农村家用沼气池设计精校版

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1、. . .课程设计说明书题目: 农村家用沼气池设计 院 系： 地球与环境学院 专业班级： 环境工程班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2014 年 1 月 9 日18 / 19 XX理工大学课程设计论文任务书 地球与环境学院 院系 环境工程 教研室学 号学生姓名专业班级设计题目农村家用沼气池设计设计技术参数 1.收集系数0.8； 2.产气率：0.3m3/m3*d； 3.池容产气率：0.3； 4.家庭人口：7； 5.畜生数量：9； 6.圆柱体型池身直径3.3m。设计要求 1.沼气池宜建在畜圈或厕所地表以下,进料间与人、畜粪入口相连通； 2.坚持适用、卫生、平面布局合理,外型美观； 3.池盖顶端

2、复土厚度不小于200mm； 4.强度安全系数K2.65； 5.正常使用寿命20年以上。工作量1.设计计算说明书1份；2.图纸1张；3.设计成果打印并装订好,与图纸一起放入专门的牛皮纸袋中。工作计划1.资料收集与整理1天；2.设计计算2天；3.绘制有关图纸1天；4.编写设计说明书2天参考资料 1.王志魁.化工原理M.北京.化学工业出版社.2002 2.芈振明.固体废物的处理与处置M.北京.高等教育出版社.1993 3.赵由才.固体废物污染控制与资源化.北京.化学工业出版社.2002 4.卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用.北京.化学工业出版社.20055.张平.水压式沼气池原理与构造.可再

3、生资源.2003.6指导教师签字教研室主任签字 年 月 日 学生姓名： 学号： 21 专业班级：课程设计题目：农村家用沼气池设计指导教师评语：成绩：指导教师：年 月 日目 录1 概 论31.1 设计任务和内容31.1.1 设计内容31.1.2 水压式沼气池设计任务41.1.3 课程设计原则51.1.4 工程设计范围51.2 项目的背景及建设的必要性51.3 沼气的基本知识51.4 水压式沼气池基本知识61.4.1 水压式沼气池的特点61.4.2 沼气池采用中温厌氧发酵72 厌氧发酵工艺流程说明83 沼气池体部分的设计计算83.1 发酵原料83.2 沼气池体部分设计计算93.2.1 设计参数93

4、.2.2 发酵间的设计103.2.3 水压间的设计144 配套设施的设计计算144.1 换热器的计算154.2 吸收塔的计算175 设计总结206参考文献201 概 论1.1 设计任务和内容1.1.1 设计内容根据基础资料,设计一个方案,对农业固体废物畜禽粪便和秸秆进行厌氧发酵处理,温度低的时候对原料进行换热,使进口温度满足中温厌氧发酵,出口气体吸收其中的硫化氢,沼气经净化之后达到恶臭污染物控制标准GB14554-93中二级新扩改建标准。控制标准如表1所示：表1 恶臭污染物厂界标准值序号控制项目单位一级二级三级新扩改建现有新扩改建现有1氨mg/m31.01.52.04.05.02三甲胺mg/m

5、30.050.080.150.450.803硫化氢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臭气浓度无量纲1020306070沼气中的臭气主要为H2S,而H2S的含量为0.034%,经过吸收塔的吸收后就可以达到排放标准。1.1.2 水压式沼气池设计任务1设计题目水压式沼气池设计2主要设计任务 水压式沼气池尺寸设

6、计：沼气池主体容积、高度、直径、水压间容积、高度、直径。配套设施：换热器的传热面积、管长、管径、标准换热器选型；吸收塔填料层高度、塔径、总压力等。换热器和吸收塔采用间歇式操作,一次厌氧发酵时间为30天,比较冷的月份分两个区间,从1月份到3月份,从10月份到1月份是比较冷的时间,所以需要用到换热器；产生的气体要经过吸收才能达到恶臭污染物控制标准,所以要用到吸收塔。3设计目的巩固已学过的与环境工程有关的专业知识,特别是厌氧发酵章节；领会国家关于环境保护的方针、政策和法规,初步树立正确的环境保护指导思想；综合运用所学知识,通过课程设计规定的任务,培养全面考虑和解决问题的能力；提高计算、制图等方面的基

