水压式沼气池课程设计模板

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/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∑∑=NxCx k 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C 1为42%、N 1为0.63%；猪粪中C 2为7.8%、N 2为0.6%。

设稻草有x kg ，猪粪则为（250-x ）kg()()25250%6.0%63.0250%8.7%42=-+-+=x x x x k 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m 3沼气/（m 3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0.1～0.3m 3，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、10m 3等几种，现采用的集中式沼气池容积比较大，。