1、中北大學信息商務學院課程設計任務書20152016 學年第 二 學期學院:化工與環境學院專業：環境工程學生姓名:宋思奇學號：1304014145課程設計題目：水壓式沼氣池設計一一4.0米3混凝土結構（池容產率0.6米3/米3?天）起迄日期:4 月29 日6月10日課程設計地點： 中北大學信息商務學院指導教師：李穎系 主 任：張建忠下達任務書日期：2016年4月29 日水壓式沼氣池設計4.0米3混凝土結構（池容產氣率0.6米3/米3?天）摘要水壓式沼氣池是我國推廣最早、 數量最多的池形，是在總結“三結合”、“圓、 小、淺”、“活動蓋”、“直管進料”、“中層出料”等群眾建池的基礎上，加 以綜合提高

2、而形成的。“三結合”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行發酵。“圓、小、淺”就是池體圓、體積小、埋深淺。“活動蓋”就是沼氣池頂加活動蓋板。這種池型的池體上部氣室完全封閉， 隨著沼氣的不斷產生，沼氣池內壓力相應提高。這個不斷增高的氣壓，迫使沼氣 池內的一部分料液進到與池體相通的水壓間內，使得水壓間內的液面升高。這樣一來，水壓間的液面跟沼氣池體內的液面就產生了一個水位差。用氣時，沼氣開關打開，沼氣在水壓下排出，當沼氣減少時，水壓間的料也又返回池體內，使得 水位差不斷下降，導致沼氣壓力也隨之相應降低。關鍵詞：水壓式沼氣池，設計，沼氣目錄1. 緒論 11.1 沼氣介紹

3、11.2 沼氣發酵的原理 11.3 沼氣發酵原料選擇 11.4 工藝流程 21.5 水壓式沼氣池結構 21.6 水壓式沼氣池工作原理及優點 32. 圓筒形水壓式沼氣池的結構設計和計算 32.1 設計參數 32.2 設計原始數據 42.3 工藝流程設計 42.4 發酵料液的計算 42.5 發酵間的設計 52.6 進料口（管）的設計 82.7 水壓間的設計 93. 圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設計 103.1 材料參考用量 103.2 沼氣池施工 113.3 成本核算 124. 參考文獻 135. 結束語 14有機物揮發酚、CO24丙酮酸、乙酸有機酸、醇類液化產氫產醋酸CO2、H2CH4、N2CO

4、等產甲烷1. 緒論1.1沼氣介紹沼氣是由生物質和有機質如秸稈、畜禽糞便等經微生物發酵產生的一種可燃 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（CO）, 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、氮氣等。 不同條件下產生的沼氣，成分有一定差異。【1】1.2沼氣發酵的原理沼氣發酵，又稱甲烷發酵，是由多種微生物在絕氧條件下分解有機物實現的。通常把參與沼氣發酵的微生物分為三類。第一類叫發酵細菌，包括各種有機物分 解菌，它們通過分泌的胞外酶，將復雜的有機物分解為較簡單的物質， 例如多糖 轉化為單糖，蛋白質轉化為甘油和氨基酸，脂肪轉化為甘油和脂肪酸；第二類叫

5、產氫產乙酸菌，它們的主要作用是將前一類細菌分解的產物進一步分解成乙酸和 二氧化碳；第三類細菌叫產甲烷菌，其作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳產生甲 烷。在沼氣發酵過程中，這三類微生物既相互協調，又相互制約，共同完成產沼 氣過程。111根據三階段理論，甲烷發酵原理可由下圖表示碳水化合物卜糖類 多糖單糖蛋白質 *氨基酸一一 一 -脂肪脂肪酸、甘油 1.3沼氣發酵原料選擇農村沼氣發酵原料盡管很多,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較快，入池和出料都很方便，單獨使用產氣效果也很 好，因而許多地方只采用糞便入池發酵。但隨著農業產業化的發展，農村種植和 養殖模式發生了顯著的變化，

6、家庭養豬數量不斷減少，沼氣發酵的糞便量嚴重不 足，秸稈作為發酵主要原材料成為必然。秸稈隨農事活動批量獲得，能長時間存 放不影響產氣。但秸稈發酵速度較慢，需要較長時間才能達到預期的沼氣產量， 且出渣較為困難。為此，入池前需要進行切短、堆漚等預處理，或和糞便一起發 酵，并采用批量入池，批量出渣的方法。【111.4工藝流程沼氣發酵工藝類型較多，我國農村普遍采用的是下述兩種工藝。(1) 自然溫度半批量投料發酵工藝這種工藝的發酵溫度隨自然溫度變化而變化，采用半批量方式投料。這種工藝的發酵期因季節和農用情況而定， 一般為5個月左右，運行中要求 定期補充新鮮原料，以免造成產氣量下降，該工藝的主要缺點是出料操

