水压式沼气池课程设计模板教材

1、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： 100222姓名：刘亚丽目录1 概 论21.1 设计任务和内容 21.1.1 设计内容 21.1.2 水压式沼气池设计任务 21.1.3 课程设计原则 31.1.4 工程设计范围 31.2 项目的背景及建设的必要性 31.3 沼气的基本知识 31.4 水压式沼气池基本知识 31.4.1水压式沼气池的特点 31.4.2沼气池采用中温厌氧发酵 42 厌氧发酵工艺流程说明43 沼气池体部分的设计计算53.1 发酵原料 53.1.1 沼气发酵原料的理论产气量 错误！未定义书签。3.1.2

2、原料的碳氮比 错误！未定义书签。3.2 沼气池体部分设计计算 53.2.1 设计参数 53.2.2 发酵间的设计 63.2.3 水压间的设计 94 配套设施的设计计算 104.1 换热器的计算 104.2 吸收塔的计算 12参考文献 141.1 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

3、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/m30.050.080.150.450.803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

4、 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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、、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

10、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： 池体结构受力性能良好， 而且充分利用土壤的承

11、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

12、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

13、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 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 20：130：1，碳氮比达

14、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。Cx混合原料碳氮比 kNx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 97得稻草中 C1为 42%、N1为 0.63%；猪粪中 C2为 7.8%、 N 2 为 0.6% 。设稻草有 x kg，猪粪则为（ 250-x） kg42%x 7.8% 250 xk 250.63%x 0.6% 250 x

15、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

16、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 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

17、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 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 250 =5000（m 3） ，每个沼气池的容积为 500m3。1 0.95（2）确定贮气量贮气量 =池容产气率 池容 0.5=0.2 5000 0.5=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：f22 r2f23图 3 沼气池发酵间

18、的组成2 2 2f1V1 f13R2f12f12r1116 1111322V2f2 3R2 f226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21f2 R2 f22 ；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，材料用量计算和施工、管理、 f 1 f f1 = 1 ，池底失跨比 f2D 5 D般认为池盖矢跨比1 和池身高8使用技术等各种因素，D 时沼气池的尺寸比较合2.5理。V1D8DD36 5 2R= D 代入上面各式得： 22

19、0.0827D30.0501D3D 0.314D323 2 2.53 3 3 3V= V 1+V 2+V 3=0.0827D 3+0.0501D 3+0.3142D 3=0.447D3 3VD=0.447D 3 V 500 10.38(m)0.447 0.44710.382.076( m)510.38f21.2975( m)810.38=4.152( m)2.5D 10.38R5.1(9 m)221 2 2r1 5.192 2.0762 7.526( m)2 2.0761 2 2r2 5.192 1.29752 11.029( m)2 2 1.2975说明：沼气池的总高为 7.52m，因为地下

20、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： 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 260cm 直径的活动盖，该值在 40 60cm 之间，取 50cmh2

21、导气管下露出长度，一般取 12 20cm，取 15cmh3 导气管下口到 OO 液面距离，一般取 80 120cm，取 100cmf 死=50+15+100=165cm=1.65m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2f 死V死 = f死2 r1 死3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2 1.65V死 3.14 1.652 7.526 - 59.6V V死 100%V3m3 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，500 3.9投料

22、率 = 100%=98.22%500 计算最大贮气量 V 贮3V 贮=池容 池容产气率 0.5=500 0.2 0.5=50m3 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= 59.6+50=109.6m 3计算池盖容积 V 1 V1= f1 3R2 f126式中： V1、f1、R 分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径2.076 2 2 3 3V1 3.14 3 5.192 2.0762 92.5m3 109.6m3 6因此 A A 液面位置在池身内计算发酵间最低液面位 A A对于一般的沼气

23、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 -V 1由于 V 筒=R2h 筒，因此 h筒 = V筒2R2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=109.6 -92.5=17.1 m317.1h筒2 0.2m筒 3.14 5.1923.2.3 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

24、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=H 1+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：设计参数3最大投料量 V max=90% 500=450m3 储气系数 KG=0.533产气率 K= 0.2m 3/（ m3d）3总容积 V=500 m 3直径 D=10.38 （m） 池盖曲率半径 r1=7.526 （m） 矢高 f1=2.076（ m） 设计计算 a.集气间体积 V0 （m3），储气量 V G（m3）3V 0=V-V max=500-450=50 （m ）3VG= Vma

25、xKKG=450 0.2 0.5=45（m3） b.根据 VW=V G，就可求出水压间的直径 DW。假设 hw=2m 则DW4VGhw4 455. 3m53. 14 24 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105Q qm1C p 1 t2 t14.183 103 35 5 3.

