水壓式沼氣池設(shè)計(jì)--固廢課設(shè)

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1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 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(hào)：1304014145 課程設(shè)計(jì)題目：水壓式沼氣池設(shè)計(jì)——4.0米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(jì)地點(diǎn)：中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師：李穎 系 主 任：張建忠 下達(dá)任務(wù)書(shū)日期:2016 年 4 月 29 日 水壓式沼氣池設(shè)計(jì)——4.0米3

2、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(guó)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(dòng)蓋”、“直管進(jìn)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(jìn)行發(fā)酵?！皥A、小、淺”就是池體圓、體積小、埋深淺。“活動(dòng)蓋”就是沼氣池頂加活動(dòng)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，沼氣池內(nèi)壓力相應(yīng)提高。這個(gè)不斷增高的氣壓，迫使沼氣池內(nèi)的一部分料液進(jìn)到與池體相通的水壓間內(nèi)，使得水壓間內(nèi)的液面升高。這樣一來(lái)，水壓間的液面跟沼氣池體內(nèi)的液面就產(chǎn)生了一個(gè)水

3、位差。用氣時(shí)，沼氣開(kāi)關(guān)打開(kāi)，沼氣在水壓下排出，當(dāng)沼氣減少時(shí)，水壓間的料也又返回池體內(nèi)，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(jì)，沼氣 目錄 1.緒論 1 1.1沼氣介紹 1 1.2沼氣發(fā)酵的原理 1 1.3沼氣發(fā)酵原料選擇 2 1.4工藝流程 2 1.5水壓式沼氣池結(jié)構(gòu) 3 1.6水壓式沼氣池工作原理及優(yōu)點(diǎn) 4 2.圓筒形水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 4 2.1設(shè)計(jì)參數(shù) 4 2.2設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù) 4 2.3工藝流程設(shè)計(jì) 5 2.4發(fā)酵料液的計(jì)算 5 2.5發(fā)酵間的設(shè)計(jì) 6 2.6進(jìn)料口（管）的設(shè)計(jì) 9 2.7水壓間的設(shè)計(jì) 10

4、 3.圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設(shè)計(jì) 10 3.1材料參考用量 10 3.2沼氣池施工 12 3.3成本核算 12 4.參考文獻(xiàn) 13 5.結(jié)束語(yǔ) 14 1.緒論 1.1沼氣介紹 沼氣是由生物質(zhì)和有機(jī)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，有水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氮?dú)獾取２煌瑮l件下產(chǎn)生的沼氣，成分有一定差異?！?】 1.2沼氣發(fā)酵的原理 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(jī)物實(shí)現(xiàn)的。通常把參與沼氣發(fā)酵的微生物分為三類(lèi)。第

5、一類(lèi)叫發(fā)酵細(xì)菌，包括各種有機(jī)物分解菌，它們通過(guò)分泌的胞外酶，將復(fù)雜的有機(jī)物分解為較簡(jiǎn)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(lèi)叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，它們的主要作用是將前一類(lèi)細(xì)菌分解的產(chǎn)物進(jìn)一步分解成乙酸和二氧化碳；第三類(lèi)細(xì)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(guò)程中，這三類(lèi)微生物既相互協(xié)調(diào)，又相互制約，共同完成產(chǎn)沼氣過(guò)程?！?】 根據(jù)三階段理論，甲烷發(fā)酵原理可由下圖表示 碳水化合物 糖類(lèi) 多糖 單糖 揮發(fā)酚、CO2 有機(jī)物 蛋白質(zhì) 氨基酸

6、 丙酮酸、乙酸 脂肪 脂肪酸、甘油 有機(jī)酸、醇類(lèi) 液化 產(chǎn)氫產(chǎn)醋酸 CO2、H2 CH4、N2 CO等 產(chǎn)甲烷 圖1—1 1.3沼氣發(fā)酵原料選擇 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(lèi)和糞便類(lèi)。糞便類(lèi)分解速度相對(duì)較快，入池和出料都很方便，單獨(dú)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

7、，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(yán)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(dòng)批量獲得，能長(zhǎng)時(shí)間存放不影響產(chǎn)氣。但秸稈發(fā)酵速度較慢，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)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(jìn)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?！?】 1.4工藝流程 沼氣發(fā)酵工藝類(lèi)型較多，我國(guó)農(nóng)村普遍采用的是下述兩種工藝。 （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(gè)月左右，運(yùn)行中要求定期補(bǔ)充新鮮原料

