1、課程設計說明書課程設計名稱：水壓式沼氣池設計課程設計題目：學院名稱：專業：班級：學號：姓名：評分：教師：20年月日目 錄1 概論21.1 設計任務和內容21.1.1 設計內容21.1.2 水壓式沼氣池設計任務21.1.3 課程設計原則31.1.4 工程設計范圍31.2 項目的背景及建設的必要性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酵42 厭氧發酵工藝流程說明43 沼氣池體部分的設計計算53.1 發酵原料53.1.1 沼氣發酵原料的理論產氣量53.1.2 原料的碳氮比53.2 沼氣池體部分設計計算63.2.1 設計

2、參數63.2.2 發酵間的設計63.2.3 水壓間的設計104 配套設施的設計計算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 設計任務和內容 設計內容 根據基礎資料，設計一個方案，對農業固體廢物畜禽糞便和秸稈進行厭氧發酵處理，溫度低的時候對原料進行換熱，使進口溫度滿足中溫厭氧發酵，出口氣體吸收其中的硫化氫，沼氣經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。控制標準如表1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有新擴改建現有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%，經過吸收塔的吸收后就可以達到排放標準。 水壓式沼氣池設計任務（1）設計題目水壓式沼氣池設計（2）主要設計任務 水壓式沼氣池尺寸設計：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，一次厭氧發酵時間為30天，比較冷的月份分兩個區間，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；產生的氣體要經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）設計目的鞏固已學過的與環境工程有關的專業知識，特別是厭氧發酵章節；領會國家關于環境保護的方針、政策和法規，初步樹立正確的環境保護指導思想；綜合運用所學知識，通過課程設計規定的任務，培養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、技術資料和工具書的能力。（4）基礎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氣量的50%，裝置內最大氣壓極限800kPa，裝置內正常工作氣壓 784kPa，活載荷200kg/m2 課程設計原則（1）在總體技術路線上要符合我國生活垃圾處理的技術政策，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）根據該地區的經濟承受能力，盡可能為國家節省建設資金。 工程設計范圍 工程設計范圍為工藝部分設計計算。1.2 項目的背景及建設的必要性隨著生活水平的提高和集約式農業的發展，農村固體廢物中

6、畜禽糞便和秸稈的產生量越來越大，不及時有效的處理將造成農村環境衛生的破壞。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，又可以產生新的清潔能源沼氣，還可以消除環境污染。水壓式沼氣池存在能耗低、占地面積不大、處理效果好的優點，但是也存在隨季節溫度變化工作不穩定等缺點，在設計的過程中需要克服該問題。1.3 沼氣的基本知識（1）沼氣及其產生過程沼氣是有機物質在厭氧環境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下，通過微生物發酵作用，產生的一種可燃氣體。由于這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中發現的，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，產生沼氣的過程，叫

7、沼氣發酵。根據沼氣發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，就好比工廠里生產一種產品的兩道工序：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構簡單的化合物；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，是優質的氣體燃料。燃燒時呈藍色火焰，最高溫度可達1400 左右。純甲烷每立方米發熱量為36.8千焦。沼氣每立方米的發熱量約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、出料管、水壓間、導氣管幾個部分。圓筒形結構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，池內無死角，容易密封，有利于甲烷菌的活動，以發揮甲烷菌的

10、產氣作用。 水壓式沼氣池的工作原理是：產氣時，沼氣壓料液使水壓箱內液面壓高；用氣時，料液壓沼氣供氣。產氣、用氣循環工作，依靠水壓箱內料液的自動升降，使氣室的氣壓自動調節。（1）水壓式沼氣池型有以下幾個優點：池體結構受力性能良好，而且充分利用土壤的承載能力，所以省工省料，成本比較低。適于裝填多種發酵原料，特別是大量的作物秸稈，對農村積肥十分有利。為便于經常進料，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、灶具燃燒效率的穩定與提高都有不利的影響。由于沒有攪拌裝置，池內浮渣容易結殼，又難于破碎，所以發酵原料的利用率不高，池容產氣率（即每立方米池容積一晝夜的產氣量）偏低，一般產氣率每天僅為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酵發酵溫度維持在3035，此發酵工藝有機物消化速度較快，產氣率高，與高溫發酵相比，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。 有機物厭氧發酵依次分為液化、產酸、產甲烷三個階段

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酵細菌，包括纖維素分解菌、脂肪分解菌、蛋白質水解菌。產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甲烷菌。產甲烷階段起作用的細菌是甲烷細菌。圖1 厭氧發酵三階段2 厭氧發酵工藝流程說明所設沼氣池采用厭氧發酵工藝流程。工藝流程圖如圖2所示，采用中溫厭氧發酵，發酵時間為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。產生的沼氣要經過吸收塔吸收才能用，才能達到排放要求。圖2 厭氧發酵工藝流程3 沼氣池體部分的設計計算3.1 發酵原料發酵原料：所設計的沼

