【正文】 。 10 吸收塔的計算 13 參考文獻 14 3 1 概 論 設(shè)計任務和內(nèi)容 設(shè)計內(nèi)容 根據(jù)基礎(chǔ) 資料，設(shè)計一個方案，對農(nóng)業(yè)固體廢物畜禽糞便和秸稈進行厭氧發(fā)酵處理，溫度低的時候?qū)υ线M行換熱，使進口溫度滿足中溫厭氧發(fā)酵，出口氣體吸收其中的 硫化氫 ，沼氣經(jīng)凈化之后達到《惡臭污染物控制標準》 （ GB1455493）中 二級 新擴改建 標準 ?？刂茦藴嗜绫?1 所示： 表 1 惡臭污染物廠界標準值 序號 控制項目 單位 一級 二級 三級 新擴改建 現(xiàn)有 新擴改建 現(xiàn)有 1 氨 mg/m3 2 三甲胺 mg/m3 3 硫 化氫 mg/m3 4 甲硫醇 mg/m3 5 甲硫醚 mg/m3 6 二甲二硫 mg/m3 7 二硫化碳 mg/m3 10 8 苯乙烯 mg/m3 14 19 9 臭氣濃度 無量綱 10 20 30 60 70 沼氣中的臭氣主要為 H2S，而 H2S的含量為 %，經(jīng)過吸收塔的吸收后就可以達到排放標準。 水壓式沼氣池設(shè)計任務 （ 1） 設(shè)計題目 水壓式沼氣池設(shè)計 （ 2） 主要設(shè)計任務 ① 水壓式沼氣池尺寸設(shè)計：沼氣池主體容積、高度、直徑、水壓間容積、高度、直徑。 ② 配套設(shè)施：換熱器的傳熱面積、管長、管徑、標準換熱器選型；吸收塔填料層高度、塔徑、總壓力等。 ③ 換熱器和吸收塔采用間歇式操作，一次厭氧發(fā)酵時間為 30 天，比較冷的月份分兩個區(qū)間，從1 月份到 3 月份，從 10 月份到 1 月份是比較冷的時間，所以需要用到換熱器；產(chǎn)生的氣體 要經(jīng)過吸收才能達到《惡臭污染物控制標準》，所以要用到吸收塔。 （ 3） 設(shè)計目的 ① 鞏固已學過的與環(huán)境工程有關(guān)的專業(yè)知識，特別是厭氧發(fā)酵章節(jié)； ② 領(lǐng)會國家關(guān)于環(huán)境保護的方針、政策和法規(guī)，初步樹立正確的環(huán)境保護指導思想； ③ 綜合運用所學知識，通過課程設(shè)計規(guī)定的任務，培養(yǎng)全面考慮和解決問題的能力； ④ 提高計算、制圖等方面的基本技能； ⑤ 提高運用文獻、技術(shù)資料和工具書的能力。 （ 4） 基礎(chǔ)資料 地基允許承載力 ≥8t/m2， 地下水位在地面下 56m， 水壓間有效容積 是 日產(chǎn)氣量的 50%， 裝置內(nèi)最大氣壓極限 ≤800kPa， 裝置 內(nèi)正常工作氣壓 ≤ 784kPa， 活載荷 ≥200kg/m2 課程設(shè)計原則 （ 1） 在總體技術(shù)路線上要符合我國生活垃圾處理的技術(shù)政策，水壓式沼氣池要符合無害化的總目標。 （ 2） 配套換熱器和吸收塔，保證水壓式沼氣池的溫度比較恒定且能有效回收沼氣中的二氧化碳。 4 （ 3） 根據(jù)該地區(qū)的經(jīng)濟承受能力，盡可能為國家節(jié)省建設(shè)資金。 工程設(shè)計范圍 工程設(shè)計范圍為工藝部分設(shè)計計算。 項目的背景及建設(shè)的必要性 隨著生活水平的提高和集約式農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)村固體廢物中畜禽糞便和秸稈的產(chǎn)生量越來越大，不及 時有效的處理將造成農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生的破壞。利用普通使用的水壓式沼氣池進行處理，既可以有效利用資源，又可以產(chǎn)生新的清潔能源 —— 沼氣，還可以消除環(huán)境污染。水壓式沼氣池存在能耗低、占地面積不大、處理效果好的優(yōu)點，但是也存在隨季節(jié)溫度變化工作不穩(wěn)定等缺點，在設(shè)計的過程中需要克服該問題。 沼氣的基本知識 （ 1） 沼氣及其產(chǎn)生過程 沼氣是有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度的條件下，通過微生物發(fā)酵作用，產(chǎn)生的一種可燃氣體。由于這種氣體最初是在沼澤、湖泊、池塘中發(fā)現(xiàn)的，所以人們叫它沼氣。沼氣含有多種氣體，主 要成分是甲烷 （ CH4） 。沼氣細菌分解有機物，產(chǎn)生沼氣的過程，叫沼氣發(fā)酵。根據(jù)沼氣發(fā)酵過程中各類細菌的作用，沼氣細菌可以分為兩大類。第一類細菌叫做分解菌，它的作用是將復雜的有機物分解成簡單的有機物和二氧化碳 （ CO2） 等 。