8、，以免造成產(chǎn)氣量下降，該工藝的主要缺點(diǎn)是出料操作勞動(dòng)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(shí)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(fù)荷能力，達(dá)到較高的產(chǎn)氣率；工藝自身能耗少，簡(jiǎn)單方便，容易操作?！?】 1.5水壓式沼氣池結(jié)構(gòu) 在我國(guó)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(gè)重要環(huán)節(jié)，處理各類(lèi)廢棄物來(lái)制成農(nóng)家肥，而且獲得生物質(zhì)能用來(lái)照明或作為燃料。【2】 厭氧發(fā)酵一般在沼氣發(fā)酵池中進(jìn)行。沼氣池種類(lèi)很多，我國(guó)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

9、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(gè)部分。【2】 水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下 1 4 5 3 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 1.6水壓式沼氣池工作原理及優(yōu)點(diǎn) 家用水壓式沼氣池的工作原理是：池內(nèi)裝入發(fā)酵原料（

10、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(dāng)沼氣池內(nèi)產(chǎn)生沼氣時(shí)，沼氣集中在貯氣間內(nèi)，隨著沼氣的增多，池內(nèi)的壓力不斷增大，此時(shí)沼氣壓迫發(fā)酵液進(jìn)入水壓間。用沼氣時(shí)，貯氣間的沼氣被放出，此時(shí)，水壓間內(nèi)的料液進(jìn)入發(fā)酵間，如此“氣壓水、水壓氣”反復(fù)進(jìn)行，因此稱之為水壓式沼氣池。 水壓式沼氣池構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，各種建筑材料均可使用，取材容易，價(jià)格較低，一般6~8m3沼氣池造價(jià)600~1000元?；炷两Y(jié)構(gòu)的沼氣池使用壽命可達(dá)20年。年產(chǎn)沼氣240m3以上（黃河以北），可供五口之家8個(gè)月做飯和全年照明?！?】 2.圓筒形水壓式沼氣池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 2.1設(shè)計(jì)參數(shù) （

11、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(guó)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：貯氣量系指氣箱內(nèi)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。 2.2設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù) 發(fā)酵間容積（池容）為4.0立方米；

12、 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； 池內(nèi)正常工作壓力≤800毫米水柱(壓強(qiáng)P=0.08公斤/厘米2)。 2.3工藝流程設(shè)計(jì) 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(shí)定量投料和出料，簡(jiǎn)單工藝流程圖如下： 人畜糞便（青草及農(nóng)業(yè)廢物） 進(jìn)料間 厭氧發(fā)酵間 水壓（出料）間 農(nóng)田 圖2—1 2.4發(fā)酵料液的計(jì)算 2.4.1發(fā)酵料液的體積 式中：V1——發(fā)酵料液體積，m3； n1——產(chǎn)人糞便總量。按常住人口×0.006~0.013m3/（人·d）取值；

13、 n2——產(chǎn)牲畜糞便總量。按養(yǎng)豬頭數(shù)×0.006~0.15m3/（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。 2.4.2氣室容積的計(jì)算 氣室容積 式中：V1——發(fā)酵料液體積，m3； V2——?dú)馐胰莘e，m3； k3——原料產(chǎn)氣率，我國(guó)通常采用的產(chǎn)氣率包括0.15m3/（m3·d）、 0.2m3/（m3·d）、0.25m3/（m3·d）、0.3m3/（m3

14、·d）。 2.5發(fā)酵間的設(shè)計(jì) 2.5.1發(fā)酵間的容積 式中：V——發(fā)酵間容積，m3； V1——發(fā)酵料液體積，m3； V2——?dú)馐胰莘e，m3； k1——容積保護(hù)系數(shù)，取0.9~1.05。 2.5.2發(fā)酵間各部分尺寸的確定 （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：Q

15、1——池蓋削球體凈容積，m3； f1——池蓋削球體矢高，m； R——池身圓柱體內(nèi)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 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；

16、 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； H——發(fā)酵間池身圓柱體高度，m。 （5）發(fā)酵間內(nèi)總表面積 ①池蓋削球體球面內(nèi)表面積 式中：S1——池蓋削球面內(nèi)表面積，m2； R——池身圓柱體半徑，m； f1——池蓋削球面矢高，m。 ②圓柱體池身內(nèi)表面積 式中：S2——池身圓柱體內(nèi)表面積，m2； R——池身圓柱體內(nèi)半徑，m； H——池身圓柱體高度，m。 ③池底削球體內(nèi)表面積 式中：S3

17、——池底削球體內(nèi)表面積，m2； R——池身圓柱體內(nèi)半徑，m。 f2——池底削球體矢高，m； ④發(fā)酵間總表面積 2.5.3發(fā)酵間各部分位置標(biāo)注 Q1 f1 Q2 V H f2 Q3 D

