Lipp制罐技术在绍兴黄酒厂沼气工程中的研究与应用

Lipp制罐技术在绍兴黄酒厂沼气工程中的研究与应用摘要:“大中型沼气工程现代化施工技术的研究”是国家“九五”科技攻关项目——“生物质能利用技术”中的研究专题之一。1996年在绍兴最大三家黄酒厂污水沼气工程的设计、建造中，本所成功的引进、消化德国Lipp制罐技术，并与新工艺优化组合研制成新型成套沼气工程工艺设备，该技术具有施工周期短、造价低、质量好等优点，其施工周期比传统施工方式缩短60%以上，造价节省20%以上。已被联合国开发计划署和全球环境基金列为示范技术。1．项目概况目前，在我国的大中型沼气工程设计与建设中，一般均采用传统的钢筋混凝土或钢板现场焊接方式建造各种工艺用途的池体和罐体。由于在施工工艺和技术上仍沿用传统的建筑材料和手工作业方式，存在施工周期长、建筑材料耗量大，设备配套性差、自动化程度低、工程质量难以控制等问题，影响了我国沼气工程建设事业稳步发展和进入更高层次。因此，在大中型沼气工程的建设中新技术、新工艺、新材料的开发研究和应用已成为急需解决的一项课题。在绍兴黄酒厂沼气工程中，我们引进、消化和吸收德国Lipp公司的新型建材和施工技术，并结合先进的厌氧和好氧消化工艺进行了优化和国产化改进。1996年春季，在浙江绍兴中粮绍兴酒有限公司的污水处理沼气工程的设计和施工中，首次引进德国Lipp“螺旋、双折边、咬合”制罐技术，作为第一个Lipp制罐技术引进、消化、吸收的研究与示范工程，Lipp罐的所有材料均由德国进口，包括厌氧罐与SBR池的不锈钢复合钢板、压顶异型槽钢、厌氧罐的不锈钢薄膜顶和保温材料等。随后在黄酒集团和塔牌酒厂污水处理沼气工程的设计与施工中，Lipp罐工程设计、罐体制作材料与罐体制作工艺的国产化研究进一步完善，材料的国产化率达到90%以上，实现自行设计和施工。2．工程工艺介绍绍兴黄酒以其独特的酿造工艺和醇香味美而蜚声中外，然而，绍兴黄酒在酿造过程中产生大量的污水，对鉴湖水环境造成日益严重的污染。黄酒生产排放废水按浓度可分为高浓度废水和中低浓度废水。高浓度废水主要有米浆废水、前酵缸冲洗废水、带槽洗坛废水、淋饭废水，废水中富含淀粉、糖类、蛋白质等有机质。（水质见表1）表1黄酒污水水量和水质项目水量CODcrBOD5SSPH值高浓度污水100吨/天30000mg/l20000mg/l1000mg/l4.5稀污水500吨/天250mg/l150mg/l250mg/l6-7注：数据为绍兴中粮鉴湖酒厂的污水处理工程的监测数据根据黄酒污水浓度高，酸性大，氨氮高的特点，采用浓稀污水分流和“UASB—SBR”工艺路线处理黄酒污水，工艺流程详见图1。l浓污水先进行水解预处理，水解酸化池内设弹性填料，用于附着微生物，HRT=24h。l厌氧消化采用UASB工艺，厌氧罐内设三相分离器、布水器及回流装置。采用38℃±2中温发酵，水力滞留时间4.5天，有机负荷5kgCOD/m3.d，产气率2.1m3/m3.d。l好氧处理采用SBR工艺，该工艺在高效去除COD的同时，还具有硝化、反硝化的作用。设二座反应罐，滞留时间1天，罐内设漂浮式不锈钢滗水器和不锈钢条形曝气头。SBR池采用8小时一个周期，进水2小时，曝气4小时，沉淀1小时，排水1小时，COD去除率90%，好氧出水COD≤100mg/l达到《污水综合排放标准》（GB8978—88）的一级标准。l制取的可再生能源—沼气采用意大利进口的沼气自动喷燃装置与煤混烧方式，供锅炉燃烧使用。3、Lipp制罐技术的国产化研究与应用3.1Lipp制罐技术的特点Lipp制罐技术是德国发明家萨瓦.Lipp先生的专利技术，它应用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳原理，通过专用技术和设备将2—4mm厚的不锈钢复合板（或高强度镀锌钢板），采用“螺旋、双折边、咬口”工艺来建造圆型池和罐体。