水壓式沼氣池設計85米3混凝土結(jié)構(gòu)_第1頁
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文檔簡介

1、1 緒論1.1 沼氣沼氣是有機物在厭氧條件下經(jīng)微生物的發(fā)酵作用生成的一種以甲烷為主體的可燃性混合氣體, 它是由生物質(zhì)和有機質(zhì)如秸稈、畜禽糞便等發(fā)酵產(chǎn)生的, 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、氮氣等。不同條件下產(chǎn)生的沼氣,成分有一定差異。1.2 沼氣發(fā)酵原理厭氧發(fā)酵也稱沼氣發(fā)酵或甲烷發(fā)酵, 是指有機物在厭氧細菌作用下轉(zhuǎn)化為甲烷(或稱沼氣)的過程。有機物厭氧消化的生物化學反應過程是非常復雜的,中間反應及中間產(chǎn)物有幾百種, 每種反應都是在酶或其他物質(zhì)的催化下進行的, 總反應式為:有機物 H2O營

2、養(yǎng)物細胞物質(zhì) CH4 CO2 NH3 H2 H2S 抗性物質(zhì)熱量通常把參與沼氣發(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)三階段理論,甲烷發(fā)酵原理可由下圖表示。1.3 沼氣發(fā)酵優(yōu)點沼氣發(fā)酵有很多優(yōu)點。 沼

3、氣發(fā)酵可產(chǎn)生甲烷, 它是清潔方便的燃料; 發(fā)酵過程中 N、P、K 等肥料成分幾乎得到全部保留,一部分有機氮被水解成氨態(tài)氮,速效性養(yǎng)分增加; 發(fā)酵殘渣可以作為飼料肥料; 沼氣發(fā)酵處理有機物課大量地節(jié)省曝氣消化所消耗的能量等等。1.4 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。 但秸稈發(fā)酵速度較慢,

4、需要較長時間才能達到預期的沼氣產(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。1.5 水壓式沼氣池水壓式沼氣池,是我國推廣最早、數(shù)量最多的池型, “三結(jié)合”即廁所、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。固定拱蓋水壓式沼氣池有圓筒形、 球形和橢球形三種池型。 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, 沼氣壓力相應提高。 這個不斷增高的氣壓,迫使沼氣池內(nèi)的一部分料液進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,水壓間的液面跟沼氣池體內(nèi)的液面就產(chǎn)生了一個水位差,這個水位差叫做“水壓”

5、 。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液又返回池體內(nèi), 使得水位差不斷下降, 導致沼氣壓力也隨著相應降低。這種利用部分料液來回竄動。 引起水壓反復變化來貯存和排放沼氣的池型,就是水壓式沼氣池。其主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導氣管幾個部分。水壓式沼氣池結(jié)構(gòu)簡圖如下: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 68m3沼氣池造價 6001000 元。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。1.6 工藝流程沼氣發(fā)酵工藝類型較多,我國農(nóng)村普遍采用

6、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,基本流程圖如下。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。2 圓筒形水壓沼氣池的結(jié)構(gòu)設計和計算2.1 設計參數(shù)(1)氣壓: 74

7、80Pa(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)氣率包括和 0.3 幾種。1 晝夜的產(chǎn)氣量,0.15 、0.2 、0.2(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。(6)某農(nóng)戶家共 6 人,畜生(豬) 5 頭。(此處根

8、據(jù)我國農(nóng)村一般情況自定數(shù)值)。2.2 設計原始數(shù)據(jù)發(fā)酵間容積(池積)為8.5 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: 0.2 米3沼氣 / 米3池容·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P=0.08公斤 / 厘米 2)。2.3 工藝流程設計此處采用自然連續(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:2.4 發(fā)酵料液的計算2.4.1 發(fā)酵料液體積的計算V1n1n2 k2n3 T60.00970.040.70307.014 m3式中: V1發(fā)酵料液體積, m3 ;n1產(chǎn)人糞便總量。按常住人口&#

9、215;0.006 0.013m3/ (人· d)取值;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 氣室容積的計算氣室容積V21 V1k317.014 0.2 0.701 m 322式中: V1發(fā)酵料液體積, m3;V2氣室容積, m3;K3原料產(chǎn)氣率,我國通常采用的產(chǎn)氣率包括0.15m3/ (m3· d)、0.2m3/ ( m3· d)、0.2m