它們當中有專門分解纖維素的，叫纖維分解菌；有專門分解蛋白質(zhì)的，叫蛋白分解菌；有專門分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二類細菌叫含甲烷細菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把簡單的有機物及二氧化碳氧化或還原成甲烷。因此，有機物變成沼氣的過程，就好比工廠里生產(chǎn)一種產(chǎn)品的兩道工序：首先是分解細菌將糞便、秸稈、雜 草等復雜的有機物加工成半成品 —— 結(jié)構(gòu)簡單的化合物；再就是在甲烷細菌的作用下，將簡單的化合物加工成產(chǎn)品 —— 即生成甲烷。 （ 2） 沼氣的成分 沼氣是一種混合氣體，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氫 （ H2S） 、氮及其他一些成分。沼氣的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重烴等氣體；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。在沼氣成分中甲烷含量為 55%～ 70%、二氧化碳含量為 28%～ 44%、硫化氫平均含量為 %。 （ 3） 沼氣的理化性質(zhì) 沼氣是一種無色、有味、有毒、有臭的氣體，它的主要成分甲烷 在常溫下是一種無色、無味 、無臭 、無毒的氣體。甲烷分子式是 CH4，是一個碳原子與四個氫原子所結(jié)合的簡單碳氫化合物。甲烷對空氣的重量比是 ，比空氣約輕一半。甲烷溶解度很少，在 20℃ 、 ， 100 單位體積的水，只能溶解 3 個單位體積的甲烷。 甲烷是簡單的有機化合物，是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。燃燒時呈藍色火焰，最高溫度可達 1400 ℃ 左右。純甲烷每立方米發(fā)熱量為 千焦。沼氣每立方米的發(fā)熱量約 千焦，相當于 千克柴油或 千克煤炭充分燃燒后放出的熱量。從熱效率分析，每立方米沼氣所能利用的 熱量，相當于燃燒 千克煤所能利用的熱量。 水壓式沼氣池基本知識 水壓式沼氣池的特點 水壓沼氣池是一種埋設(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 、 出料管 、 水壓間 、 導氣管幾個部分。圓筒形結(jié)構(gòu)沼氣池的受力性能好，比相同容積的長方形池表面積小 20%左右，池內(nèi)無死角，容易密封，有利于甲烷菌的活動 ， 以發(fā)揮甲烷菌的產(chǎn)氣作用。 水壓式沼氣池的工作原理是：產(chǎn)氣時，沼氣壓料液使水壓箱內(nèi)液面壓高 ； 用氣時，料液壓沼氣供氣。產(chǎn)氣、用氣循環(huán)工作，依靠水 壓箱內(nèi)料液的自動升降，使氣室的氣壓自動調(diào)節(jié)。 （ 1） 水壓式沼氣池型有以下幾個優(yōu)點： ① 池體結(jié)構(gòu)受力性能良好，而且充分利用土壤的承載能力，所以省工省料，成本比較低。 ② 適于裝填多種發(fā)酵原料，特別是大量的作物秸稈，對農(nóng)村積肥十分有利。 5 ③ 為便于經(jīng)常進料，廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時都能打掃進池。 ④ 沼氣池周圍都與土壤接觸，對池體保溫有一定的作用。 （ 2） 水壓式沼氣池型也存在一些缺點，主要是： ① 由于氣壓反復變化，而且一般在 4～ 16 千帕 （ 即 40～ 160 厘米水柱 ） 壓力之間變化。這對池體強度和燈具、灶具燃 燒效率的穩(wěn)定與提高都有不利的影響。 ② 由于沒有攪拌裝置，池內(nèi)浮渣容易結(jié)殼，又難于破碎，所以發(fā)酵原料的利用率不高，池容產(chǎn)氣率 （ 即每立方米池容積一晝夜的產(chǎn)氣量 ） 偏低，一般產(chǎn)氣率每天僅為 米 3/米 3 左右。 ③ 由于活動蓋直徑不能加大，對發(fā)酵原料以秸稈為主的沼氣池來說，大出料工作比較困難。因此，出料的時候最好采用出料機械。 沼氣池采用中溫厭氧發(fā)酵 發(fā)酵溫度維持在 30～ 35℃ ，此發(fā)酵工藝有機物消化速度較快，產(chǎn)氣率高，與高溫發(fā)酵相比，所需熱量要少得多。從能量回收的角度，該工藝被認為是一種較理想的發(fā)酵工 藝類型。目前世界各國的大、中型沼氣工程普遍采用此工藝。 有機物厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段（如圖 1 所示）。 各 階段各有其獨特的微生物類群起作用。液化階段起作用的細菌稱為發(fā)酵細菌，包括纖維素分解菌、脂肪分解菌、蛋白質(zhì)水解菌。產(chǎn)酸階段起作用的細菌是醋酸分解菌。這兩個階段起作用的細菌稱為不產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷階段起作用的細菌是甲烷細菌。 