7、本技能；提高运用文献、技术资料和工具书的能力。4基础资料地基允许承载力8t/m2,地下水位在地面下5-6m,水压间有效容积是日产气量的50%,装置内最大气压极限800kPa,装置内正常工作气压 784kPa,活载荷200kg/m21.1.3 课程设计原则1在总体技术路线上要符合我国生活垃圾处理的技术政策,水压式沼气池要符合无害化的总目标。2配套换热器和吸收塔,保证水压式沼气池的温度比较恒定且能有效回收沼气中的二氧化碳。3根据该地区的经济承受能力,尽可能为国家节省建设资金。1.1.4 工程设计范围 工程设计范围为工艺部分设计计算。1.2 项目的背景及建设的必要性随着生活水平的提高和集约式农业的发

8、展,农村固体废物中畜禽粪便和秸秆的产生量越来越大,不及时有效的处理将造成农村环境卫生的破坏。利用普通使用的水压式沼气池进行处理,既可以有效利用资源,又可以产生新的清洁能源沼气,还可以消除环境污染。水压式沼气池存在能耗低、占地面积不大、处理效果好的优点,但是也存在随季节温度变化工作不稳定等缺点,在设计的过程中需要克服该问题。1.3 沼气的基本知识1沼气及其产生过程沼气是有机物质在厌氧环境中,在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下,通过微生物发酵作用,产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的,所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体,主要成分是甲烷CH4。沼气细菌分解有机物,产生沼气

9、的过程,叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用,沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌,它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳CO2等 。它们当中有专门分解纤维素的,叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的,叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的,叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌,通常叫甲烷菌,它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。因此,有机物变成沼气的过程,就好比工厂里生产一种产品的两道工序：首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下,将简单的化合物加工成产品 即生成甲烷。2沼气的成分沼气是一种混合气体,它

10、的主要成分是甲烷,其次有二氧化碳、硫化氢H2S、氮及其他一些成分。沼气的组成中,可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%70%、二氧化碳含量为28%44%、硫化氢平均含量为0.034%。3沼气的理化性质沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体,它的主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味 、无臭 、无毒的气体。甲烷分子式是CH4,是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54,比空气约轻一半。甲烷溶解度很少,在20、0.1千帕时,100单位体积的水,只能溶解3个单位体积的甲烷。甲烷是简单的有机化合

11、物,是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰,最高温度可达1400 左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦,相当于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析,每立方米沼气所能利用的热量,相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。1.4 水压式沼气池基本知识1.4.1 水压式沼气池的特点水压沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池,池盖和池底是具有一定曲率半径的壳体,主要结构包括加料管、出料管、水压间、导气管几个部分。圆筒形结构沼气池的受力性能好,比相同容积的长方形池表面积小20%左右,池内无死角,容易密封,有利于甲烷菌的活动,以发挥甲烷菌

12、的产气作用。 水压式沼气池的工作原理是：产气时,沼气压料液使水压箱内液面压高；用气时,料液压沼气供气。产气、用气循环工作,依靠水压箱内料液的自动升降,使气室的气压自动调节。1水压式沼气池型有以下几个优点：池体结构受力性能良好,而且充分利用土壤的承载能力,所以省工省料,成本比较低。适于装填多种发酵原料,特别是大量的作物秸秆,对农村积肥十分有利。为便于经常进料,厕所、猪圈可以建在沼气池上面,粪便随时都能打扫进池。沼气池周围都与土壤接触,对池体保温有一定的作用。 2水压式沼气池型也存在一些缺点,主要是：由于气压反复变化,而且一般在416千帕即40160厘米水柱压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃

13、烧效率的稳定与提高都有不利的影响。由于没有搅拌装置,池内浮渣容易结壳,又难于破碎,所以发酵原料的利用率不高,池容产气率即每立方米池容积一昼夜的产气量偏低,一般产气率每天仅为0.15米3/米3 左右。由于活动盖直径不能加大,对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说,大出料工作比较困难。因此,出料的时候最好采用出料机械。1.4.2 沼气池采用中温厌氧发酵发酵温度维持在3035,此发酵工艺有机物消化速度较快,产气率高,与高温发酵相比,所需热量要少得多。从能量回收的角度,该工艺被认为是一种较理想的发酵工艺类型。目前世界各国的大、中型沼气工程普遍采用此工艺。 有机物厌氧发酵依次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段如图

