1、課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱：水壓式沼氣池設(shè)計課程設(shè)計題目：學院名稱：專業(yè)：班級：學號：姓名：評分：教師：20年月日目 錄1 概論21.1 設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容21.1.1 設(shè)計內(nèi)容21.1.2 水壓式沼氣池設(shè)計任務(wù)21.1.3 課程設(shè)計原則31.1.4 工程設(shè)計范圍31.2 項目的背景及建設(shè)的必要性31.3 沼氣的基本知識31.4 水壓式沼氣池基本知識41.4.1 水壓式沼氣池的特點41.4.2 沼氣池采用中溫厭氧發(fā)酵42 厭氧發(fā)酵工藝流程說明43 沼氣池體部分的設(shè)計計算53.1 發(fā)酵原料53.1.1 沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量53.1.2 原料的碳氮比53.2 沼氣池體部分設(shè)計計算63.2.1 設(shè)計

2、參數(shù)63.2.2 發(fā)酵間的設(shè)計63.2.3 水壓間的設(shè)計104 配套設(shè)施的設(shè)計計算104.1 換熱器的計算104.2 吸收塔的計算12參考文獻141 概 論1.1 設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容 設(shè)計內(nèi)容 根據(jù)基礎(chǔ)資料，設(shè)計一個方案，對農(nóng)業(yè)固體廢物畜禽糞便和秸稈進行厭氧發(fā)酵處理，溫度低的時候?qū)υ线M行換熱，使進口溫度滿足中溫厭氧發(fā)酵，出口氣體吸收其中的硫化氫，沼氣經(jīng)凈化之后達到惡臭污染物控制標準（GB14554-93）中二級新擴改建標準?？刂茦藴嗜绫?所示：表1 惡臭污染物廠界標準值序號控制項目單位一級二級三級新擴改建現(xiàn)有新擴改建現(xiàn)有1氨mg/m31.01.52.04.05.02三甲胺mg/m30.050.0

3、80.150.450.803硫化氫mg/m30.030.060.100.320.604甲硫醇mg/m30.0040.0070.0100.0200.0355甲硫醚mg/m30.030.070.150.551.106二甲二硫mg/m30.030.060.130.420.717二硫化碳mg/m32.03.05.08.0108苯乙烯mg/m33.05.07.014199臭氣濃度無量綱1020306070沼氣中的臭氣主要為H2S，而H2S的含量為0.034%，經(jīng)過吸收塔的吸收后就可以達到排放標準。 水壓式沼氣池設(shè)計任務(wù)（1）設(shè)計題目水壓式沼氣池設(shè)計（2）主要設(shè)計任務(wù) 水壓式沼氣池尺寸設(shè)計：沼氣池主體容積

4、、高度、直徑、水壓間容積、高度、直徑。配套設(shè)施：換熱器的傳熱面積、管長、管徑、標準換熱器選型；吸收塔填料層高度、塔徑、總壓力等。換熱器和吸收塔采用間歇式操作，一次厭氧發(fā)酵時間為30天，比較冷的月份分兩個區(qū)間，從1月份到3月份，從10月份到1月份是比較冷的時間，所以需要用到換熱器；產(chǎn)生的氣體要經(jīng)過吸收才能達到惡臭污染物控制標準，所以要用到吸收塔。（3）設(shè)計目的鞏固已學過的與環(huán)境工程有關(guān)的專業(yè)知識，特別是厭氧發(fā)酵章節(jié)；領(lǐng)會國家關(guān)于環(huán)境保護的方針、政策和法規(guī)，初步樹立正確的環(huán)境保護指導思想；綜合運用所學知識，通過課程設(shè)計規(guī)定的任務(wù)，培養(yǎng)全面考慮和解決問題的能力；提高計算、制圖等方面的基本技能；提高運