10、3/ (m3· d)、0.3m3/ ( m3· d)、0.35m3/ ( m3· d)。本設計取 0.35m3/ (m3· d)2.5 發(fā)酵間的設計2.5.1 發(fā)酵間的容積VV1V2 k17.0140.7140.955.96 m3式中: V發(fā)酵間容積, m3;V1發(fā)酵料液體積, m3;V2氣室容積, m3;k1容積保護系數(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,考慮充分利用土地資源、 平面3布局緊湊的原則, D=1.3048× 5.96=3.19m,確定沼氣池的直徑為2.34m。(2)發(fā)

11、酵間池蓋削球體矢高和凈容積。池蓋削球體矢高:f1 D3.190.638 m15式中: f 1 池蓋削球體矢高, m;D 圓柱體形池身直徑, m; 1直徑與池頂矢高的比值,取5 6。池蓋削球體凈容積Q16f1 3R2f123.140.63831.1720.638261.507 m33式中: Q1池蓋削球體凈容積,m;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池底削球體矢高f2D3.19m0.4028式中: f 2池蓋削球體矢高, m;D 池身圓柱體直徑, m; 2直徑與池底矢高的比值,取8 10。池底削球體凈容積22Q3f2 3Rf 23.140.4

12、03 1.1720.40260.893 m33式中: Q3發(fā)酵間池底削球體凈容積,m;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發(fā)酵間池身圓柱體凈容積Q2VQ1Q35.81.5070.8933.40 m33式中: Q2發(fā)酵間池身圓柱體凈容積,m;3V 發(fā)酵間總?cè)莘e, m;3Q1池蓋削球體凈容積,m;3Q3發(fā)酵間池底削球體凈容積,m。發(fā)酵間池身圓柱體高度Q23.400.79mH3.14 1.172R2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)總表面積池蓋削球體球面內(nèi)表面積S1R2f123.141.17 20.63825.58 m22式中

13、: S1池蓋削球面內(nèi)表面積,m;R 池身圓柱體半徑, m;f1池蓋削球面矢高,m。圓柱體池身內(nèi)表面積S22 RH23.141.170.795.80 m22式中: S2池身圓柱體內(nèi)表面積,m;R 池身圓柱體內(nèi)半徑, m;H 池身圓柱體高度, m。池底削球體內(nèi)表面積SR2f23.14 1.1720.4024.80 m2322式中: S3池底削球體內(nèi)表面積,m;R 池身圓柱體內(nèi)半徑, m。f2池底削球體矢高,m;發(fā)酵間總表面積SS1S2S35.585.804.8016.18 m22.5.3 發(fā)酵間各部分位置標注Q1f1Q2VHf2Q3DR2.6 進料口(管)的設計進料口(管)由上部長方形槽和下部圓管

14、組成,其中上部長方形槽幾何尺寸是長×寬×深 =600mm×320mm× 500mm;下部圓管采用 260mm現(xiàn)澆混凝土管,管與池墻角為 40?。h 1h2fsh32.6.1 死氣箱拱的矢高f 死h1h2h30.120.040.250.41 m式中: h1池蓋拱頂點到活動蓋下緣平面的距離,該值一般在1015cm之間;h2導氣管下露出長度,取35cm;h3導氣管下口到液面距離,一般取2030cm。2.6.2 死氣箱容積V死f 死21f 死33.140.4121.66750.4130.95 m3式中: V 死 ,f 死, 1分別為死氣箱容積、死氣箱矢高、池蓋曲

15、率半徑。2.6.3 投料率根據(jù)死氣箱容積,可計算出沼氣池投料率。VV死8.50.95V8.5100%88.9%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V貯池容池容產(chǎn)氣率18.5 0.2511.063 m3222.6.5 氣箱總?cè)莘eV氣V死V貯0.951.0632.013 m3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)酵間最低液面為(1)氣箱在圓筒形池身部分的容積V筒V氣Q12.013 1.5070.506 m3(2)圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的高度V筒0.5060.118 mh筒23.