由于是机械化、自动化制作和采用薄钢板作为建筑材料，因此Lipp制罐技术具有施工周期短、造价低、质量好等优点，其施工周期比传统施工方式缩短60%以上，与传统的钢结构罐相比，节约钢材40%以上。Lipp制罐技术主要制作特点就是采用专用设备—一台折边机和一台咬和机，将薄钢板通过上下之间的咬和形成螺旋上升的、连续的咬和筋，从而形成圆形罐体，Lipp罐壁咬和筋的成型过程见图2。由于Lipp罐具有连续的、螺旋上升的、等距的咬和筋的结构特点，虽然Lipp罐是薄壁结构，但却具有相当大的环向受拉强度，能承受罐体内部液体产生环向拉力。连续的、螺旋上升的、等距的咬和筋起着加强筋的作用，可见Lipp罐结构上非常合理和独特。3.2Lipp制罐技术国产化研究及优化根据Lipp制罐技术的特点，在绍兴黄酒厂污水处理沼气工程设计中，我们将Lipp制罐技术与先进的厌氧和好氧消化工艺结合，进行优化和国产化改进。设计了Lipp罐结构的厌氧罐、SBR池、贮气柜、配水池、污泥浓缩池等，工程应用情况见表2。经过Lipp技术工程化研究和应用表明，我们在建池材料、厌氧罐封顶、厌氧罐保温层、工艺接口、密封槽、软土地基设计等方面技术已实现Lipp罐体的优化和国产化改进，并积累了丰富的Lipp罐工程设计经验，完善和发展了Lipp制罐成套技术。表2Lipp罐在绍兴黄酒厂沼气工程中应用一览表序号建设单位名称建造年份罐体名称单罐容积（m3）数量（座）几何尺寸（m）罐体材料备注1中粮绍兴酒有限公司1996年3月厌氧消化罐5001φ9×9.6不锈钢复合钢板德国进口SBR池4002φ10×5.2不锈钢复合钢板德国进口贮气柜(干式)2001φ6.7×8.5高强度镀锌钢板德国进口2绍兴塔牌酒厂1996年9月厌氧消化罐5001φ9×9.6不锈钢复合钢板国产SBR池2202φ8×4.5高强度镀锌钢板国产贮气柜(湿式)501φ5×3.4高强度镀锌钢板国产配水池1101φ6×4高强度镀锌钢板国产3绍兴黄酒集团1996年9月厌氧消化罐10002φ11×12不锈钢复合钢板国产配水池8001φ13×6高强度镀锌钢板国产污泥浓缩池1401φ6×6高强度镀锌钢板国产贮气柜(干式)2001φ6.7×8.5高强度镀锌钢板国产3.2.1厌氧罐封顶的优化、改进设计在首次利用Lipp罐结构的厌氧罐的罐顶是采用德国进口0.6mm的不锈钢薄膜顶结构,薄膜顶具有材料省、重量轻、强度好、安装方便等优点。但是，根据厌氧罐工艺特点和维修管理等实际情况，这种结构形式也存在以下缺点：l厌氧罐薄膜顶结构没有放散孔，没有置换空气的安全装置，不利于厌氧罐大换料和维修管理的安全作业。l对于直径9米的Lip罐，其薄膜顶直径为9.6米，必须在专用场地焊接制作，卷成筒形后长度也有9.6米，其运输成了一大难题。l由于厌氧罐要求完全密封，而薄膜顶与它的压顶槽钢之间的密封仅靠螺栓和密封胶，万一发生沼气泄漏事故，维修难度较大。l薄膜顶的安装必须与卷罐同时进行，而不设置放散孔结构的薄膜顶对厌氧罐内工艺装置如三相分离器、溢流槽等的制作安装非常不便，也影响材料的进出与罐内通风。针对以上问题，我们将薄膜平顶改成刚性锥形顶，其中央设置带水封功能的放散孔，采用不锈钢板现场焊接而成。改进后的刚性锥形顶与进口薄膜平顶相比具有以下优点：l改进后的厌氧罐刚性锥形顶设置了带水封功能的放散孔，使厌氧罐内的沼气压力不会因超过额定压力而破坏罐体，也不会因负压而破坏罐体。l避免了超长材料的运输问题。l厌氧罐刚性锥形顶的安装时间可以安排在厌氧罐内工艺装置制作完成后进行，敞口的罐体使三相分离器、溢流槽等的制作安装更为安全方便，材料的进出也较为容易。l厌氧罐顶正中最高处设置的放散孔，在厌氧罐大换料和维修保养时有利于罐内气体的置换和安全操作。