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1、word
中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院
課程設(shè)計任務(wù)書
2015~2016學(xué)年第 二 學(xué)期
學(xué) 院: 化工與環(huán)境學(xué)院
專 業(yè): 環(huán)境工程
學(xué) 生 姓 名:宋思奇學(xué) 號:1304014145
課程設(shè)計題目:水壓式沼氣池設(shè)計——3混凝土結(jié)構(gòu)
(池容產(chǎn)率0.6米3/米3?天)
起 迄 日 期:4 月 29 日~ 6 月10 日
課程設(shè)計地點:中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:穎
系 主 任:建忠
下達任務(wù)書日期: 2016 年 4 月 29 日
2、
18 / 21
水壓式沼氣池設(shè)計——3混凝土結(jié)構(gòu)(池容產(chǎn)氣率0.6米3/米3?天)
摘要
水壓式沼氣池是我國推廣最早、數(shù)量最多的池形,是在總結(jié)“三結(jié)合”、“圓、小、淺”、“活動蓋”、“直管進料”、“中層出料”等群眾建池的基礎(chǔ)上,加以綜合提高而形成的?!叭Y(jié)合”就是廁所、豬圈和沼氣池連成一體,人畜糞便可以直接打掃到沼氣池里進行發(fā)酵?!皥A、小、淺”就是池體圓、體積小、埋深淺?!盎顒由w”就是沼氣池頂加活動蓋板。這種池型的池體上部氣室完全封閉,隨著沼氣的不斷產(chǎn)生,沼氣池壓力相應(yīng)提高。這個不斷增高的氣壓,迫使沼氣池的一部分料液進到與池體相通的水壓間,使得水壓間的液面升高。這樣一來,水壓
3、間的液面跟沼氣池體的液面就產(chǎn)生了一個水位差。用氣時,沼氣開關(guān)打開,沼氣在水壓下排出,當沼氣減少時,水壓間的料也又返回池體,使得水位差不斷下降,導(dǎo)致沼氣壓力也隨之相應(yīng)降低。
關(guān)鍵詞:水壓式沼氣池,設(shè)計,沼氣
目錄
1
1
1
2
2
3
4
4
4
4
5
5
6
2.6進料口(管)的設(shè)計 9
10
10
10
12
12
13
14
沼氣是由生物質(zhì)和有機質(zhì)如秸稈、畜禽糞便等經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一種可燃性混合氣體,其主要成分是甲烷(CH4),大約占60%;其次是二氧化碳(CO2),大約占35%;此外還有少量其他氣體,有
4、水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氮氣等。不同條件下產(chǎn)生的沼氣,成分有一定差異?!?】
沼氣發(fā)酵,又稱甲烷發(fā)酵,是由多種微生物在絕氧條件下分解有機物實現(xiàn)的。通常把參與沼氣發(fā)酵的微生物分為三類。第一類叫發(fā)酵細菌,包括各種有機物分解菌,它們通過分泌的胞外酶,將復(fù)雜的有機物分解為較簡單的物質(zhì),例如多糖轉(zhuǎn)化為單糖,蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為甘油和氨基酸,脂肪轉(zhuǎn)化為甘油和脂肪酸;第二類叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,它們的主要作用是將前一類細菌分解的產(chǎn)物進一步分解成乙酸和二氧化碳;第三類細菌叫產(chǎn)甲烷菌,其作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳產(chǎn)生甲烷。在沼氣發(fā)酵過程中,這三類微生物既相互協(xié)調(diào),又相互制約,共同完成產(chǎn)沼氣過程?!?】
根據(jù)三階
5、段理論,甲烷發(fā)酵原理可由下圖表示
碳水化合物 糖類 多糖 單糖 揮發(fā)酚、CO2
有機物 蛋白質(zhì) 氨基酸 丙酮酸、乙酸
