水压式沼气池设计固废课设

中北大学信息商务学院课程设计任务书20152016 学年第 二 学期学院:化工与环境学院专业：环境工程学生姓名:宋思奇学号：1304014145课程设计题目：水压式沼气池设计一一4.0米3混凝土结构（池容产率0.6米3/米3?天）起迄日期:4 月29 日6月10日课程设计地点： 中北大学信息商务学院指导教师：李颖系 主 任：张建忠下达任务书日期：2016年4月29 日水压式沼气池设计4.0米3混凝土结构（池容产气率0.6米3/米3?天）摘要水压式沼气池是我国推广最早、 数量最多的池形，是在总结“三结合”、“圆、 小、浅”、“活动盖”、“直管进料”、“中层出料”等群众建池的基础上，加 以综合提高而形成的。“三结合”就是厕所、猪圈和沼气池连成一体，人畜粪便 可以直接打扫到沼气池里进行发酵。“圆、小、浅”就是池体圆、体积小、埋深浅。“活动盖”就是沼气池顶加活动盖板。这种池型的池体上部气室完全封闭， 随着沼气的不断产生，沼气池内压力相应提高。这个不断增高的气压，迫使沼气 池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出，当沼气减少时，水压间的料也又返回池体内，使得 水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。关键词：水压式沼气池，设计，沼气目录1. 绪论 11.1 沼气介绍 11.2 沼气发酵的原理 11.3 沼气发酵原料选择 11.4 工艺流程 21.5 水压式沼气池结构 21.6 水压式沼气池工作原理及优点 32. 圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算 32.1 设计参数 32.2 设计原始数据 42.3 工艺流程设计 42.4 发酵料液的计算 42.5 发酵间的设计 52.6 进料口（管）的设计 82.7 水压间的设计 93. 圆筒形水压式沼气池施工及材料设计 103.1 材料参考用量 103.2 沼气池施工 113.3 成本核算 124. 参考文献 135. 结束语 14有机物挥发酚、CO24丙酮酸、乙酸有机酸、醇类液化产氢产醋酸CO2、H2CH4、N2CO等产甲烷1. 绪论1.1沼气介绍沼气是由生物质和有机质如秸秆、畜禽粪便等经微生物发酵产生的一种可燃 性混合气体，其主要成分是甲烷（CH4）,大约占60%其次是二氧化碳（CO）, 大约占35%此外还有少量其他气体，有水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。 不同条件下产生的沼气，成分有一定差异。【1】1.2沼气发酵的原理沼气发酵，又称甲烷发酵，是由多种微生物在绝氧条件下分解有机物实现的。通常把参与沼气发酵的微生物分为三类。第一类叫发酵细菌，包括各种有机物分 解菌，它们通过分泌的胞外酶，将复杂的有机物分解为较简单的物质， 例如多糖 转化为单糖，蛋白质转化为甘油和氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸；第二类叫 产氢产乙酸菌，它们的主要作用是将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和 二氧化碳；第三类细菌叫产甲烷菌，其作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲 烷。在沼气发酵过程中，这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼 气过程。111根据三阶段理论，甲烷发酵原理可由下图表示碳水化合物卜糖类 多糖单糖蛋白质 *氨基酸一一 一 -脂肪脂肪酸、甘油 1.3沼气发酵原料选择农村沼气发酵原料尽管很多,但从沼气利用的角度考虑，主要为秸秆类和粪便类。粪便类分解速度相对较快，入池和出料都很方便，单独使用产气效果也很 好，因而许多地方只采用粪便入池发酵。但随着农业产业化的发展，农村种植和 养殖模式发生了显著的变化，家庭养猪数量不断减少，沼气发酵的粪便量严重不 足，秸秆作为发酵主要原材料成为必然。秸秆随农事活动批量获得，能长时间存 放不影响产气。但秸秆发酵速度较慢，需要较长时间才能达到预期的沼气产量， 且出渣较为困难。为此，入池前需要进行切短、堆沤等预处理，或和粪便一起发 酵，并采用批量入池，批量出渣的方法。【111.4工艺流程沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍采用的是下述两种工艺。(1) 自然温度半批量投料发酵工艺这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化，采用半批量方式投料。这种工艺的发酵期因季节和农用情况而定， 一般为5个月左右，运行中要求 定期补充新鲜原料，以免造成产气量下降，该工艺的主要缺点是出料操作劳动量 大。(2) 自然温度连续投料发酵工艺这种工艺是在自然温度下，定时定量投料和出料，能维持比较稳定的发酵条 件，使沼气微生物(菌群积累)区系稳定，保持逐步完善的原料消化速度，提咼 原料利用率和沼气池负荷能力，达到较高的产气率；工艺自身能耗少，简单方便, 容易操作。【211.5水压式沼气池结构在我国农村，沼气发酵不仅作为农业生态系统中的一个重要环节，处理各类废弃物来制成农家肥，而且获得生物质能用来照明或作为燃料。【21厌氧发酵一般在沼气发酵池中进行。沼气池种类很多，我国农村最常用的有： 家用水压式沼气池，曲流布料沼气池和圆柱形自循环沼气池等。【31其中，水压式沼气池是农村推广的主要池型。