5、用文獻、技術(shù)資料和工具書的能力。（4）基礎(chǔ)資料地基允許承載力8t/m2，地下水位在地面下5-6m，水壓間有效容積是日產(chǎn)氣量的50%，裝置內(nèi)最大氣壓極限800kPa，裝置內(nèi)正常工作氣壓 784kPa，活載荷200kg/m2 課程設(shè)計原則（1）在總體技術(shù)路線上要符合我國生活垃圾處理的技術(shù)政策，水壓式沼氣池要符合無害化的總目標。（2）配套換熱器和吸收塔，保證水壓式沼氣池的溫度比較恒定且能有效回收沼氣中的二氧化碳。（3）根據(jù)該地區(qū)的經(jīng)濟承受能力，盡可能為國家節(jié)省建設(shè)資金。 工程設(shè)計范圍 工程設(shè)計范圍為工藝部分設(shè)計計算。1.2 項目的背景及建設(shè)的必要性隨著生活水平的提高和集約式農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)村固體廢物中

6、畜禽糞便和秸稈的產(chǎn)生量越來越大，不及時有效的處理將造成農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生的破壞。利用普通使用的水壓式沼氣池進行處理，既可以有效利用資源，又可以產(chǎn)生新的清潔能源沼氣，還可以消除環(huán)境污染。水壓式沼氣池存在能耗低、占地面積不大、處理效果好的優(yōu)點，但是也存在隨季節(jié)溫度變化工作不穩(wěn)定等缺點，在設(shè)計的過程中需要克服該問題。1.3 沼氣的基本知識（1）沼氣及其產(chǎn)生過程沼氣是有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下，通過微生物發(fā)酵作用，產(chǎn)生的一種可燃氣體。由于這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中發(fā)現(xiàn)的，所以人們叫它沼氣。沼氣含有多種氣體，主要成分是甲烷（CH4）。沼氣細菌分解有機物，產(chǎn)生沼氣的過程，叫

7、沼氣發(fā)酵。根據(jù)沼氣發(fā)酵過程中各類細菌的作用，沼氣細菌可以分為兩大類。第一類細菌叫做分解菌，它的作用是將復雜的有機物分解成簡單的有機物和二氧化碳（CO2）等 。它們當中有專門分解纖維素的，叫纖維分解菌；有專門分解蛋白質(zhì)的，叫蛋白分解菌；有專門分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二類細菌叫含甲烷細菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把簡單的有機物及二氧化碳氧化或還原成甲烷。因此，有機物變成沼氣的過程，就好比工廠里生產(chǎn)一種產(chǎn)品的兩道工序：首先是分解細菌將糞便、秸稈、雜草等復雜的有機物加工成半成品結(jié)構(gòu)簡單的化合物；再就是在甲烷細菌的作用下，將簡單的化合物加工成產(chǎn)品 即生成甲烷。 （2）沼氣的成分沼氣是一種混合氣體，它

8、的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氫（H2S）、氮及其他一些成分。沼氣的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等氣體；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。在沼氣成分中甲烷含量為55%70%、二氧化碳含量為28%44%、硫化氫平均含量為0.034%。（3）沼氣的理化性質(zhì)沼氣是一種無色、有味、有毒、有臭的氣體，它的主要成分甲烷在常溫下是一種無色、無味 、無臭 、無毒的氣體。甲烷分子式是CH4，是一個碳原子與四個氫原子所結(jié)合的簡單碳氫化合物。甲烷對空氣的重量比是0.54，比空氣約輕一半。甲烷溶解度很少，在20、0.1千帕時，100單位體積的水，只能溶解3個單位體積的甲烷。甲烷是簡單的