26、48 106W3.48 106qm2Cp2 T1T254.179 103 74 45 27.8kg/s 105kg/hm1 p1 2 1 36002）平均温度差t 1=75-35=40 ； t2=45-5=40 因为 t1 = 40 =10.8t2t135 5T1t175 5可行， tm= t 逆=0.88 40=35.2（ 3）估算传热面积 A 估Q 3.48 106选总传热系数 K 估=1200W/ （ m2.K）， A估82.39m2估 K 估 tm 1200 35.2（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

27、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qm1n23600d12 u1410523600 998.2 0.785 0.022 244.3，取 45 根根据传热面积 A 估估算管子长度10L=23.3mA估= 82.39d2 n 3.14 0.025 45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=18

28、8 根，每管程的管数 n=188 =47 根，管中心距 t=32mm，正方形错列。壳体4内径 D=600mm ，折流挡板间距 h=200mm ，故折流板挡板数 NB= L -1= 6 -1=29 块。传热 h 0.2面积 A 选 =86.9m2（ 5）校核总传热系数管程对流传热系数 15qm1105管内料液流速= 3600 1 = 3600 9928.21.89m/sd2 n 0.785 0.022 47d1 n4Re1=d1 u1 10.02 1.89 998.21.004 10 337581.6Pr1= cp1 1 = 4.183 103 1.004 10 3 7 1 0.5991 0.8

29、 0.31=0.023 1 R 0e1.8 P0r 1.3 =0.023d10.5990.0237581.6) 0.8 70.4=6832.26W/m 2.K壳程对流传热系数壳程流通截面积 S=hd（ 1- d0 ）= 0.2 t250.6 (1-)=0.0263m232qm227.8热水的流速 u2=2 S 983.1 0.02631.1m/ s正方形排列的当量直径de=4 (td02)224 (0.0322 0.785 0.0252)3.14 0.0250.027mRe2de2 u20.027 983.1 1.1469.9 10 662136.81Nu2 Pr2 3( 2 )w0.14=1

30、63，Pr2=cp24.179 103 469.9 10 60.6592.9811热水被冷却，取（2 ） 0.14 =0.95w2 1 2 -0.14 0.659 3 22=163 2 Pr2 3（ 2 ）-0.14=163（2.98） 30.95=2626.9 W/m 2.Kde r2 w 0.027 总传热系数2取污垢热阻 Rd1= Rd 2=0.0002m 2.K/W ，碳钢的热导率=45W/ （m.K）1 1 b d1d1d1=+Rd1+1 +Rd2 1 + 1K 1 dmd22 d21 0.0025 20 20 20= +0.0002+ +0.0002 +6832 .26 45 22

31、.5 25 2626.9 25 =0.0008592K=1164.1 W/m 2.K 传热面积A= Q = 3.48 10 =84.9m 2 与原估计值基本相符 K tm 1164.1 35.2A选 86.9选 =1.02 ，即传热面积有 2%的裕量，符合要求A 84.94.2 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/m 3，则 H

32、2S 的密度是 1.34 kg/m 3，吸收后 H2S 的必须小于 0.06mg/m3，即 4.48 10-8，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= E = 68.6 343 p 0.2Y1y10.034% 0.03

33、4%1 1 y1 1 0.034%98% 1 Y2 ,Y2 Y1 1 98% 0.00068%Y1X2 0,Y2 mX2 0Y2 Y2 0.00068%（2）吸收剂（水溶液）用量的计算12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。设计计算惰性气体流量为1000 273G 1 0.034% 39.55kmol /h22.4 273 35LY1 Y2 0.