沼气池课程设计

1 沼气池设计简介

1.1沼气的基本知识

1.1.1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，产生的一种可燃性气体。由于这种气体最终是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫他沼气。沼气含多种气体，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。第一类细菌叫分解菌，他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。他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；第二类细菌叫甲烷细菌，通常叫甲烷菌，他的作用是将简单的有机物及二氧化碳还原成甲烷。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程序：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。

1.1.2沼气的成分

沼气是一种混合气体，他的主要成分是甲烷，其次是二氧化碳、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%。

1.1.3沼气的理化性质

沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，他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。甲烷对空气的比重是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。沼气每立方米发热量约23.4千焦，相当于0.55千克或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。

1.2沼气池的设计原则

1）必须坚持“四结合”原则

“四结合”是指沼气池与畜圈、厕所、日光温室相连，是人畜粪便不断进入沼气池内，保持正常产气、连续产气，并有利于粪便管理，改善环境卫生，沼液可方便的运送到日光温室蔬菜地里做肥料使用。

2）坚持“圆、小、浅”的原则

“圆、小、浅”是指池型以圆形柱为柱，池容6~12m³，池深2m左右，圆形沼气池具有以下有点：第一，根据几何学原理，相同容积的沼气池，圆形比方形话长方形的表面积小，比较省料。第二，密闭性好，且较牢固。圆形池内部结构合理，池壁没有直角，容易解决密闭问题，而且四周受力均匀，池体较牢固。第三，在我国北方，气温较低，圆形池置于地下，有利于冬季保温和安全越冬。第四，适于推广。无论南北，建造圆形沼气池都有利于保证建池质量，做到建造一个，成功一个，使用一个，巩固一个，积极稳步地普及推广。小，是指主池溶积不宜过大。浅，是为了减少挖土深度，也便于避开地下水，同时发酵液的表面积相对扩大，有利于产气，也便于出料。

3）坚持直管进料，进料口家箅子、出料口加盖的原则

直管加料的目的是使进料流畅，也便于搅拌。进料口加箅子是防止猪陷入沼气池进料管中。出料口加盖是为了保持环境卫生，消灭蚊蝇孳生场所和防止人、畜掉进池内。

1.3沼气池的结构与工作原理

水压式沼气池的结构和工作原理见图2-1，这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。

(()

()

O-O

（a ）1．加料管 2.发酵间（贮气部分） 3.池内液面O —O 4.出料间液面 （b ）1．加料管 2.发酵间（贮气部分） 3.池内液面A —A 4.出料间液面B —B

（c ）1．加料管 2.发酵间（贮气部分） 3.池内液面A —A 4.出料间液面B —B 5.导气管 6沼气输气管 7.控制阀

图1-2水压式沼气池工作原理示意图

图（a ）是启动前状态。此时，发酵间与水压间的液面处在同一水平，称为初始工作状态，发酵间的液面为O —O 水平，发酵间内尚存的空间（V 0）为死气箱溶积。

图（b ）是启动后状态。此时发酵池内发酵产气，发酵间的气压随产气量增加而增大，造成水压间液面高于发酵间液面。当发酵间产气量达到最大量（V 贮）

时，发酵间的液面下降到可下降的最低位置A —A 水平，水压间的液面上升到可上升的最大位置B —B 水平。这时，称为极限工作状态。极限工作状态时两液面的高差最大，称为极限沼气压强，其值可用下式表示：

21H H H +=∆ 1-1 式中：H 1—发酵间液面最大下降值；

H 2—水压间液面最大上升值；

△H —沼气池最大液面差。

图（c ）表示使用沼气时，发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间。这样，不断产气和不断用气，发酵间和水压间液面总是在初始状态和极限状态间不断上升或下降。

水压式沼气池具有以下几个优点：

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。 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，池体浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率偏低

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沼气池的设计参数

设计水压式沼气池时，需掌握的主要参数如下：

1）气压：8000±1000Pa ，考虑到在南方温度较北方高，本次课程设计取的 产气率也比较高，本次设计气压初步定为8200Pa 。