9、有機化合物，是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。燃燒時呈藍色火焰，最高溫度可達1400 左右。純甲烷每立方米發(fā)熱量為36.8千焦。沼氣每立方米的發(fā)熱量約23.4千焦，相當于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃燒后放出的熱量。從熱效率分析，每立方米沼氣所能利用的熱量，相當于燃燒3.03千克煤所能利用的熱量。1.4 水壓式沼氣池基本知識 水壓式沼氣池的特點水壓沼氣池是一種埋設(shè)在地下的立式圓筒形發(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、出料管、水壓間、導氣管幾個部分。圓筒形結(jié)構(gòu)沼氣池的受力性能好，比相同容積的長方形池表面積小20%左右，池內(nèi)無死角，容易密封，有利于甲烷菌的活動，以發(fā)揮甲烷菌的

10、產(chǎn)氣作用。 水壓式沼氣池的工作原理是：產(chǎn)氣時，沼氣壓料液使水壓箱內(nèi)液面壓高；用氣時，料液壓沼氣供氣。產(chǎn)氣、用氣循環(huán)工作，依靠水壓箱內(nèi)料液的自動升降，使氣室的氣壓自動調(diào)節(jié)。（1）水壓式沼氣池型有以下幾個優(yōu)點：池體結(jié)構(gòu)受力性能良好，而且充分利用土壤的承載能力，所以省工省料，成本比較低。適于裝填多種發(fā)酵原料，特別是大量的作物秸稈，對農(nóng)村積肥十分有利。為便于經(jīng)常進料，廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時都能打掃進池。沼氣池周圍都與土壤接觸，對池體保溫有一定的作用。 （2）水壓式沼氣池型也存在一些缺點，主要是：由于氣壓反復變化，而且一般在416千帕（即40160厘米水柱）壓力之間變化。這對池體強度和燈

11、具、灶具燃燒效率的穩(wěn)定與提高都有不利的影響。由于沒有攪拌裝置，池內(nèi)浮渣容易結(jié)殼，又難于破碎，所以發(fā)酵原料的利用率不高，池容產(chǎn)氣率（即每立方米池容積一晝夜的產(chǎn)氣量）偏低，一般產(chǎn)氣率每天僅為0.15米3/米3 左右。由于活動蓋直徑不能加大，對發(fā)酵原料以秸稈為主的沼氣池來說，大出料工作比較困難。因此，出料的時候最好采用出料機械。 沼氣池采用中溫厭氧發(fā)酵發(fā)酵溫度維持在3035，此發(fā)酵工藝有機物消化速度較快，產(chǎn)氣率高，與高溫發(fā)酵相比，所需熱量要少得多。從能量回收的角度，該工藝被認為是一種較理想的發(fā)酵工藝類型。目前世界各國的大、中型沼氣工程普遍采用此工藝。 有機物厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段

12、（如圖1所示）。各階段各有其獨特的微生物類群起作用。液化階段起作用的細菌稱為發(fā)酵細菌，包括纖維素分解菌、脂肪分解菌、蛋白質(zhì)水解菌。產(chǎn)酸階段起作用的細菌是醋酸分解菌。這兩個階段起作用的細菌稱為不產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷階段起作用的細菌是甲烷細菌。圖1 厭氧發(fā)酵三階段2 厭氧發(fā)酵工藝流程說明所設(shè)沼氣池采用厭氧發(fā)酵工藝流程。工藝流程圖如圖2所示，采用中溫厭氧發(fā)酵，發(fā)酵時間為30天，也就是說30天進行一次大換料。一月到三月、十月到一月溫度比較低，這段時間對原料要進行換熱處理。產(chǎn)生的沼氣要經(jīng)過吸收塔吸收才能用，才能達到排放要求。圖2 厭氧發(fā)酵工藝流程3 沼氣池體部分的設(shè)計計算3.1 發(fā)酵原料發(fā)酵原料：所設(shè)計的沼