脂肪 脂肪酸、甘油 有機酸、醇類
液化 產(chǎn)氫產(chǎn)醋酸
CO2、H2
CH4、N2
CO等
產(chǎn)甲烷
圖1—1
6、
農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料盡管很多,但從沼氣利用的角度考慮,主要為秸稈類和糞便類。糞便類分解速度相對較快,入池和出料都很方便,單獨使用產(chǎn)氣效果也很好,因而許多地方只采用糞便入池發(fā)酵。但隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,農(nóng)村種植和養(yǎng)殖模式發(fā)生了顯著的變化,家庭養(yǎng)豬數(shù)量不斷減少,沼氣發(fā)酵的糞便量嚴重不足,秸稈作為發(fā)酵主要原材料成為必然。秸稈隨農(nóng)事活動批量獲得,能長時間存放不影響產(chǎn)氣。但秸稈發(fā)酵速度較慢,需要較長時間才能達到預(yù)期的沼氣產(chǎn)量,且出渣較為困難。為此,入池前需要進行切短、堆漚等預(yù)處理,或和糞便一起發(fā)酵,并采用批量入池,批量出渣的方法?!?】
沼氣發(fā)酵工藝類型較多,我國農(nóng)村普遍采用的是下述兩種工藝。
7、(1) 自然溫度半批量投料發(fā)酵工藝
這種工藝的發(fā)酵溫度隨自然溫度變化而變化,采用半批量方式投料。
這種工藝的發(fā)酵期因季節(jié)和農(nóng)用情況而定,一般為5個月左右,運行中要求定期補充新鮮原料,以免造成產(chǎn)氣量下降,該工藝的主要缺點是出料操作勞動量大。
(2) 自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝
這種工藝是在自然溫度下,定時定量投料和出料,能維持比較穩(wěn)定的發(fā)酵條件,使沼氣微生物(菌群積累)區(qū)系穩(wěn)定,保持逐步完善的原料消化速度,提高原料利用率和沼氣池負荷能力,達到較高的產(chǎn)氣率;工藝自身能耗少,簡單方便,容易操作?!?】
在我國農(nóng)村,沼氣發(fā)酵不僅作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié),處理各類廢棄物來制成
8、農(nóng)家肥,而且獲得生物質(zhì)能用來照明或作為燃料?!?】
厭氧發(fā)酵一般在沼氣發(fā)酵池中進行。沼氣池種類很多,我國農(nóng)村最常用的有:家用水壓式沼氣池,曲流布料沼氣池和圓柱形自循環(huán)沼氣池等?!?】其中,水壓式沼氣池是農(nóng)村推廣的主要池型。水壓式沼氣池是一種埋設(shè)在地下的立式圓筒形發(fā)酵池,池蓋和池底是具有一定曲率半徑的殼體,主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導(dǎo)氣管幾個部分?!?】
水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)簡圖如下
1 4 5 3
9、 2
圖1—2
1—加料管;2—發(fā)酵間;3—水壓間;4—導(dǎo)氣管;5—控制閥
家用水壓式沼氣池的工作原理是:池裝入發(fā)酵原料(約占池體積的80%左右),以料液表面為界限,上部為貯氣間,下部為發(fā)酵間。當沼氣池產(chǎn)生沼氣時,沼氣集中在貯氣間,隨著沼氣的增多,池的壓力不斷增大,此時沼氣壓迫發(fā)酵液進入水壓間。用沼氣時,貯氣間的沼氣被放出,此時,水壓間的料液進入發(fā)酵間,如此“氣壓水、水壓氣”反復(fù)進行,因此稱之為水壓式沼氣池。
水壓式沼氣池構(gòu)造簡單,施工方便,各種建筑材料均可使用,取材容易,價格較低,一般6~8m3沼氣池造價600~1000元。
10、混凝土結(jié)構(gòu)的沼氣池使用壽命可達20年。年產(chǎn)沼氣240m3以上(黃河以北),可供五口之家8個月做飯和全年照明?!?】
(1)氣壓:7480Pa(即80cm水柱)。