16、14 1.172R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。2.7 水壓間的設計2.7.1 水壓間零壓線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。2.7.2 發(fā)酵間最大料液水位降產(chǎn)生最大貯氣量時的液面距池頂?shù)母叨葹閒1+h 筒 =0.638+0.118=0.756m,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0.756-0.4=0.356m。2.7.3 水壓間高度由于設計壓強為 7480Pa(即 80cm 水柱) ,因此水壓間的高度H 水壓間0.80.3

17、560.444 m2.7.4 水壓間圓柱體底面積V貯1.0632.39 m2S水壓間H 水壓間0.4442.7.5 水壓間底面半徑S水壓間2.39r0.761 m3.142.8 導氣管的安裝當砌筑池拱蓋要封口時, 在拱頂正中央安放直徑為910mm的銅導氣管,插入深度池內(nèi),密封層完工后露出 10mm為宜,拱頂中央用四條直徑 6.5mm,500700mm長鐵筋擺放成 #字型,抹灰要加固加厚,以防沼氣池運行時壓力過大漲壞氣箱。在導氣管周圍,砌一個深200300mm,邊長 180200mm的方形圍護墻,在輸氣管引出方向預留出缺口。地面以下可砌暗溝或放一個內(nèi)徑為2050mm鐵管或塑料護管,以便引出輸氣管

18、。導氣管上面蓋上活動蓋板,防止輸氣管損壞?;顒由w板規(guī)格240mm×240mm,厚度為 50 60mm,可用 2 塊紅磚代替,具體如圖所示。3 圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設計3.1 材料參考用量根據(jù) GB/T4752-2002 中 4m310m3 現(xiàn)澆混凝土圓筒形沼氣池材料參考用量表,如下:容積混凝土m3體積 m3水泥 kg中沙 m3碎石 m341.2573500.6220.95961.6354550.8091.25082.0175610.9971.540102.2396231.1071.710容積池體抹灰水泥素漿m3體積 m3水泥 kg中沙 m3水泥 kg40.2771130.29

19、660.3471420.324780.4001630.3749100.5082080.47511容積合計材料用量m3水泥 kg中沙 m3碎石 m344690.8810.95966041.1331.25087331.3711.540108421.5821.710本設計為池容8.5m3,產(chǎn)氣率為 0.2m3/ (m3·d)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)圓筒形水壓式沼氣池,參照標準,取材料用量為水泥604,中砂 1.133m3,碎石 1.250m3。一般情況建一個 6m 3 的沼氣池需要紅磚540 塊,若建 6m3 沼氣池,則水泥、磚、砂比 8m3 沼氣池用量要減少10%。考慮到進出料間用料則本設計需紅

20、磚540塊,由于進出料管為現(xiàn)澆混凝土管,所以水泥、中沙、碎石的用量分別增加為610kg,1.2m3,1.3m3,鋼筋 2.0m。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。3.3 成本核算查得 325 號水泥價格為 320 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

21、28 元,則所需材料費用為S0.613201.2601.3400.43540228607.4 元考慮到工人工資,材料運費及損耗等,應乘以一個2.2 的系數(shù),得到總費用S607.42.21336.28 元4 沼氣發(fā)酵及管理的具體工藝4.1 發(fā)酵原料預處理1、 人畜糞便原料不必進行預處理,農(nóng)作物秸稈必須鍘短到5 厘米或粉碎。2、 在接種物用量小于20%,鮮糞用量與風干秸稈的重量比小于1:1 時,啟動時所用的秸稈原料應進行堆漚處理。方法有:(1) 池外堆漚:將原料加水拌勻。 加水量以料堆下部不出水為宜, 料堆上加蓋塑料膜。氣溫在 15左右時堆漚 4-5 天,氣溫在 20以上進堆漚 2-3 天。(2)

22、 池內(nèi)堆漚:將原料及接種物拌勻后, 投入沼氣池內(nèi)進行堆漚, 堆漚時間參照池外堆漚。4.2 接種物(1) 沼氣發(fā)酵啟動時所用的含有大量沼氣發(fā)酵微生物的各種厭氧活性污泥稱接種物。在沼氣發(fā)酵啟動時,料液中要添加 10%-30%的接種物。(2) 老沼氣池中的懸浮污泥、 各種有機廢水沉污泥、 河流湖泊底層的沉渣、 坑塘污泥和積水糞坑的糞肥等, 都可用來作接種物。 所用接種物的揮發(fā)性固體含量不低于 3%。4.3 沼氣發(fā)酵的啟動(1) 投料:將預處理的原料和準備好的接種物混合在一起投入池內(nèi)。 啟動時的料液干物質(zhì)含水量控制在 6%-12%。(2) 加水封池:原料和接種物入池后, 要及時加水封池。 以料液量約占沼氣池總?cè)萘糠e的 85%-90%為宜。然后將蓋密封。(3) 放氣試火:沼氣發(fā)酵啟動初期,通常不能點燃。因此,當水壓表壓力達到20 厘米水柱以上時,應進行放氣試火。所產(chǎn)沼氣可正常燃燒

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