13、氣池所用的農(nóng)業(yè)固體廢物主要有豬糞和秸稈兩種，其年產(chǎn)量為3000噸，因為在南方，所以秸稈為稻草。厭氧發(fā)酵的適宜碳氮比為20：130：1，碳氮比達35：1時產(chǎn)氣量明顯下降，本沼氣池選用的碳氮比為25：1。為使發(fā)酵過程有一個較高的產(chǎn)氣量，可將貧氮原料與富氮原料適當配合成為具有適宜碳氮比的混合原料?；旌显咸嫉仁街校篕混合原料的碳氮比 C、N分別為原料中碳、氮含量，%x原料的重量，kg采用一次性進料，一次性出料的方式，豬糞和稻草的月產(chǎn)量為250噸，查羋振明固體廢棄物的處理與處置表97得稻草中C1為42%、N1為0.63%；豬糞中C2為7.8%、N2為0.6%。設(shè)稻草有x kg，豬糞則為（250-x）

14、kg 求出x=53.8噸一次性投加的稻草為53.8噸，豬糞為196.2噸。水壓式沼氣池的容積比較小，對于每月250噸的原料無法全部容納，因此分十個沼氣池同時作業(yè)，每個池子一次性投加的稻草為5.38噸，豬糞為19.62噸。采用每30天投料一次，30天進行一次大換料。3.2 沼氣池體部分設(shè)計計算 設(shè)計參數(shù)（1）氣壓：0.1Mpa（即一個標準大氣壓）為宜。（2）池容產(chǎn)氣率：池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池容一晝夜的產(chǎn)氣量，單位為m3沼氣/（m3池容.d）。目前，我國農(nóng)村沼氣池一般為常溫發(fā)酵，在設(shè)計沼氣池時，參照試驗測定的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，采用產(chǎn)氣率標準為：在溫度變化幅度為1028，發(fā)酵料液中的干物質(zhì)含

15、量為610時，每天每立方米發(fā)酵料液產(chǎn)氣量為0.10.3m3，夏季產(chǎn)氣旺盛，冬季較差。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，本設(shè)計取池容產(chǎn)氣率為0.2。（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12小時產(chǎn)氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。（4）池容：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4、6、8、10m3等幾種，現(xiàn)采用的集中式沼氣池容積比較大，。（5）投料率：投料率系指最大限度投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比，一般在8595%為宜。 發(fā)酵間的設(shè)計（1）確定池容V 稻草和豬糞的年產(chǎn)量為3000噸，月產(chǎn)量為25

16、0噸。因為料液的含水率超過90%，取95%，所以沼氣池的容積V可以定為，每個沼氣池的容積為500m3。（2）確定貯氣量 貯氣量=池容產(chǎn)氣率×池容×0.5=0.2×5000×0.5=500m3，這是每月產(chǎn)生的總沼氣量，每個沼氣池產(chǎn)生的沼氣通過管道連接在一起，進入吸收塔進行后續(xù)處理。（3）計算圓筒形發(fā)酵間容積：圓筒形發(fā)酵間由池蓋、池身、池底組成（如圖3所示），三個部分的容積計算公式如下：圖3 沼氣池發(fā)酵間的組成 式中：V1、V2、V3分別為池蓋容積、池底容積、池身容積 f1、f2分別為池蓋矢高、池底矢高 r1池蓋曲率半徑，它與其他尺寸的關(guān)系為； r2池底曲率

17、半徑，它與其他尺寸的關(guān)系為； R池體內(nèi)徑 H池身高度 圓周率，取3.14綜合圓形沼氣池的內(nèi)力結(jié)構(gòu)計算，材料用量計算和施工、管理、使用技術(shù)等各種因素，一般認為池蓋矢跨比，池底失跨比和池身高時沼氣池的尺寸比較合理。，代入上面各式得：V= V1+V2+V3=0.0827D3+0.0501D3+0.3142D3=0.447D3D3=故說明：沼氣池的總高為7.52m，因為地下水位在地面下5-6m。假設(shè)在地面下6m，為了避免污染地下水，所以可設(shè)沼氣池的地下埋深為5m，在地面以上的部分為2.52m。確定進出料管的安裝位置：水壓式沼氣池進出料管的的水平位置，一般都確定在發(fā)酵間直徑的兩端。（4）進出料管的垂直位

