固废课程设计水压式沼气池设计(完整版)

河南城建学院固体废物处理与处置课程设计（2010届）题目：农村家用沼气池设计院系：环境与市政工程系专业：环境工程班级：0214102学号：021410239姓名：王永春指导教师：郭一飞朱新锋时间:2012-2013学年第一学期第17周水压式沼气池2目录水压式沼气池设计计算说明书.......3一、前言.......................3二、课程设计的题目.............4三、课程设计的目的.............4四、设计参数...................4五、工艺流程...................5六、沼气池的工作原理...........6七、沼气池的设计依据及原则.....8八、发酵料液的计算............11九、发酵间的设计..............12十、进料口（管）的设计........15十一、水压间（管）的设计......17十二、发酵原料的预处理........18十三、水压式沼气池的优缺点....20十四、安全注意事项...........20十五、设计小结................21十六、文献资料................21十七、沼气池CAD图纸..........22十八、沼气池平面安装图........23水压式沼气池3水压式沼气池设计计算说明书一、前言沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳。固定拱盖水压式沼气池有圆筒形、球形和椭球形三种池型。这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相应提高。这个不断增高的气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就叫做“水压”。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出；当沼气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就之为水压式沼气池。水压式沼气池，是我国推广最早、数量最多的池型，是在总结“三结合”、“圆、小、浅”、“活动盖”、“直管进料”、“中层出料”等群众建池的基础上，加以综合提高而形成的。“三结合”就是厕所、猪圈和沼气池连成一体，人畜粪便可以直接打扫到沼气池里进行发酵。沼气发酵有很多优点。沼气发酵可产生甲烷，它是清洁水压式沼气池4方便的燃料；发酵过程中N、P、K等肥料成分几乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨太氮，速效性养分增加;发酵残渣可以作为饲料肥料；沼气发酵处理有机物课大量地节省曝气消化所消耗的能量等等。沼气发酵非常适合在农村地区推广使用。二、课程设计的题目水压式沼气池设计三、课程设计的目的通过课程设计进一步笑话和巩固本课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论知识进行沼气池设计的初步能力。通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养确定厌氧系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。四、设计参数1、气压：7840Pa(即80cm水柱)2、池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池1昼夜的产气量，单位为m3沼气／(m3池容.d)。我国常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。本次设计采用0.25。3、贮气量：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存气量以12H产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。水压式沼气池54、某农户家共5人，牲畜（猪）4头。5、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4M3,6M3,8M3,10M3等几种。6、投料率：指最大投入的料液所占的发酵间的百分比，一般在85％～95％之间为宜。五、工艺流程沼气发酵工艺类型较多，我国农村普遍采用的是下面两种工艺。1.自然温度半批量投料发酵工艺这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化投料，基本流程图如图所示这种工艺的发酵期因季节和农用情况而定，一般为五个月左右，运行中要求定期补充新鲜原料，以免造成产气量下降，该工艺主要缺点使出料操作劳动量大。原料选择原料预处理配料加活性污泥入池发酵产气大出料定期出料送农田图1自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程水压式沼气池62．自然温度连续投料发酵工艺这种工艺在自然温度下，定时定量投料和出料，能维持比较稳定的发酵条件，使沼气微生物（菌群积累）区系稳定，保持逐步完善的原料消化速度，提高原料利率和沼气池负荷能力，达到较高的产气率；工艺自身消耗能少，简单方便，容易操作。我们选择的是自然温度连续投料发酵工艺。六、沼气池的工作原理水压式沼气池的工作原理可以概括为两句话：产气时，气压水；用气时，水压气。水压式沼气池装料封盖后启动前状态时，在发酵间内的料液和水压间内的料液液面上，同时受到大气压力的作用，因此两个液面处在同一水平面上，它们之间的气压差和液面差均为零。此时的工作状态称为“初始工作状态”，此时的料液液面高度为O-O水平面，发酵间内存在的空间为V0。启动以后，沼气池内开始发酵产气，随着沼气产量的逐渐增加，发酵间上部气箱中的贮气量越来越大，同时所产生的沼气将发酵间内的料液压入水压间，压出的料液体积与所产的沼气体积相等。当发酵间内贮气量达到最大贮气量VC时，水压间里增加的料液也为最大贮液量VC。此时发酵间内的料液面下降到可能下降的最低位置A-A水平面，水压间内的料液面上升到可能上升的最高位置B-B水平面。此时的工作状水压式沼气池7态称为“极限工作状态”。发酵间内料液面的下降和水压间内料液面的上升使得两液面产生了高度差，高位料液具有的势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。由于料液比重接近于1，因此一般将两料液面的高差值视为池内沼气压强值。