3.2.2厌氧罐保温层的改进设计和国产化在首次中粮绍兴酒有限公司的污水处理沼气工程中，500m3厌氧罐的保温层材料整体从奥地利进口。虽然这种保温材料重量轻、安装方便，保温效果良好，其缺点就是价格非常昂贵，且国内没有生产类似产品的厂家。因此，我们对厌氧罐保温层的进行了改进设计和材料国产化。根据Lipp罐的外部构造，采用双层廉价的聚苯乙烯泡沫保温板错缝覆盖，并用专用夹具和扁铁固定在罐壁上，其外侧采用彩色瓦楞保护板与扁铁用铆钉铆接固定。这种形式的保温材料不仅价廉，其总费用为进口材料的40%；而且保温层无缝隙，保温性能优于进口复合保温材料。3.2.3Lipp罐底板的优化、改进设计l绍兴地区的地质属沿海软土地基带，地质条件较差。由于Lipp罐体较薄，相对于基础底板刚度极小，对底板的不均匀变形反应较敏感，必须地基进行了加强处理。因此，根据具体地质条件，二个工程的厌氧罐、SBR池等Lipp罐体的地基采用水泥搅拌桩处理，另一个工程Lipp罐体采用沉管灌注桩处理。经现场施工沉降观测，厌氧罐和SBR池的沉降均符合设计，对Lipp罐体没有带来不利影响，为Lipp罐在不良地质条件下的设计与施工积累的经验。l在沼气工程中，厌氧罐是最关键的工艺装置。它的特点是有效水位相对较高，通常在9~11m，罐体和底板受力都较大。虽然，Lipp式罐体本身具有相当大的环拉强度，能够满足池体强度要求。但是，厌氧罐下部设有人孔、进料管、排渣管、循环管等工艺管道接口，使得罐底结构处于不利条件，变形较大，易造成底板密封槽渗水。因此，在厌氧罐底部设置一道环形圈梁，限制罐体变形。l将原德国提供等厚截面的钢筋混凝土底板基础，更改设计成中间薄，两边厚的变截面的钢筋混凝土底板基础，用以克服水平位移，增强Lipp罐钢筋混凝土底板基础的稳定性。3.2.4Lipp罐体与底板的密封槽的优化与改进设计在中粮绍兴酒有限公司的污水处理沼气工程中，由于是首次采用Lipp罐结构，密封槽采用德国设计施工图，密封材料均由德国进口，包括膨胀混凝土、专用密封胶、沥青油膏和油毡等。在此后工程中，我们全部采用了国产密封材料，并采用更为合理与可靠的密封方式，密封槽的优化与改进的内容主要在以下二个方面：l根据不同的罐体尺寸与罐体高度适当调整密封槽的宽度和深度，以使Lipp罐与混凝土底板的连接更可靠，密封性更好，更利于密封槽内膨胀混凝土的浇筑。l改变密封槽预埋件与罐体连接的构造设计，以及密封槽构造，更便于施工。3.3Lipp制罐技术改进和国产化后综合经济分析在绍兴黄酒厂污水处理沼气工程中,Lipp制罐技术经过不断的实践和总结改进，改进后的国产Lipp工艺装置与钢筋混凝土池、进口Lipp工艺罐相比具有较低的单位价格。国产Lipp厌氧罐与钢筋混凝土厌氧罐在200m3左右，随着厌氧罐容积的增加，国产Lipp厌氧罐的单位价格与进口Lipp厌氧罐、钢筋混凝土厌氧罐的单位价格之间的差距加大；而进口Lipp厌氧罐价格偏高的主要原因是由于进口Lipp厌氧罐的价格组成中保温材料占了较大的比重。国产Lipp敞口池、进口Lipp敞口池与钢筋混凝土敞口池相比，除了在小容积的情况下，国产与进口Lipp敞口池在价格上都具有较大的优势。国产Lipp敞口池在300m3处单价与钢筋混凝土池接近，进口Lipp敞口池在1000m3处单价与钢筋混凝土池接近，随着厌氧罐容积的增加，国产和进口Lipp敞口池的价格优势越来越明显。4.结束语在引进、消化、吸收具有国际先进水平，符合中国国情的德国Lipp制罐技术的过程中，我们坚持改进提高和国产化的原则，在确保工程质量达到德国制造标准的同时，结合先进的沼气工程工艺技术，逐步使Lipp罐的制作、新型复合材料及保温层、密封层等设计与施工优化，国产化率达到90%以上。该项目的成功完成，加快了我国大中型沼气工程的产业化过程，使我国大中型沼气工程技术与国际先进水平接轨，进入一个新的发展阶段。