13、氣池所用的農業固體廢物主要有豬糞和秸稈兩種，其年產量為3000噸，因為在南方，所以秸稈為稻草。厭氧發酵的適宜碳氮比為20：130：1，碳氮比達35：1時產氣量明顯下降，本沼氣池選用的碳氮比為25：1。為使發酵過程有一個較高的產氣量，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。混合原料碳氮比式中：K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，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 沼氣池體部分設計計算 設計參數（1）氣壓：0.1Mpa（即一個標準大氣壓）為宜。（2）池容產氣率：池容產氣率系指每立方米發酵池容一晝夜的產氣量，單位為m3沼氣/（m3池容.d）。目前，我國農村沼氣池一般為常溫發酵，在設計沼氣池時，參照試驗測定的數據和生產實踐經驗，采用產氣率標準為：在溫度變化幅度為1028，發酵料液中的干物質含

15、量為610時，每天每立方米發酵料液產氣量為0.10.3m3，夏季產氣旺盛，冬季較差。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，本設計取池容產氣率為0.2。（3）貯氣量：貯氣量系指氣箱內的最大沼氣貯存量。農村家用水壓式沼氣池的最大貯氣量以12小時產氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。（4）池容：池容系指發酵間的容積，農村家用水壓式沼氣池的池容積有4、6、8、10m3等幾種，現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酵間容積的百分比，一般在8595%為宜。 發酵間的設計（1）確定池容V 稻草和豬糞的年產量為3000噸，月產量為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=池容產氣率×池容×0.5=0.2×5000×0.5=500m3，這是每月產生的總沼氣量，每個沼氣池產生的沼氣通過管道連接在一起，進入吸收塔進行后續處理。（3）計算圓筒形發酵間容積：圓筒形發酵間由池蓋、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，它與其他尺寸的關系為； r2池底曲率

17、半徑，它與其他尺寸的關系為； R池體內徑 H池身高度 圓周率，取3.14綜合圓形沼氣池的內力結構計算，材料用量計算和施工、管理、使用技術等各種因素，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。假設在地面下6m，為了避免污染地下水，所以可設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，一般都確定在發酵間直徑的兩端。（4）進出料管的垂直位

18、置一般確定在發酵間的最低液面設計高度處。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×池容產氣率×0.5=500×0.2×0.5=50m3計算氣箱總容積V氣 V氣=V 死+V貯 式中：V氣、V死、V貯分別為沼氣池氣箱總容積、死氣箱總容積和有效氣箱容積（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、池蓋矢高和池體內徑因此AA液面位置在池身內計算發酵間最低液面位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，此時，要確定進出料管的安裝位置，應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 水壓間的設計 水壓間的設計包括確定以下三個尺寸：（1）水壓間的底面標高，此標高應確定在發酵間開始工作狀態時的液面位置OO水平。（2）水壓間的高度H：此高度應等于發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、此容積等于池內最大貯氣量。水壓間的計算如下：設計參數 最大投料量Vmax=90%500=450m3 儲氣系數KG=0.5 產氣率K= 0.2m3/（m3·d）總容積V=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VW=VG，就可求出水壓間的直徑DW。 假設hw=2m則4 配套設施的設計計算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，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=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K估=1200W/（m2.K），（4）試選型號因為原料液中含有懸浮物質，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。管內料液的流速選取u1=2m/s選取傳熱管25mm×2.5mm，其內徑d1=0.02m，外徑d2=0.025m估算單程管子根數為，取45根根據傳熱面積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N=188根，每管

24、程的管數n=47根，管中心距t=32mm，正方形錯列。殼體內徑D=600mm，折流擋板間距h=200mm，故折流板擋板數NB=-1=-1=29塊。傳熱面積A選=86.9m2（5）校核總傳熱系數管程對流傳熱系數1管內料液流速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，取（）=0.952=163（）-0.14=16

25、3××（2.98）×0.95=2626.9W/m2.K總傳熱系數取污垢熱阻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）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量之比。空氣平均

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的摩爾分數低于0.02%即可，所以本設計要求吸收率達到98%，即出口混合氣體中H2S的摩爾分數是0.00068%。從化工原理表5-1查得H2S水溶液的亨利系數E=68.6Mpa，總壓P=0.2Mpa，相平衡常數m=（2）吸收劑（水溶液）用量的計算設計參數 由沼氣池出來