14、1所示。各阶段各有其独特的微生物类群起作用。液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌,包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌。产酸阶段起作用的细菌是醋酸分解菌。这两个阶段起作用的细菌称为不产甲烷菌。产甲烷阶段起作用的细菌是甲烷细菌。图1 厌氧发酵三阶段2 厌氧发酵工艺流程说明所设沼气池采用厌氧发酵工艺流程。工艺流程图如图2所示,采用中温厌氧发酵,发酵时间为30天,也就是说30天进行一次大换料。一月到三月、十月到一月温度比较低,这段时间对原料要进行换热处理。产生的沼气要经过吸收塔吸收才能用,才能达到排放要求。图2 厌氧发酵工艺流程3 沼气池体部分的设计计算3.1 发酵原料发酵原料：所设计的沼气池所用

15、的农业固体废物主要有猪粪和秸秆两种,其年产量为9.6吨,因为在南方,所以秸秆为稻草。厌氧发酵的适宜碳氮比为20：130：1,碳氮比达35：1时产气量明显下降,本沼气池选用的碳氮比为25：1。为使发酵过程有一个较高的产气量,可将贫氮原料与富氮原料适当配合成为具有适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分别为原料中碳、氮含量,% x原料的重量,kg采用一次性进料,一次性出料的方式,猪粪和稻草的月产量为0.8吨,查芈振明固体废弃物的处理与处置表97得稻草中C1为42%、N1为0.63%；猪粪中C2为7.8%、N2为0.6%。 设稻草有x kg,猪粪则为250-xkg 求出

16、x=0.17吨 一次性投加的稻草为0.17吨,猪粪为0.63吨。水压式沼气池的容积比较小,对于每月0.8吨的原料无法全部容纳,因此分十个沼气池同时作业,每个池子一次性投加的稻草为0.017吨,猪粪为0.063吨。采用每30天投料一次,30天进行一次大换料。3.2 沼气池体部分设计计算3.2.1 设计参数1气压：0.1Mpa即一个标准大气压为宜。2池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容一昼夜的产气量,单位为m3沼气/m3池容.d。目前,我国农村沼气池一般为常温发酵,在设计沼气池时,参照试验测定的数据和生产实践经验,采用产气率标准为：在温度变化幅度为1028,发酵料液中的干物质含量为610时,

17、每天每立方米发酵料液产气量为0.10.3m3,夏季产气旺盛,冬季较差。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种,本设计取池容产气率为0.3。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大贮气量以12小时产气量为宜,其值与有效水压间的容积相等。4池容：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4、6、8、10m3等几种,现采用的集中式沼气池容积比较大,。5投料率：投料率系指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比,一般在8595%为宜。3.2.2 发酵间的设计1确定池容V 稻草和猪粪的年产量为9.6吨,月产量为0.8吨。因为料液的含水率

18、超过90%,取95%,所以沼气池的容积V可以定为0.8=16m3。2确定贮气量 贮气量=池容产气率池容0.5=0.3160.5=2.4m3,这是每月产生的总沼气量,每个沼气池产生的沼气通过管道连接在一起,进入吸收塔进行后续处理。3计算圆筒形发酵间容积：圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成如图3所示,三个部分的容积计算公式如下：图3 沼气池发酵间的组成 式中：V1、V2、V3分别为池盖容积、池底容积、池身容积 f1、f2分别为池盖矢高、池底矢高 r1池盖曲率半径,它与其他尺寸的关系为； r2池底曲率半径,它与其他尺寸的关系为； R池体内径 H池身高度圆周率,取3.14综合圆形沼气池的内力结构计算,

19、材料用量计算和施工、管理、使用技术等各种因素,一般认为池盖矢跨比,池底矢跨比和池身高时沼气池的尺寸比较合理。,代入上面各式得：V= V1+V2+V3=0.0827D3+0.0501D3+0.3142D3=0.447D3D3=故 D=3.29m,取D为3.3mf1=3.3/5 =0.66mf2=3.3/8=0.4125mH=3.3/2.5=1.32mR=3.3/2=1.65mr1=2.3925mr2=3.525m总高h=H+f1+f2+f3=3.0m,其中f3为沼气池上拱盖开口高度,取f3=0.6m说明：沼气池的总高为2.4m,因为地下水位在地面下5-6m。假设在地面下6m,为了避免污染地下水,