(2)池容產(chǎn)氣率:池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池容積1晝夜的產(chǎn)氣量,單位為m3沼氣/(m3池容·d)。我國通常采用的池容產(chǎn)氣率包括0.15、0.2、0.25和0.3幾種。
(3)貯氣量:貯氣量系指氣箱的最大沼氣貯存量。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的最大貯氣量以12h產(chǎn)氣量為宜,其值與有效水壓間的容積相等。
(4)池容:系指發(fā)酵間的容積。農(nóng)村家用水壓式沼氣池的池容積有4m3、6m3、8m3、10m3等幾種。
(5)投料率:系
11、指最大投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比,一般在85%~95%之間為宜。
發(fā)酵間容積(池容)為4.0立方米;
最大投料量小于發(fā)酵間總?cè)莘e的90%;
池容產(chǎn)氣率:0.6米3/米3·天;
建池材料:現(xiàn)澆混凝土;
池正常工作壓力≤8002)。
此處采用自然連續(xù)投料發(fā)酵工藝,以人、禽畜糞便及蔬菜秸稈為發(fā)酵原料,定時定量投料和出料,簡單工藝流程圖如下:
人畜糞便(青草及農(nóng)業(yè)廢物)
進料間
厭氧發(fā)酵間
水壓(出料)間
農(nóng)田
圖2—1
式中:V1——發(fā)酵料液體積,m3;
n1——產(chǎn)人糞便總量。按常住人口×3/(人·d)取值;
12、 n2——產(chǎn)牲畜糞便總量。按養(yǎng)豬頭數(shù)×3/(頭·d)取值;
n3——每日舍外能定量收集糞便總量,m3/d;
k2——收集系數(shù),取0.5~1.0;
T——原料滯留期(d);蔬菜區(qū)T取30,平壩農(nóng)業(yè)區(qū)取35,丘陵農(nóng)
區(qū)取40。
氣室容積
式中:V1——發(fā)酵料液體積,m3;
V2——氣室容積,m3;
k3——3/(m3·d)、
3/(m3·3/(m3·3/(m3·d)。
式中:V——發(fā)酵間容積,m3;
V1——發(fā)酵料液體積,m3;
V2——氣室容積,m
13、3;
k1——容積保護系數(shù),取0.9~1.05。
(1)沼氣池的直徑根據(jù)用戶平面布置確定??紤]充分利用土地資源、平面布局緊湊的原則,確定沼氣池的直徑為2.2m。
(2)發(fā)酵間池蓋削球體矢高和凈容積
①池蓋削球體矢高
式中:f1——池蓋削球體矢高,m;
D——圓柱體形池身直徑,m;
α1——直徑與池頂矢高的比值,取5~6。
②池蓋削球體凈容積
式中:Q1——池蓋削球體凈容積,m3;
f1——池蓋削球體矢高,m;
R——池身圓柱體半徑,m。
(3)發(fā)酵間池底削球體矢高和凈容積
①池底削球體矢高
14、 式中:f2——池蓋削球體矢高,m;
D——池身圓柱體直徑,m;
α2——直徑與池底矢高的比值,取8~10。
②池底削球體凈容積
式中:Q3——發(fā)酵間池底削球體凈容積,m3;
f2——池底削球體矢高,m;
(4)發(fā)酵間池身圓柱體容積和池墻高度
①發(fā)酵間池身圓柱體凈容積
式中:Q2——發(fā)酵間池身圓柱體凈容積,m3;
V——發(fā)酵間總?cè)莘e,m3;
Q1——池蓋削球體凈容積,m3;
Q3——發(fā)酵間池底削球體凈容積,m3。
②發(fā)酵間池身圓柱體高度
式中:R——發(fā)酵間池身圓柱體半徑,m;
15、 H——發(fā)酵間池身圓柱體高度,m。
(5)發(fā)酵間總表面積
①池蓋削球體球面表面積
式中:S1——池蓋削球面表面積,m2;
R——池身圓柱體半徑,m;
f1——池蓋削球面矢高,m。
②圓柱體池身表面積
式中:S2——池身圓柱體表面積,m2;
R——池身圓柱體半徑,m;
H——池身圓柱體高度,m。
③池底削球體表面積
式中:S3——池底削球體表面積,m2;
R——池身圓柱體半徑,m。
f2——池底削球體矢高,m;
④發(fā)酵間總表面積
16、 Q1
f1
Q2 V H
f2
Q3 D
R
圖2—2
2.6進料口(管)的設(shè)計
進料口(管)由上部長方形槽和下部圓管組成,其中上部長方形槽幾何尺寸是長×寬×深=600mm×320mm×5