7、作勞動量 大。(2) 自然溫度連續投料發酵工藝這種工藝是在自然溫度下，定時定量投料和出料，能維持比較穩定的發酵條 件，使沼氣微生物(菌群積累)區系穩定，保持逐步完善的原料消化速度，提咼 原料利用率和沼氣池負荷能力，達到較高的產氣率；工藝自身能耗少，簡單方便, 容易操作。【211.5水壓式沼氣池結構在我國農村，沼氣發酵不僅作為農業生態系統中的一個重要環節，處理各類廢棄物來制成農家肥，而且獲得生物質能用來照明或作為燃料。【21厭氧發酵一般在沼氣發酵池中進行。沼氣池種類很多，我國農村最常用的有： 家用水壓式沼氣池，曲流布料沼氣池和圓柱形自循環沼氣池等。【31其中，水壓式沼氣池是農村推廣的主要池型。水

8、壓式沼氣池是一種埋設在地下的立式圓筒形 發酵池，池蓋和池底是具有一定曲率半徑的殼體， 主要結構包括加料管、發酵間、 出料管、水壓間、導氣管幾個部分。【21水壓式沼氣池結構簡圖如下1圖1 21加料管；2發酵間；3水壓間；4導氣管；5控制閥1.6水壓式沼氣池工作原理及優點家用水壓式沼氣池的工作原理是：池內裝入發酵原料（約占池體積的80%左右），以料液表面為界限，上部為貯氣間，下部為發酵間。當沼氣池內產生沼 氣時，沼氣集中在貯氣間內，隨著沼氣的增多，池內的壓力不斷增大，此時沼氣 壓迫發酵液進入水壓間。用沼氣時，貯氣間的沼氣被放出，此時，水壓間內的料 液進入發酵間，如此“氣壓水、水壓氣”反復進行，因此

9、稱之為水壓式沼氣池。水壓式沼氣池構造簡單，施工方便，各種建筑材料均可使用，取材容易，價 格較低，一般68m3沼氣池造價6001000元。混凝土結構的沼氣池使用壽命可 達20年。年產沼氣240m3以上（黃河以北），可供五口之家 8個月做飯和全年 照明。【3】2. 圓筒形水壓式沼氣池的結構設計和計算2.1設計參數（1）氣壓:7480Pa（即 80cm 水柱）。（2）池容產氣率：池容產氣率系指每立方米發酵池容積 1晝夜的產氣量，單位 為m3沼氣/ （m3池容 d）。我國通常采用的池容產氣率包括 0.15、0.2、0.25 和0.3幾種。（3）貯氣量：貯氣量系指氣箱內的最大沼氣貯存量。農村家用水壓式沼

10、氣 池的最大貯氣量以12h產氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。（4） 池容：系指發酵間的容積。農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酵間容積的百分比，一般在 85%95%之間為宜。2.2設計原始數據發酵間容積（池容）為4.0立方米；最大投料量小于發酵間總容積的 90%;池容產氣率：0.6米3/米3天；建池材料：現澆混凝土；池內正常工作壓力w 800毫米水柱（壓強P=0.08公斤/厘米2）。2.3工藝流程設計此處采用自然連續投料發酵工藝，以人、禽畜糞便及蔬菜秸稈為發酵原料， 定時定量投料和出料，簡單工藝流程圖如下：圖2

11、 12.4發酵料液的計算發酵料液的體積V|門！ n2 k2 n3 T5 0.008 6 0.040.8 0 306.72 m3 式中：Vi發酵料液體積，m3;ni產人糞便總量。按常住人口 x 0.0060.013nf/ （人 d）取值； 2產牲畜糞便總量。按養豬頭數x 0.0060.15m3/ （頭 d）取值;n 3每日舍外能定量收集糞便總量，m3/d;k2收集系數，取0.51.0;T原料滯留期(d)；蔬菜區T取30,平壩農業區取35,丘陵農 區取40。242氣室容積的計算氣室容積1 1 3V2Vik36.72 0.15 0.504 m3式中：Vi發酵料液體積，m3;V2氣室容積，m3;k3原

12、料產氣率，我國通常采用的產氣率包括0.15m3/ (m3 d)、0.2m3/(m3d)、0.25 m3/(m3d)、0.3 m3/(m3 d)。2.5發酵間的設計發酵間的容積VV1 V2 k 6.72 0.504 0.95 6.0 m3式中：v發酵間容積，m；v1發酵料液體積，m ；v2氣室容積，m；k 1容積保護系數，取0.91.05。發酵間各部分尺寸的確定(1) 沼氣池的直徑根據用戶平面布置確定。考慮充分利用土地資源、平面 布局緊湊的原則，確定沼氣池的直徑為 2.2m。(2) 發酵間池蓋削球體矢高和凈容積 池蓋削球體矢高式中：f 1池蓋削球體矢高，m圓柱體形池身直徑，ma 1直徑與池頂矢高

13、的比值，取 56 池蓋削球體凈容積2Q1f1 3R63.14 0.443 1.120.4420.88 m3式中：q池蓋削球體凈容積，m； f i池蓋削球體矢高，m R 池身圓柱體內半徑，m。(3) 發酵間池底削球體矢高和凈容積池底削球體矢高2.280.275 m810。3m；3m；3m。式中：f2池蓋削球體矢高，md 池身圓柱體直徑，ma 2直徑與池底矢高的比值，取池底削球體凈容積2 2Q3 f2 3Rf263 14220.2753 1.10.27560.53 m3式中：Q發酵間池底削球體凈容積，f2池底削球體矢高，m(4) 發酵間池身圓柱體容積和池墻高度發酵間池身圓柱體凈容積Q2 V Q1

