shè)計(jì)進(jìn)料口（管）由上部長方形槽和下部圓管組成，其中上部長方形槽幾何尺寸是長×寬×深=600mm×320mm×500mm；下部圓管采用260mm現(xiàn)

15、澆混凝土管，管與池墻角為40。水壓式沼氣池進(jìn)料管安裝位置一般都確定在發(fā)酵間的最低設(shè)計(jì)液面高度處。該位置計(jì)算如下：2.6.1死氣箱拱的矢高 式中：h1池蓋拱頂點(diǎn)到活動(dòng)蓋下緣平面的距離，該值一般在1015cm 之間； h2導(dǎo)氣管下露出長度，取35cm； h3導(dǎo)氣管下口到液面距離，一般取2030cm。2.6.2死氣箱容積 式中：V死，f死，1分別為死氣箱容積、死氣箱矢高、池蓋曲率半徑。2.6.3投料率根據(jù)死氣箱容積，可計(jì)算出沼氣池投料率。式中：V，V死分別為發(fā)酵間容積和死氣箱容積，m3。2.6.4最大貯氣量 2.6.5氣箱總?cè)莘e 式中：V氣，V死，V貯分別為沼氣池的氣箱總?cè)莘e、死氣箱總?cè)莘e和有 效氣

16、箱容積（最大貯氣量）。2.6.6發(fā)酵間最低液面位（1） 氣箱在圓筒形池身部分的容積 （2）圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的高度最低液面位于池蓋與池身交接平面以下h筒的位置上，這個(gè)位置也就是進(jìn)料管的安裝位置。2.7水壓間的設(shè)計(jì)2.7.1水壓間零壓線 無效水壓間的容積取為0。未產(chǎn)生沼氣時(shí)液面位置在池蓋拱頂下0.4m處，因此水壓間底面標(biāo)高確定在池蓋拱頂下0.4m處的水平線上。2.7.2發(fā)酵間最大料液水位降產(chǎn)生最大貯氣量時(shí)的液面距池頂?shù)母叨葹閒1+h筒=0.44+0.116=0.556m，又未產(chǎn)氣時(shí)液面距池頂0.4m，所以，發(fā)酵間最大料液水位降為0.556-0.4=0.156m。2.7.3水壓間高度由于設(shè)計(jì)壓強(qiáng)

17、為7480Pa（即80cm水柱）,因此水壓間的高度2.7.4水壓間圓柱體底面積 2.7.5水壓間底面半徑 3.圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設(shè)計(jì)3.1材料參考用量根據(jù)GB/T4752-2002中4m310m3現(xiàn)澆混凝土圓筒形沼氣池材料參考用量表，如下：容積m3混凝土體積m3水泥kg中沙m3碎石m341.2573500.6220.95961.6354550.8091.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容積m3池體抹灰水泥素漿體積m3水泥kg中沙m3水泥kg40.2771130.259660.3471420.324780.4001630.374910

18、0.5082080.47511容積m3合計(jì)材料用量水泥kg中沙m3碎石m344690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710 表31本設(shè)計(jì)為池容6m3，產(chǎn)氣率為0.15m3/（m3·d）的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)圓筒形水壓式沼氣池，參照標(biāo)準(zhǔn)，取材料用量為水泥604kg，中砂1.133m3，碎石1.250m3。一般情況建一個(gè)的沼氣池需要紅磚600塊，若建6m3沼氣池，則水泥、磚、砂比8m3沼氣池用量要減少10%?？紤]到進(jìn)出料間用料則本設(shè)計(jì)需紅磚600塊，由于進(jìn)出料管為現(xiàn)澆混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分別增加為720kg，1.5m3，1.3m3，鋼筋1.8m。3.2沼氣池施工（1）考察地形，選定施工