圖 1 厭氧發(fā)酵三階段 2 厭氧發(fā)酵工藝流程說明 所設(shè)沼氣池采用厭氧發(fā)酵工藝流程 。 工藝流程圖如圖 2 所示 ， 采用中溫厭氧發(fā)酵，發(fā)酵時間為 30 天，也就 是說 30 天進行一次大換料。一月到三月、十月到一月溫度比較低，這段時間對原料要進行換熱處理。產(chǎn)生的沼氣要經(jīng)過吸收塔吸收才能用，才能達到排放要求。 6 圖 2 厭氧發(fā)酵工藝流程 3 沼氣池體部分的設(shè)計計算 發(fā)酵原料 發(fā)酵原料：所設(shè)計的沼氣池所用的農(nóng)業(yè)固體廢物主要有豬糞和秸稈兩種 ， 其年產(chǎn)量為 3000噸，因為在南方 ， 所以秸稈為稻草。 厭氧發(fā)酵的適宜碳氮比為 20： 1— 30： 1，碳氮比達 35： 1時產(chǎn)氣量明顯下降 ， 本沼氣池選用的碳氮比為 25： 1。 為使發(fā)酵過程 有一個較高的產(chǎn)氣量，可將貧氮原料與富氮原料適當配合成為具有適宜碳氮比的混合原料。 混合原料碳氮比 ???NxCxk 式中： K—— 混合原料的碳氮比 C、 N—— 分別為原料中碳 、 氮含量， % x—— 原料的重量， kg 采用一次性進料，一次性 出 料的方式，豬糞和稻草的月產(chǎn)量為 250 噸，查 羋振明《固體廢棄物的處理與處置》表 9— 7 得稻草中 C1為 42%、 N1為 %；豬糞中 C2為 %、 N2為 %。 設(shè)稻草有 x kg，豬糞則為（ 250x） kg ? ?? ? 25250%% 250%%42 ??? ??? xx xxk 求出 x= 噸 一次性投加的稻草為 噸，豬糞為 噸。 水壓式沼氣池的容積比較小，對于每月 250 噸的原料無法全部容納，因此 分十個 沼氣池同時作業(yè) ，每個池子一次性投加的稻草為 噸，豬糞為 噸。 采用每 30 天投料一次， 30 天進行一次大換料。 沼氣池體部分設(shè)計計算 設(shè)計參數(shù) （ 1） 氣壓： （即一個標準 大氣壓）為宜。 （ 2） 池容產(chǎn)氣率：池容產(chǎn)氣率系指每立方米發(fā)酵池容一晝夜的產(chǎn)氣量，單位為 m3沼氣 /（ m3池容 .d）。 目前，我國農(nóng)村沼氣池一般為常溫發(fā)酵，在設(shè)計沼氣池時，參照試驗測定的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，采用產(chǎn)氣率標準為：在溫度變化幅度為 10～ 28℃ ，發(fā)酵料液中的干物質(zhì)含量為 6～ 10％時，每天每立方米發(fā)酵料液產(chǎn)氣量為 ～ ，夏季產(chǎn)氣旺盛，冬季較差。 我國通常采用的池容產(chǎn)氣率包括 、 、 和 幾種 ，本設(shè)計 取池容產(chǎn)氣率為 。 （ 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 12小時產(chǎn)氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。 （ 4） 池容：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 10m3等幾種 ，現(xiàn)采用的集中式沼氣池容積比較大， 。 （ 5） 投料率：投料率系指最大限度投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比，一般在 85~95%為宜。 發(fā)酵間的設(shè)計 （ 1） 確定池容 V 稻草和豬糞的年產(chǎn)量為 3000 噸，月產(chǎn)量為 250 噸。因為料液的含水率超過 90%，取 95%，所以沼氣池的容積 V可以定為 3250 =5000(m )1 ? ， 每個沼氣池的容積為 500m3。 7 （ 2） 確定貯氣量 貯氣量 =池容產(chǎn)氣率 池容 =5000=500 m3， 這是每月產(chǎn)生的總沼氣量，每個沼氣池 產(chǎn)生的沼氣通過管道連接在一起，進入吸收塔進行后續(xù)處理。 （ 3） 計算圓筒形發(fā)酵間容積： 圓筒形發(fā)酵間由池蓋、池身、池底組成（如圖 3 所示），三個部分的容積計算公式如下 ： 圖 3 沼氣池發(fā)酵間的組成 ? ?? ?2 2 2 11 1 1 1 12 2 2 22 2 2 2 2233633fV f R f f rfV f R f f rV R H? ?? ????? ? ? ???????? ? ? ?????? 式中： V V V3—— 分別為池蓋容積、池底容積、池身容積 f f2—— 分別為池蓋矢高、池底矢高 r1—— 池蓋曲率半徑，它與其他尺寸的關(guān)系為 ? ?2211112r R ff??； r2—— 池底曲率半徑，它與其他尺寸的關(guān)系為 ? ?