14、Q36 0.88 0.53 4.59 m3式中：Q發酵間池身圓柱體凈容積,v 發酵間總容積，m；q 1池蓋削球體凈容積，m；Q 3發酵間池底削球體凈容積,發酵間池身圓柱體高度Q2R1.21 m4.5923.14 1.12式中：R發酵間池身圓柱體半徑，m；H發酵間池身圓柱體高度，m。（5）發酵間內總表面積 池蓋削球體球面內表面積22 2 2 2s R2 fl 3.14 1.12 0.442 4.42 m2式中：S1池蓋削球面內表面積， m2;R池身圓柱體半徑，m；f1池蓋削球面矢高， m。 圓柱體池身內表面積2S22 RH 2 3.14 1.1 1.21 8.36 m式中：S2池身圓柱體內表面積

15、，m2;R池身圓柱體內半徑，m；H池身圓柱體高度，m。 池底削球體內表面積2R2 f223.14 1.12 0.2752 4.04 m2式中：S3池底削球體內表面積，m2;R池身圓柱體內半徑，m。f2池底削球體矢高， m； 發酵間總表面積S S,Ss 4.42 8.36 4.04 16.82 m2 發酵間各部分位置標注2.6進料口（管）的設計進料口 （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X寬X深=600mM 320mM 500mm下部圓管采用© 260mn現澆混凝土管，管 與池墻角為40?。水壓式沼氣池進料管安裝位置一般都確定在發酵間的最低設計液面高度處。

16、 該位置計算如下：死氣箱拱的矢高f死 h h2 h3 0.12 0.04 0.24 0.40 m式中：hi池蓋拱頂點到活動蓋下緣平面的距離，該值一般在1015cm之間；h 2導氣管下露出長度，取 35cmh 3導氣管下口到液面距離，一般取 2030cm死氣箱容積V死f 死2 i f死20.43.14 0.41.59530.87 m3式中：V死, f死，p 1分別為死氣箱容積、死氣箱矢高、池蓋曲率半徑。263投料率根據死氣箱容積，可計算出沼氣池投料率。7亠 6.° °.87 100%85.5%V6.0式中：V，V死一一分別為發酵間容積和死氣箱容積,3m。264最大貯氣量1Vr

17、池容 池容產氣率-6.020.15 -0.45 m2265氣箱總容積V氣 V死 7貯 0.87 0.45 1.32式中：V氣，V死,分別為沼氣池的氣箱總容積、死氣箱總容積和有效氣箱容積(最大貯氣量)。發酵間最低液面位(1) 氣箱在圓筒形池身部分的容積V筒 V氣 Q.1.32 0.88 0.44 m3(2) 圓筒形池身內氣箱部分的高度Vw0.4423.14 1.10.116 m最低液面位于池蓋與池身交接平面以下h筒的位置上，這個位置也就是進料管的安裝位置。2.7水壓間的設計水壓間零壓線無效水壓間的容積取為0。未產生沼氣時液面位置在池蓋拱頂下0.4m處，因此水壓間底面標高確定在池蓋拱頂下0.4m處

18、的水平線上。發酵間最大料液水位降產生最大貯氣量時的液面距池頂的高度為f1+h筒=0.44+0.116=0.556m，又未產氣時液面距池頂0.4m,所以，發酵間最大料液水位降為 0.556-0.4=0.156m。水壓間高度由于設計壓強為7480Pa(即80cm水柱),因此水壓間的高度H 水壓間 0.8 0.156 0.644 m水壓間圓柱體底面積S水壓間V貯H水壓間0.450.6440.70 m2r0.73.14水壓間底面半徑 0.47 m3. 圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設計3.1材料參考用量根據GB/T4752-2002中4卅10用現澆混凝土圓筒形沼氣池材料參考用量表,如下：容積混凝土碎石m

19、3m3體積m3水泥kg中沙m341.2573500.6220.95961.6354550.8091.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容積池體抹灰水泥素漿m3體積m3水泥kg中沙m3水泥kg40.2771130.259660.3471420.324780.4001630.3749100.5082080.47511容積合計材料用量3m水泥kg中沙m3碎石m344690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710表3 1本設計為池容6吊，產氣率為0.15m3/ （md）的現澆混凝土結構圓筒形水 壓式沼氣池，參照標準，取材料用量為水泥604kg,中砂1.133m3，碎石1.250m3一般情況建一個8m3的沼氣池需要紅磚600塊，若建6斥沼氣池，則水泥、 磚、砂比8吊沼氣池用量要減少10%考慮到進出料間用料則本設計需紅磚 600 塊，由于進出料管為現澆混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分別增加為3a720kg，1.5m，1.3m，鋼筋 1.8m。3.2沼氣池施工（1）考察地形，選定施工位置。（2）制定施工方案，繪制結構和施工