18、置一般確定在發(fā)酵間的最低液面設(shè)計高度處。該位置的計算方法如下：計算死氣箱拱的矢高：即池蓋拱頂點到發(fā)酵間的最高液面OO位置的距離，如圖4所示。其中，死氣箱拱的矢高f死可按下式計算f死=h1+h2+h3式中：h1池蓋拱頂點到活動蓋下邊緣平面的距離（計算過程略去），對260cm直徑的活動蓋，該值在4060cm之間，取50cm h2導氣管下露出長度，一般取1220cm，取15cm h3導氣管下口到OO液面距離，一般取80120cm，取100cmf死=50+15+100=165cm=1.65m圖4 死氣箱的矢高1、活動蓋 2、導氣管 3、蓄水圈 4、死氣箱 5、固定拱蓋計算死氣箱的容積V死式中：V死、f

19、死、r1分別為死氣箱容積、死氣箱的矢高、池高曲率半徑 求投料率：根據(jù)死氣箱容積，可計算出沼氣池投料率，投料率=式中：V、V死分別為沼氣池容積和死氣箱容積，m3 投料率=計算最大貯氣量V貯V貯=池容×池容產(chǎn)氣率×0.5=500×0.2×0.5=50m3計算氣箱總?cè)莘eV氣 V氣=V 死+V貯 式中：V氣、V死、V貯分別為沼氣池氣箱總?cè)莘e、死氣箱總?cè)莘e和有效氣箱容積（最大貯氣量） V氣= 59.6+50=109.6m3計算池蓋容積V1 式中：V1、f1、R分別為池蓋容積、池蓋矢高和池體內(nèi)徑因此AA液面位置在池身內(nèi)計算發(fā)酵間最低液面位AA對于一般的沼氣池來說，V

20、氣均大于V1，也就是說AA液面位置在圓筒形池身范圍內(nèi)，此時，要確定進出料管的安裝位置，應(yīng)按下式先算出氣箱在圓筒形池身部分的容積V筒V筒=V氣-V1由于V筒=R2h筒，因此式中：h筒圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的高度 R圓筒形池身半徑AA液面位在池蓋與池身交接平面以下h筒的位置上，這個位置就是進出料管的安裝位置。 V筒=109.6-92.5=17.1 m3 水壓間的設(shè)計 水壓間的設(shè)計包括確定以下三個尺寸：（1）水壓間的底面標高，此標高應(yīng)確定在發(fā)酵間開始工作狀態(tài)時的液面位置OO水平。（2）水壓間的高度H：此高度應(yīng)等于發(fā)酵間最大液位下降值H1與水壓間液面最大上升值H2之和，即H=H1+H2（3）水壓間容積：

21、此容積等于池內(nèi)最大貯氣量。水壓間的計算如下：設(shè)計參數(shù) 最大投料量Vmax=90%500=450m3 儲氣系數(shù)KG=0.5 產(chǎn)氣率K= 0.2m3/（m3·d）總?cè)莘eV=500 m3 直徑D=10.38（m） 池蓋曲率半徑r1=7.526（m）矢高f1=2.076（m）設(shè)計計算a.集氣間體積V0（m3），儲氣量VG（m3）V0=V-Vmax=500-450=50（m3）VG= Vmax×K×KG=4500.20.5=45（m3）b.根據(jù)VW=VG，就可求出水壓間的直徑DW。 假設(shè)hw=2m則4 配套設(shè)施的設(shè)計計算4.1 換熱器的計算因為料液含水率超過90%，可以把料