20、可设沼气池的地下埋深为2.5m,在地面以上的部分为0.5m。确定进出料管的安装位置：水压式沼气池进出料管的的水平位置,一般都确定在发酵间直径的两端。 4进出料管的垂直位置一般确定在发酵间的最低液面设计高度处。该位置的计算方法如下：计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面OO位置的距离,如图4所示。其中,死气箱拱的矢高f死可按下式计算f死=h1+h2+h3式中：h1池盖拱顶点到活动盖下边缘平面的距离计算过程略去,对65cm直径的活动盖,该值在1015cm之间,取12cm h2导气管下露出长度,一般取35cm,取4cm h3导气管下口到OO液面距离,一般取2030cm,取25cmf死=1

21、2+4+25=41cm=0.41m图4 死气箱的矢高1、活动盖 2、导气管 3、蓄水圈 4、死气箱 5、固定拱盖计算死气箱的容积V死式中：V死、f死、r1分别为死气箱容积、死气箱的矢高、池高曲率半径 求投料率：根据死气箱容积,可计算出沼气池投料率,投料率=式中：V、V死分别为沼气池容积和死气箱容积,m3 投料率=16-3.9/16=75.6%计算最大贮气量V贮V贮=池容池容产气率0.5=160.30.5=2.4m3计算气箱总容积V气 V气=V 死+V贮 式中：V气、V死、V贮分别为沼气池气箱总容积、死气箱总容积和有效气箱容积最大贮气量 V气= 3.9+2.4=6.3m3计算池盖容积V1 式中：

22、V1、f1、R分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径 V1=3.140.666=2.97m36.3m3 因此AA液面位置在池身内计算发酵间最低液面位AA对于一般的沼气池来说,V气均大于V1,也就是说AA液面位置在圆筒形池身范围内,此时,要确定进出料管的安装位置,应按下式先算出气箱在圆筒形池身部分的容积V筒V筒=V气-V1由于V筒=R2h筒,因此式中：h筒圆筒形池身内气箱部分的高度 R圆筒形池身半径AA液面位在池盖与池身交接平面以下h筒的位置上,这个位置就是进出料管的安装位置。 V筒=6.3-2.97=3.33 m3h筒=3.33/=0.39m3.2.3 水压间的设计 水压间的设计包括确定以下三个尺

23、寸：1水压间的底面标高,此标高应确定在发酵间开始工作状态时的液面位置OO水平。2水压间的高度H：此高度应等于发酵间最大液位下降值H1与水压间液面最大上升值H2之和,即H=H1+H23水压间容积：此容积等于池内最大贮气量。水压间的计算如下：设计参数 最大投料量Vmax=90%16=14.4m3 储气系数KG=0.5 产气率K= 0.3m3/m3d总容积V=16m3 直径D=3.3m 池盖曲率半径r1=2.39m矢高f1=0.66m设计计算a.集气间体积V0 m3,储气量VGm3V0=V-Vmax=16-14.4=1.6m3VG= VmaxKKG=14.40.30.5=2.16m3b.根据VW=V

24、G,就可求出水压间的直径DW。 假设hw=1m则Dw=1.66m4 配套设施的设计计算4.1 换热器的计算因为料液含水率超过90%,可以把料液当水看待。料液从5升至35,热水从75降至45,逆流流动。每月的原料液一次性进入换热器,加热后再进入沼气池进行中温发酵,每个沼气池配一台换热器,则原料液流量为16m3/月,换热时间为5h,则原料液的流量为105 kg/h。1计算热负荷不计热损失及热水用量2平均温度差t1=75-35=40；t2=45-5=40因为=12,所以逆流t逆=40,因为原料液和热水流量比较大,单管程的换热器无法完成换热任务,所以选择单壳程双管程的换热器。 R=1.0,P=0.43

25、,温度校正系数=0.88,因为0.8可行,tm=t逆=0.8840=35.23估算传热面积A估 选总传热系数K估=1200W/m2.K,4试选型号因为原料液中含有悬浮物质,长期在换热器中流动,会有部分沉积,造成换热管堵塞,增大污垢热阻,必须经常清洗换热器。壳程中有旋流挡板,易造成悬浮颗粒沉降,而管程则易于清洗,所以热水走壳程,料液走管程。管内料液的流速选取u1=2m/s 选取传热管25mm2.5mm,其内径d1=0.02m,外径d2=0.025m 估算单程管子根数为,取45根 根据传热面积A估估算管子长度 L= 若用4管程,则每管程的管长选用L=6000mm 由换热器系列标准初选浮头式换热器型

