水压式沼气池课程教学设计材料模板.doc

!- 南昌航空大学 固体废物处理课程设计 设计名称：水压式沼气池设计 学院：环境与化学工程学院 专业：环境工程 班级： 姓名： 目 录 1 概 论 2 1.1 设计任务和内容 2 1.1.1 设计内容 2 1.1.2 水压式沼气池设计任务 2 1.1.3 课程设计原则 3 1.1.4 工程设计范围 3 1.2 项目的背景及建设的必要性 3 1.3 沼气的基本知识 3 1.4 水压式沼气池基本知识 4 1.4.1 水压式沼气池的特点 4 1.4.2 沼气池采用中温厌氧发酵 4 2 厌氧发酵工艺流程说明 4 3 沼气池体部分的设计计算 5 3.1 发酵原料 5 3.1.1 沼气发酵原料的理论产气量 5 3.1.2 原料的碳氮比 5 3.2 沼气池体部分设计计算 6 3.2.1 设计参数 6 3.2.2 发酵间的设计 6 3.2.3 水压间的设计 10 4 配套设施的设计计算 10 4.1 换热器的计算 10 4.2 吸收塔的计算 12 参考文献 14 1 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/m3 1.0 1.5 2.0 4.0 5.0 2 三甲胺 mg/m3 0.05 0.08 0.15 0.45 0.80 3 硫化氢 mg/m3 0.03 0.06 0.10 0.32 0.60 4 甲硫醇 mg/m3 0.004 0.007 0.010 0.020 0.035 5 甲硫醚 mg/m3 0.03 0.07 0.15 0.55 1.10 6 二甲二硫 mg/m3 0.03 0.06 0.13 0.42 0.71 7 二硫化碳 mg/m3 2.0 3.0 5.0 8.0 10 8 苯乙烯 mg/m3 3.0 5.0 7.0 14 19 9 臭气浓度 无量纲 10 20 30 60 70 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 ①水压式沼气池尺寸设计：沼气池主体容积、高度、直径、水压间容积、高度、直径。 ②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。 ③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 ①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； ②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； ③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； ④提高计算、制图等方面的基本技能； ⑤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/m2 1.1.3 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： ①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。 ②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。 ③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。 ④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： ①由于气压反复变化，而且一般在4～16千帕（即40～160厘米水柱）压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。 ②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。 ③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30～35℃，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的农业固体废物主要有猪粪和秸秆两种，其年产量为3000吨，因为在南方，所以秸秆为稻草。 厌氧发酵的适宜碳氮比为20：1—30：1，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250吨，查芈振明《固体废弃物的处理与处置》表9—7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-x）kg 求出x=53.8吨 一次性投加的稻草为53.8吨，猪粪为196.2吨。水压式沼气池的容积比较小，对于每月250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5.38吨，猪粪为19.62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10～28℃，发酵料液中的干物质含量为6～10％时，每天每立方米发酵料液产气量为0.1～0.3m3，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0.2。 （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85~95%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3000吨，月产量为250吨。因为料液的含水率超过90%，取95%，所以沼气池的容积V可以定为，每个沼气池的容积为500m3。 （2）确定贮气量 贮气量=池容产气率池容0.5=0.250000.5=500 m3，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 π——圆周率，取3.14 综合圆形沼气池的内力结构计算，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，池底失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=0.447D3 D3= 故 说明： 沼气池的总高为7.52m，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，所以可设沼气池的地下埋深为5m，在地面以上的部分为2.52m。 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： ①计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面O—O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10—15cm之间，取12cm h2——导气管下露出长度，一般取3—5cm，取4cm h3——导气管下口到O—O液面距离，一般取20—30cm，取25cm f死=12+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 ②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 ③ 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= ④计算最大贮气量V贮 V贮=池容池容产气率0.5=5000.20.5=50m3 ⑤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+50=53.9m3 ⑥计算池盖容积V1 式中：V1、f1、R——分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径 因此A—A液面位置在池身内 ⑦计算发酵间最低液面位A—A 对于一般的沼气池来说，V气均大于V1，也就是说A—A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=πR2h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 A—A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=53.9 -33.95=19.95 m3 3.2.3 水压间的设计 水压间的设计包括确定以下三个尺寸： （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O—O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+H2 （3）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： ①设计参数 最大投料量Vmax=90%500=450m3 储气系数KG=0.5 产气率K= 0.2m3/（m3d） 总容积V=500 m3 直径D=10.38（m） 池盖曲率半径r1=7.526（m） 矢高f1=2.076（m） ②设计计算 a.集气间体积V0 （m3），储气量VG（m3） V0=V-Vmax=500-450=50（m3） VG= VmaxKKG=4500.20.5=45（m3） b.根据VW=VG，就可求出水压间的直径DW。 假设hw=2m则 4 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500m3/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==1<2，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，温度校正系数φ=0.88，因为φ＞0.8可行，△tm=φ△t逆=0.8840=35.2℃ （3）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φ25mm2.5mm，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=86.9m2 （5）校核总传热系数 ①管程对流传热系数α1 管内料液流速u1== Re1== Pr1== α1=0.023RP=0.023（37581.6）70.4=6832.26W/m2.K ②壳程对流传热系数α2 壳程流通截面积S=hd（1-）= 0.20.6（1-）=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（）=0.95 α2=163（）-0.14=163（2.98）0.95=2626.9 W/m2.K ③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+ =0.000859 K=1164.1 W/m2.K ④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/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 ①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，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。 ②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 ①设计参数 用清水吸收沼气中的H2S，沼气的处理量为1000m3/h，密度ρG=1.15kg/m3，用水量为263267.3kg/h，溶液密度看作与水的密度相同，ρL=1000 kg/m3。操作压力为2个标准大气压，温度为35℃。 ②设计计算 a.泛点气速的计算 混合气的质量流量G=ρGV=1.151000=1150kg/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，==1 35℃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 ①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。 ②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/m2＜8t/m2 参考文献 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，2005 5、张平。水压式沼气池原理与构造。可再生资源，2003，6：112