18、 R 圖2—2 2.6進(jìn)料口（管）的設(shè)計(jì) 進(jìn)料口（管）由上部長(zhǎng)方形槽和下部圓管組成，其中上部長(zhǎng)方形槽幾何尺寸是長(zhǎng)×寬×深=600mm×320mm×500mm；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(jìn)料管安裝位置一般都確定在發(fā)酵間的最低設(shè)計(jì)液面高度處。該位置計(jì)算如下： 2.6.1死氣箱拱的矢高 式中：h1——池蓋拱頂點(diǎn)到活動(dòng)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(zhǎng)度，取3~5cm； h3——導(dǎo)氣管下口到液面距離，一般取20~30cm。 2.6.2死

19、氣箱容積 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。 2.6.3投料率 根據(jù)死氣箱容積，可計(jì)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。 2.6.4最大貯氣量 2.6.5氣箱總?cè)莘e 式中：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）。 2.6.6發(fā)酵間最低液面位 （1） 氣箱在圓筒形池身部分的容積 （2）圓筒形池身內(nèi)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(gè)位置也就是進(jìn)料管的安裝位置。 2.7水壓間的設(shè)計(jì) 2.7.1水壓間零壓

20、線 無(wú)效水壓間的容積取為0。未產(chǎn)生沼氣時(shí)液面位置在池蓋拱頂下0.4m處，因此水壓間底面標(biāo)高確定在池蓋拱頂下0.4m處的水平線上。 2.7.2發(fā)酵間最大料液水位降 產(chǎn)生最大貯氣量時(shí)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(shí)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=0.156m。 2.7.3水壓間高度 由于設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為7480Pa（即80cm水柱）,因此水壓間的高度 2.7.4水壓間圓柱體底面積 2.7.5水壓間底面半徑 3.圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設(shè)計(jì) 3.1材料參考用量 根據(jù)GB/T4752-2002中

21、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 1.257 350 0.622 0.959 6 1.635 455 0.809 1.250 8 2.017 561 0.997 1.540 10 2.239 623 1.107 1.710 容積 m3 池體抹灰 水泥素漿 體積m3 水泥kg 中沙m3 水泥kg 4 0.277 113 0.259 6 6 0.347 142 0.324 7 8 0.400 163 0.374

22、 9 10 0.508 208 0.475 11 容積 m3 合計(jì)材料用量 水泥kg 中沙m3 碎石m3 4 469 0.881 0.959 6 604 1.133 1.250 8 733 1.371 1.540 10 842 1.582 1.710 表3—1 本設(shè)計(jì)為池容6m3，產(chǎn)氣率為0.15m3/（m3·d）的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)圓筒形水壓式沼氣池，參照標(biāo)準(zhǔn)，取材料用量為水泥604kg，中砂1.133m3，碎石1.250m3。 一般情況建一個(gè)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%。考

23、慮到進(jìn)出料間用料則本設(shè)計(jì)需紅磚600塊，由于進(jìn)出料管為現(xiàn)澆混凝土管，所以水泥、中沙、碎石的用量分別增加為720kg，1.5m3，1.3m3，鋼筋1.8m。 3.2沼氣池施工 （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(zhǔn)備。 （4）池坑開(kāi)挖。 （5）支模。 （6）模板及支架檢驗(yàn)。 （7）澆筑混凝土。 （8）混凝土養(yǎng)護(hù)。 （9）池底施工。 （10）進(jìn)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(yàn)收。 3.3成本核算 查得325號(hào)水泥價(jià)格為390元/噸，中沙60元/立方米，碎石40

24、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(fèi)用為 考慮到工人工資，材料運(yùn)費(fèi)及損耗等，應(yīng)乘以一個(gè)2.2的系數(shù)，得到總費(fèi)用 4.參考文獻(xiàn) [1] 楊國(guó)清主編．固體廢物處理工程（第二版）．[M]北京：科學(xué)出版社，2007： 372 [2] 寧平等編．固體廢物處理與處置實(shí)踐教程．[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：122~123 [3] 張穎主編．農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用．[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：173 [4] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002 [5] 羋振明等編．固體廢物處理與處置．[M]北京：高等教育出版社，1993 5.結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)水壓式沼氣池的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工建造有了深刻的認(rèn)識(shí)和了解，這也提高了我分析和解決問(wèn)題的能力，并使我進(jìn)一步接觸到工程實(shí)際。與此同時(shí)，我在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了自己的word、autoCAD等多種繪圖工具的應(yīng)用能力，獲益匪淺。 最后還要感謝老師和同學(xué)們的幫助，我會(huì)繼續(xù)努力。