水压式沼气池设计

1、1 绪论1.1 设计题目水压式沼气池设计1.2 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。1.3 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

2、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。1.4 沼气的基本知识1.4.1 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

3、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。1.4.2 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

4、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%。1.4.3 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

5、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。1.5 水压式沼气池基本知识1.5.1 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

6、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）

7、偏低。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。1.5.2 沼气池采用中温厌氧发酵发酵温度维持在3035，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

8、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 设计方案2.1 设计依据设计原始数据：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：0.3米3/米3天建池材料：现浇混凝土国标GB/T4750-2002 农村家用水压式沼气池施工操作规程。设计的CAD图纸及现场实际情况。2.2 设计原则无效发酵间尽量小，无效水压间尽量小；有效发酵间=最大储气量=有效水压间；水压间略大于发酵间，投料线低于导气管。2.3 设计内容本设计的内容主要是三管和两间的设计，三管是投料管、出料管和导气管，两间是发酵间和水压间。本案主要是投料管和发酵间各个部分的设计，其它部分只是

9、错略设计。2.4 材料选择主体结构所有材料均采用现浇混凝土。3 设计计算3.1 工艺流程设计采用自然温度连续投料发酵工艺，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，简单工艺流程如下。人畜粪便（青草及农业废料）进料间厌氧发酵间水压（出料）间农田。3.2 发酵料液体积的计算发酵料液体积：式中：V1发酵料液的体积，m3；n1产人粪便总量。按常住人口×0.0060.0013m3/(人·d)取值；n2产牲畜粪便总量。按 养猪头数×0.0060.15 m3/(头·d)取值；n3每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d；k2收集系数，取值0.51.0；T原料

10、滞留期(d)；蔬菜区T取30，平坝农业区取35，丘陵农区取40。3.3 气室容积的计算气室容积：式中：V1发酵料液体积，m3；V2气室容积，m3；k3原料产气率，这里k3=0.25 m3/(m3·d)。3.4 发酵间的设计3.4.1 发酵间的容积式中：V发酵间容积，m3；V1发酵料液体积，m3；V2气室容积，m3；k1容积保护系数，取0.91.05。3.4.2 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1.8m。（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。池盖削球体矢高：式中：f1池盖削球体矢高，m；D圆柱形形体

11、池身直径，m；1直径与池顶矢高比值，取56。池盖削球体净容积式中：Q1池盖削球体净容积，m3；圆周率，取3.1416；f1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：式中：f2池底削球体矢高，m；D池身圆柱体直径，m；2直径与池底矢高的壁纸，取810。池底削球体净容积：式中：Q3发酵间池底削球体净容积，m3；圆周率，取3.1416；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：式中：Q2发酵间池身圆柱体净容积，m3；V发酵间总容积，m3；Q1池盖削球体净容积，m3；Q3发酵间发酵间池底削球体净容积，m3

12、。发酵间池身圆柱体高度：式中：圆周率，取3.1416；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）发酵间总表面积：S=S1+S2+S3式中：S内总表面积，m2；S1池盖削球体内表面积，m2；S2池身削球体内表面积，m2；S3池底削球体内表面积，m2。池盖削球体球面内表面积：式中S1池盖削球体球面内表面积，m2；R池身圆柱体半径，m；f1池盖削球体矢高，m；圆周率，取3.1416。圆柱体池身内表面积：式中：S2池身圆柱体内表面积，m2；H池身圆柱体高度，m；圆周率，取3.1416；R池身圆柱体半径，m。池底削球体内表面积：式中：S3池底削球体内表面积，m2；f2池底削球体矢高，

13、m；圆周率，取3.1416；R池身圆柱体半径，m。发酵间总表面积：S=2.95+7.18+2.70=12.83(m2)3.4.3 进料口(管)的设计进料口(管)有上不长方形槽盒下部圆管组成，其中上部长方形槽几何尺寸是长×宽×深=600mm×320mm×500mm；下部圆管采300预制混凝土管，管与池墙角40°。（1）死气箱拱的矢高：式中：h1池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，该值一般在1015cm之间；h2导气管下露出长度，取35cm；h3导气管下口到液面距离，一般取2030cm。（2）死气箱容积：式中V死，f死，1分别为死气箱容积、死气箱矢高

14、、池盖曲率半径。（3） 投料率。根据死气箱容积，可计算出沼气池的投料率，即式中V，V死分别为发酵间容积和死气箱容积，m3。（4）最大贮气量：（5）气箱总容积式中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。(6) 发酵间最低液面位。气箱在圆筒形池身部分的容积为圆筒形池身内气箱部分的高度为最低液面位在池盖与池身交接平面以下h筒=0.303m的位置上。这个位置也就是进出料管的安装位置。3.5 水压间的设计3.5.1 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0.5m处，因此水压间底面标高确定在池盖拱顶下0.5m处的水平线上。3.5.2 发酵间最大料液

15、水位降产生最大贮气量时的液面距池顶的高度为f1+h筒 =0.36+0.263=0.623m，又未产气时液面距池顶0.5m，所以，发酵间最大料液水位降为0.623-0.5=0.123m。3.5.3 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3.5.4 水压间圆柱体底面积3.5.5 水压间底面半径4 圆筒形水压式沼气池施工及材料设计4.1 材料参考用量根据GB/T4752-2002中4m310m3现浇混凝土圆筒形沼气池材料参考用量表如下： 表31 参考用量容积m3混凝土体积m3水泥kg中沙m3碎石m341.2573500.6220.95961.6354550.8091

16、.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容积m3池体抹灰水泥素浆体积m3水泥kg中沙m3水泥kg40.2771130.259660.3471420.324780.4001630.3749100.5082080.47511容积m3合计材料用量水泥kg中沙m3碎石m344690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710本设计为池容4m3，产气率为0.3m3/（m3·d）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469kg，中砂0.881m3，碎石0.959m3。4.2 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。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