水压式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、发酵间、 出料管、水压间、导气管几个部分。【21水压式沼气池结构简图如下1图1 21加料管；2发酵间；3水压间；4导气管；5控制阀1.6水压式沼气池工作原理及优点家用水压式沼气池的工作原理是：池内装入发酵原料（约占池体积的80%左右），以料液表面为界限，上部为贮气间，下部为发酵间。当沼气池内产生沼 气时，沼气集中在贮气间内，随着沼气的增多，池内的压力不断增大，此时沼气 压迫发酵液进入水压间。用沼气时，贮气间的沼气被放出，此时，水压间内的料 液进入发酵间，如此“气压水、水压气”反复进行，因此称之为水压式沼气池。水压式沼气池构造简单，施工方便，各种建筑材料均可使用，取材容易，价 格较低，一般68m3沼气池造价6001000元。混凝土结构的沼气池使用寿命可 达20年。年产沼气240m3以上（黄河以北），可供五口之家 8个月做饭和全年 照明。【3】2. 圆筒形水压式沼气池的结构设计和计算2.1设计参数（1）气压:7480Pa（即 80cm 水柱）。（2）池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容积 1昼夜的产气量，单位 为m3沼气/ （m3池容 d）。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。（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12h产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。（4） 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4m3、 6m3、8m3、10m3 等几种。（5）投料率：系指最大投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在 85%95%之间为宜。2.2设计原始数据发酵间容积（池容）为4.0立方米；最大投料量小于发酵间总容积的 90%;池容产气率：0.6米3/米3天；建池材料：现浇混凝土；池内正常工作压力w 800毫米水柱（压强P=0.08公斤/厘米2）。2.3工艺流程设计此处采用自然连续投料发酵工艺，以人、禽畜粪便及蔬菜秸秆为发酵原料， 定时定量投料和出料，简单工艺流程图如下：图2 12.4发酵料液的计算发酵料液的体积V|门！ n2 k2 n3 T5 0.008 6 0.040.8 0 306.72 m3 式中：Vi发酵料液体积，m3;ni产人粪便总量。按常住人口 x 0.0060.013nf/ （人 d）取值； 2产牲畜粪便总量。按养猪头数x 0.0060.15m3/ （头 d）取值;n 3每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d;k2收集系数，取0.51.0;T原料滞留期(d)；蔬菜区T取30,平坝农业区取35,丘陵农 区取40。242气室容积的计算气室容积1 1 3V2Vik36.72 0.15 0.504 m3式中：Vi发酵料液体积，m3;V2气室容积，m3;k3原料产气率，我国通常采用的产气率包括0.15m3/ (m3 d)、0.2m3/(m3d)、0.25 m3/(m3d)、0.3 m3/(m3 d)。2.5发酵间的设计发酵间的容积VV1 V2 k 6.72 0.504 0.95 6.0 m3式中：v发酵间容积，m；v1发酵料液体积，m ；v2气室容积，m；k 1容积保护系数，取0.91.05。发酵间各部分尺寸的确定(1) 沼气池的直径根据用户平面布置确定。考虑充分利用土地资源、平面 布局紧凑的原则，确定沼气池的直径为 2.2m。(2) 发酵间池盖削球体矢高和净容积 池盖削球体矢高式中：f 1池盖削球体矢高，m圆柱体形池身直径，ma 1直径与池顶矢高的比值，取 56 池盖削球体净容积2Q1f1 3R63.14 0.443 1.120.4420.88 m3式中：q池盖削球体净容积，m； f i池盖削球体矢高，m R 池身圆柱体内半径，m。(3) 发酵间池底削球体矢高和净容积池底削球体矢高2.280.275 m810。3m；3m；3m。式中：f2池盖削球体矢高，md 池身圆柱体直径，ma 2直径与池底矢高的比值，取池底削球体净容积2 2Q3 f2 3Rf263 14220.2753 1.10.27560.53 m3式中：Q发酵间池底削球体净容积，f2池底削球体矢高，m(4) 发酵间池身圆柱体容积和池墙高度发酵间池身圆柱体净容积Q2 V Q1 Q36 0.88 0.53 4.59 m3式中：Q发酵间池身圆柱体净容积,v 发酵间总容积，m；q 1池盖削球体净容积，m；Q 3发酵间池底削球体净容积,发酵间池身圆柱体高度Q2R1.21 m4.5923.14 1.12式中：R发酵间池身圆柱体半径，m；H发酵间池身圆柱体高度，m。（5）发酵间内总表面积 池盖削球体球面内表面积22 2 2 2s R2 fl 3.14 1.12 0.442 4.42 m2式中：S1池盖削球面内表面积， m2;R池身圆柱体半径，m；f1池盖削球面矢高， m。 圆柱体池身内表面积2S22 RH 2 3.14 1.1 1.21 8.36 m式中：S2池身圆柱体内表面积，m2;R池身圆柱体内半径，m；H池身圆柱体高度，m。 池底削球体内表面积2R2 f223.14 1.12 0.2752 4.04 m2式中：S3池底削球体内表面积，m2;R池身圆柱体内半径，m。