在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼气压强，数值等于：21HHH式中：ΔH——沼气池最大液面差；H1——发酵间液面最大下降值；H2——水压间液面最大上升值。以上就是“气压水”的全过程。当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发酵间内液面渐渐上升。此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高差的减少而变得越来越小。当发酵间料液液面与水压间料液液面相平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零而不再输出，“水压气”过程结束。沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范围之内，不可能超出这个范围。水压式沼气池8图2水压式沼气池初始工作状态图3水压式沼气池极限工作状态七、沼气池的设计依据及原则分析上述工作原理，可以得到以下三点设计水压式沼气池的主要依据：1.设计依据（1）沼气池装料（包括料液）的最高位置只能在沼气池处于初始工作状态时的液面高度，此时的液面为O-O液位。在O-O液位时，发酵间上部仍有部分气箱可以贮存沼气，但是这部分沼气由于无法被压出，因此无法被利用，所以称为H1H2ΔH水压式沼气池9“死气”。“死气”所占据的空间称作“无效气箱”或“死气箱”。（2）水压间内的料液液面在O-O位置，即初始工作状态时，其液面处于最低位置，不可能再继续下降。因此，在水压间中如果存在低于O-O位置的料液的话，这部分料液没有势能，不具有压出气箱内沼气的作用，是“死液”。“死液”所占据的那部分水压间被称为“无效水压间”。无效气箱和无效水压间对沼气池运行不起任何作用，因此应当尽量控制其容积。在满足功能要求的情况下，无效气箱和无效水压间容积越小，沼气池的利用效率就越高，造价也越低。水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。由于料液比重接近于1，因此一般将两料液面的高差值视为池内沼气压强值。在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼气压强，数值等于：21HHH式中：ΔH——沼气池最大液面差；H1——发酵间液面最大下降值；H2——水压间液面最大上升值。以上就是“气压水”的全过程。当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力水压式沼气池10下逐渐输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发酵间内液面渐渐上升。此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高差的减少而变得越来越小。当发酵间料液液面与水压间料液液面相平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零而不再输出，“水压气”过程结束。沼气池的运行过程就是不断产气和不断用气的循环过程，在运行过程中，水压式沼气池总是处在初始工作状态和极限工作状态的范围之内，不可能超出这个范围。（3）低液面，而水压间液面是最高液面，此时沼气池内的压强达到最高值。在设计中，称此时的压强为最高设计压强。沼气池在运行时其池内压强不应超过此值，否则将因超负荷而破坏沼气池。为防止沼气池超负荷运行，一般设计中采取的措施是：将进、出料管（或其中一管）上沿安装在A-A液位面与池身的交线上，这样，当贮气量超过最大贮气量，即液面低于A-A位置时，多余的沼气自行从进、出料管逸出，保持池内压强不大于最高设计压强；同时，将水压间的溢料口下沿设计在B-B位置上，这样即使水压间液面有超过B-B位置的可能时，超出的部分料液也会从溢料口中溢出，使两液面差始终保持在最大液差之内。2.设计原则：（1）沼气池宜建在畜圈或厕所地表以下，进料间与人、畜水压式沼气池11粪入口相连通。（2）坚持适用、卫生、平面布局合理，外型美观。（3）池盖顶端复土厚度不小于200mm。（4）强度安全系数K≥2.65。（5）正常使用寿命20年以上。八、发酵料液的计算1.发酵料液体积的计算V1=[(n1+n2)k2+n3]T式中：V1—发酵料液体积，m3；n1—产人粪便总量。按常住人口×0.0013~0.006m³/(人·d)取值，本计取0.005；n2—产牲畜粪便总量。按养猪头数×0.006~0.015m³/(头·d)取值，本设计取0.004;n3—每日舍外能定量收集粪便总量，m³/d。本设计取0.1;k2—收集系数，取值0.5~1.0；本设计取0.8;T—原料滞留期（d）；取丘陵期的40。V1=[(5×0.005+4×0.004)×0.8+0.1]×40=5.312m³2.气室容积的计算V2=1/2·V1·k3式中：水压式沼气池12V1—发酵料液体积，m3；V2—气室容积，m3；k3—原料产气率，本次试验为0.25，为常温下产率。V2=1／2×5.312×0.25=0.664m3九、发酵间的设计1.发酵间的容积V=（V1+V2）·k1式中V—发酵间的容积，m³;V1—发酵料液体积，m³；V2—气室容积，m³；K1—容积保护系数，取0.9~1.05。本次设计取K1=0.98；V=（5.312+0.664）×0.98=5.86m³发酵间容积取6.0m³。2.发酵间各部分尺寸确定（1）沼气池的直径取2.3m。（2）发酵间池盖削球体矢高和净容积。①池盖削球体矢高f1=D/a1式中f1——池盖削球体矢高，m；D—圆柱体形池身直径，m；a1—直径与池体矢高的比值，取5水压式沼气池13f1=2.3/5=0.46(m)②池盖削球体净容积Q1=6f1(3R2+f12)式中Q1—池盖削球体净容积，m3；π—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。则Q1=3.1416/6×0.46×(3×1.152+0.462)=1.01（m3）（3）发酵间池底球体矢高和净容积。①池底削球体矢高f2=D/α2式中f2--池底削球体矢高,m;D—池身圆柱体直径，m；α2—直径与池底矢高的比值，取值8那么f2=2.3/8=0.0.2875m②池底削球体净容积Q3=6f2(3R2+f22)式中f2--池底削球体矢高,m;Q3—发酵间池底削球体净容积，m3；π—圆周率，取值3.1416。则Q3=3.1416/6×0.2875×(3×1