26、号为BES600-2.5-90-6/25-4I 管总数N=188根,每管程的管数n=47根,管中心距t=32mm,正方形错列。壳体内径D=600mm,折流挡板间距h=200mm,故折流板挡板数NB=-1=-1=29块。传热面积A选=86.9m25校核总传热系数管程对流传热系数1管内料液流速u1=Re1=Pr1=1=0.023RP=0.02337581.670.4=6832.26W/m2.K壳程对流传热系数2壳程流通截面积S=hd1-= 0.20.61-=0.0263m2热水的流速u2=正方形排列的当量直径de=163,Pr2=热水被冷却,取=0.952=163-0.14=1632.980.95

27、=2626.9 W/m2.K总传热系数取污垢热阻Rd1= Rd2=0.0002m2.K/W,碳钢的热导率=45W/m.K=+Rd1+Rd2+ =+0.0002+0.0002+ =0.000859K=1164.1 W/m2.K传热面积A=84.9m2 与原估计值基本相符=1.02,即传热面积有2%的裕量,符合要求4.2 吸收塔的计算1传质推动力的计算 在温度t=35,总压0.2Mpa下,含有H2S 0.034%摩尔分数的沼气与清水接触,吸收其中的H2S。相同条件下,气体密度之比等于气体相对分子质量之比。空气平均分子量是29,硫化氢是34,所以硫化氢密度比空气的大。35时空气的密度是1.15kg/

28、m3,则H2S的密度是1.34 kg/m3,吸收后H2S的必须小于0.06mg/m3,即4.4810-8,吸收率要达到99.99%以上。一般硫化氢的浓度超过0.02%时可引起人头痛、乏力、失明、胃肠道病等症状。超过0.1%时,可很快致人死亡。从实际情况考虑,只要H2S的摩尔分数低于0.02%即可,所以本设计要求吸收率达到98%,即出口混合气体中H2S的摩尔分数是0.00068%。从化工原理表5-1查得H2S水溶液的亨利系数E=68.6Mpa,总压P=0.2Mpa,相平衡常数m=2吸收剂水溶液用量的计算设计参数 由沼气池出来的沼气用水溶液去除其中的H2S,每月沼气产量为500m3,0.5h处理完

29、,则混合气体的流量1000m3/h,沼气的温度为35,其中的二氧化碳、甲烷等气体可视为惰性气体,性质认为与空气相同。吸收剂用量为最小用量的1.1倍,已知操作压力为2个标准大气压。设计计算惰性气体流量为吸收剂用量L=39.55369.7518=263267.34kg/h 3吸收塔塔径的计算设计参数 假设用清水吸收沼气中的H2S,最大沼气的处理量为1000m3/h,密度G=1.15kg/m3,用水量为263267.3kg/h,溶液密度看作与水的密度相同,L=1000 kg/m3。操作压力为2个标准大气压,温度为35。设计计算a.泛点气速的计算混合气的质量流量G=GV=1.151000=1150kg

30、/h=用化工原理图5-29坐标的7.76与乱堆填料的泛点线,查的纵坐标为选用25mm25mm乱堆瓷鲍尔环,填料因子=300 l/m,=135溶液取35水的黏度=727.410-6Pa/s 泛点气速=b.塔径的计算取空塔气速为80%,则=80%=0.80.41=0.33m/s塔径D=4填料层高度的计算设计参数 沼气在直径为1.04m的填料吸收塔中用清水吸收其中的硫化氢,沼气流量为1000m3/h,操作温度为35,硫化氢的气相体积吸收总系数KYa=300kmol/m3.h。设计计算 Z= NH=21.260.155=3.3m说明：核算地基允许承载力为0.297 t/m28t/m25 设计总结本次设计,将书本上课知识具体化,使我们能更好的掌握课本知识,增加实践经验。对沼气池的有了进一步认识和了解,特别是水压式沼气池,也为以后我们的工作打下坚实的基础。当然由于所查资料及所学知识有限,如若有不足或错误之处还望于老师校正6参考文献1、王志魁.化工原理M.北京.化学工业出版社.20022、芈振明.固体废物的处理与处置M.北京.高等教育出版社.19933、赵由才.固体废物污染控制与资源化.北京.化学工业出版社.20024、卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用.北京.化学工业出版社,20055、张平.水压式沼气池原理与构造.可再生资源.2003.6.