17、00mm;下部圓管采用φ260mm現(xiàn)澆混凝土管,管與池墻角為40?。
水壓式沼氣池進料管安裝位置一般都確定在發(fā)酵間的最低設(shè)計液面高度處。該位置計算如下:
式中:h1——池蓋拱頂點到活動蓋下緣平面的距離,該值一般在10~15cm
之間;
h2——導(dǎo)氣管下露出長度,取3~5cm;
h3——導(dǎo)氣管下口到液面距離,一般取20~30cm。
式中:V死,f死,ρ1——分別為死氣箱容積、死氣箱矢高、池蓋曲率半徑。
根據(jù)死氣箱容積,可計算出沼氣池投料率。
式中:V,V死——分別為發(fā)酵間容積和死氣箱容積,m3。
式
18、中:V氣,V死,V貯——分別為沼氣池的氣箱總?cè)莘e、死氣箱總?cè)莘e和有
效氣箱容積(最大貯氣量)。
(1) 氣箱在圓筒形池身部分的容積
(2)圓筒形池身氣箱部分的高度
最低液面位于池蓋與池身交接平面以下h筒的位置上,這個位置也就是進料管的安裝位置。
無效水壓間的容積取為0。未產(chǎn)生沼氣時液面位置在池蓋拱頂下0.4m處,因此水壓間底面標高確定在池蓋拱頂下0.4m處的水平線上。
產(chǎn)生最大貯氣量時的液面距池頂?shù)母叨葹閒1+h筒=0.44+0.116=0.556m,又未產(chǎn)氣時液面距池頂0.4m,所以,發(fā)酵間最大料液水位降為0.556-0.4=0.15
19、6m。
由于設(shè)計壓強為7480Pa(即80cm水柱),因此水壓間的高度
根據(jù)GB/T4752-2002中4m3~10m3現(xiàn)澆混凝土圓筒形沼氣池材料參考用量表,如下:
容積
m3
混凝土
體積m3
水泥kg
中沙m3
碎石m3
4
350
6
455
8
561
10
623
容積
m3
池體抹灰
水泥素漿
體積m3
水泥kg
中沙m3
水泥kg
4
113
6
6
142
7
8
163
9
10
208
11
20、
容積
m3
合計材料用量
水泥kg
中沙m3
碎石m3
4
469
6
604
8
733
10
842
表3—1
本設(shè)計為池容6m33/(m3·33。
一般情況建一個的沼氣池需要紅磚600塊,若建6m3沼氣池,則水泥、磚、砂比8m3沼氣池用量要減少10%??紤]到進出料間用料則本設(shè)計需紅磚33,鋼筋1.8m。
(1)考察地形,選定施工位置。
(2)制定施工方案,繪制結(jié)構(gòu)和施工圖。
(3)施工準備。
(4)池坑開挖。
(5)支模。
(6)模板及支架檢驗。
(7)澆筑混凝土。
(8)混凝土養(yǎng)護。
(9)池底施
21、工。
(10)進出料管施工。
(11)拆模。
(12)回填土。
(13)密封層施工。
(14)質(zhì)量總體檢查驗收。
查得325號水泥價格為390元/噸,中沙60元/立方米,碎石40元/立方米,紅磚0.43元/塊,鋼筋(直徑14mm)每米28元,則所需材料費用為
考慮到工人工資,材料運費及損耗等,應(yīng)乘以一個2.2的系數(shù),得到總費用
[1] 國清主編.固體廢物處理工程(第二版).[M]:科學(xué),2007:
372
[2] 寧平等編.固體廢物處理與處置實踐教程.[M]:化學(xué)工業(yè),2005:122~123
22、[3] 穎主編.農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用.[M]:化學(xué)工業(yè),2005:173
[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布.GB/T4752-2002 農(nóng)村家用水壓式沼氣池施工操作規(guī)程.:中國標準,2002
[5] 羋振明等編.固體廢物處理與處置.[M]:高等教育,1993
通過本次課程設(shè)計,我對水壓式沼氣池的設(shè)計計算和施工建造有了深刻的認識和了解,這也提高了我分析和解決問題的能力,并使我進一步接觸到工程實際。與此同時,我在設(shè)計中加強了自己的word、autoCAD等多種繪圖工具的應(yīng)用能力,獲益匪淺。
最后還要感老師和同學(xué)們的幫助,我會繼續(xù)努力。