22、液當水看待。料液從5升至35，熱水從75降至45，逆流流動。每月的原料液一次性進入換熱器，加熱后再進入沼氣池進行中溫發(fā)酵，每個沼氣池配一臺換熱器，則原料液流量為500m3/月，換熱時間為5h，則原料液的流量為105 kg/h。（1）計算熱負荷（不計熱損失）及熱水用量（2）平均溫度差t1=75-35=40；t2=45-5=40因為=1<2，所以逆流t逆=40，因為原料液和熱水流量比較大，單管程的換熱器無法完成換熱任務(wù)，所以選擇單殼程雙管程的換熱器。 R=1.0，P=0.43，溫度校正系數(shù)=0.88，因為0.8可行，tm=×t逆=0.88×40=35.2（3）估算傳熱面積

23、A估選總傳熱系數(shù)K估=1200W/（m2.K），（4）試選型號因為原料液中含有懸浮物質(zhì)，長期在換熱器中流動，會有部分沉積，造成換熱管堵塞，增大污垢熱阻，必須經(jīng)常清洗換熱器。殼程中有旋流擋板，易造成懸浮顆粒沉降，而管程則易于清洗，所以熱水走殼程，料液走管程。管內(nèi)料液的流速選取u1=2m/s選取傳熱管25mm×2.5mm，其內(nèi)徑d1=0.02m，外徑d2=0.025m估算單程管子根數(shù)為，取45根根據(jù)傳熱面積A估估算管子長度 L´=若用4管程，則每管程的管長選用L=6000mm由換熱器系列標準初選浮頭式換熱器型號為BES600-2.5-90-6/25-4I管總數(shù)N=188根，每管

24、程的管數(shù)n=47根，管中心距t=32mm，正方形錯列。殼體內(nèi)徑D=600mm，折流擋板間距h=200mm，故折流板擋板數(shù)NB=-1=-1=29塊。傳熱面積A選=86.9m2（5）校核總傳熱系數(shù)管程對流傳熱系數(shù)1管內(nèi)料液流速u1=Re1=Pr1=1=0.023RP=0.023××（37581.6）×70.4=6832.26W/m2.K殼程對流傳熱系數(shù)2殼程流通截面積S=hd（1-）= 0.2×0.6×（1-）=0.0263m2熱水的流速u2=正方形排列的當量直徑de=（）=163，Pr2=熱水被冷卻，?。ǎ?0.952=163（）-0.14=16

25、3××（2.98）×0.95=2626.9W/m2.K總傳熱系數(shù)取污垢熱阻Rd1=Rd2=0.0002m2.K/W，碳鋼的熱導率=45W/（m.K）=+Rd1+Rd2×+ =+0.0002+0.0002×+ =0.000859K=1164.1 W/m2.K傳熱面積A=84.9m2與原估計值基本相符=1.02，即傳熱面積有2%的裕量，符合要求4.2 吸收塔的計算（1）傳質(zhì)推動力的計算在溫度t=35，總壓0.2Mpa下，含有H2S 0.034%（摩爾分數(shù)）的沼氣與清水接觸，吸收其中的H2S。相同條件下，氣體密度之比等于氣體相對分子質(zhì)量之比?？諝馄骄?/p>

26、分子量是29，硫化氫是34，所以硫化氫密度比空氣的大。35時空氣的密度是1.15kg/m3，則H2S的密度是1.34 kg/m3，吸收后H2S的必須小于0.06mg/m3，即4.48×10-8，吸收率要達到99.99%以上。一般硫化氫的濃度超過0.02%時可引起人頭痛、乏力、失明、胃腸道病等癥狀。超過0.1%時，可很快致人死亡。從實際情況考慮，只要H2S的摩爾分數(shù)低于0.02%即可，所以本設(shè)計要求吸收率達到98%，即出口混合氣體中H2S的摩爾分數(shù)是0.00068%。從化工原理表5-1查得H2S水溶液的亨利系數(shù)E=68.6Mpa，總壓P=0.2Mpa，相平衡常數(shù)m=（2）吸收劑（水溶液）用量的計算設(shè)計參數(shù) 由沼氣池出來