f2池底削球体矢高， m； 发酵间总表面积S S,Ss 4.42 8.36 4.04 16.82 m2 发酵间各部分位置标注2.6进料口（管）的设计进料口 （管）由上部长方形槽和下部圆管组成，其中上部长方形槽几何尺寸 是长X宽X深=600mM 320mM 500mm下部圆管采用 260mn现浇混凝土管，管 与池墙角为40?。水压式沼气池进料管安装位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处。 该位置计算如下：死气箱拱的矢高f死 h h2 h3 0.12 0.04 0.24 0.40 m式中：hi池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在1015cm之间；h 2导气管下露出长度，取 35cmh 3导气管下口到液面距离，一般取 2030cm死气箱容积V死f 死2 i f死20.43.14 0.41.59530.87 m3式中：V死, f死，p 1分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。263投料率根据死气箱容积，可计算出沼气池投料率。7亠 6. .87 100%85.5%V6.0式中：V，V死一一分别为发酵间容积和死气箱容积,3m。264最大贮气量1Vr池容 池容产气率-6.020.15 -0.45 m2265气箱总容积V气 V死 7贮 0.87 0.45 1.32式中：V气，V死,分别为沼气池的气箱总容积、死气箱总容积和有效气箱容积(最大贮气量)。发酵间最低液面位(1) 气箱在圆筒形池身部分的容积V筒 V气 Q.1.32 0.88 0.44 m3(2) 圆筒形池身内气箱部分的高度Vw0.4423.14 1.10.116 m最低液面位于池盖与池身交接平面以下h筒的位置上，这个位置也就是进料管的安装位置。2.7水压间的设计水压间零压线无效水压间的容积取为0。未产生沼气时液面位置在池盖拱顶下0.4m处，因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.4m处的水平线上。发酵间最大料液水位降产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f1+h筒=0.44+0.116=0.556m，又未产气时液面距池顶0.4m,所以，发酵间最大料液水位降为 0.556-0.4=0.156m。水压间高度由于设计压强为7480Pa(即80cm水柱),因此水压间的高度H 水压间 0.8 0.156 0.644 m水压间圆柱体底面积S水压间V贮H水压间0.450.6440.70 m2r0.73.14水压间底面半径 0.47 m3. 圆筒形水压式沼气池施工及材料设计3.1材料参考用量根据GB/T4752-2002中4卅10用现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表,如下：容积混凝土碎石m3m3体积m3水泥kg中沙m341.2573500.6220.95961.6354550.8091.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容积池体抹灰水泥素浆m3体积m3水泥kg中沙m3水泥kg40.2771130.259660.3471420.324780.4001630.3749100.5082080.47511容积合计材料用量3m水泥kg中沙m3碎石m344690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710表3 1本设计为池容6吊，产气率为0.15m3/ （md）的现浇混凝土结构圆筒形水 压式沼气池，参照标准，取材料用量为水泥604kg,中砂1.133m3，碎石1.250m3一般情况建一个8m3的沼气池需要红砖600块，若建6斥沼气池，则水泥、 砖、砂比8吊沼气池用量要减少10%考虑到进出料间用料则本设计需红砖 600 块，由于进出料管为现浇混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分别增加为3a720kg，1.5m，1.3m，钢筋 1.8m。3.2沼气池施工（1）考察地形，选定施工位置。（2）制定施工方案，绘制结构和施工图。（3）施工准备。（4）池坑开挖。（5）支模。（6）模板及支架检验。（7）浇筑混凝土。（8）混凝土养护。（9）池底施工。（10）进出料管施工。（11）拆模。（12）回填土。（13）密封层施工。（14）质量总体检查验收。3.3成本核算查得325号水泥价格为390元/吨，中沙60元/立方米，碎石40元/立方米,红砖0.43元/块，钢筋（直径14mm每米28元，则所需材料费用为s 0.72 390 1.5 60 1.3 40 0.43 600 2 28736.8 元考虑到工人工资，材料运费及损耗等，应乘以一个2.2的系数，得到总费用S 736.8 2.21620.96 元4. 参考文献1 杨国清主编固体废物处理工程（第二版）.M北京：科学出版社，2007:3722 宁平等编.固体废物处理与处置实践教程.M北京：化学工业出版社，2005:1221233 张颖主编农业固体废弃物资源化利用.M北京：化学工业出版社，2005:1734 国家质量监督检验检疫总局发布.GB/T4752-2002农村家用水压式沼气池施工操作规程北京：中国标准出版社，2002 芈振明等编固体废物处理与处置.M北京：高等教育出版社，19935. 结束语通过本次课程设计，我对水压式沼气池的设计计算和施工建造有了深刻的认 识和了解，这也提高了我分析和解决问题的能力，并使我进一步接触到工程实际。 与此同时，我在设计中加强了自己的 word、autoCAD等多种绘图工具的应用能 力，获益匪浅。最后还要感谢老师和同学们的帮助，我会继续努力。