【正文】 器，加熱后再進(jìn)入沼氣池進(jìn)行中溫發(fā)酵，每個(gè)沼氣池配一臺換熱器，則原料液流量為 500m3/月，換熱時(shí)間為 5h，則原 料 液 的 流量為 105 kg/h。 水壓間的計(jì)算如下： ① 設(shè)計(jì)參數(shù) 最大投料量 Vmax=90%? 500=450m3 儲氣系數(shù) KG= 產(chǎn)氣率 K= （ m3該位置的計(jì)算方法如下： ① 計(jì)算死氣箱拱的矢高：即池蓋拱頂點(diǎn)到發(fā)酵間的最高液面 O— O位置的距離，如圖 4 所示。 1 5Df ?，2 8Df ?， =2DR 代入上面各式得 ： 8 223122322333 6 5 2 53 6 8 2 82 D D DVDD D DVDDDVD?????? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?????? ? ????? V= V1+V2+V3=++= D3= 故 33 500 1 0 .3 8 ( )0 .4 4 7 0 .4 4 7VDm??? 1 1 0 .3 8 2 .0 7 6 ( )5fm?? 2 1 0 .3 8 1 .2 9 7 5 ( )8?? 1 0 .3 8 = 4 .1 5 2 ( )2 .5Hm? 1 0 .3 8 5 .1 9 )22DRm? ? ? （ ? ?221 1 5 .1 9 2 .0 7 6 7 .5 2 6 ( )2 2 .0 7 6rm? ? ?? ? ?222 1 5 . 1 9 1 . 2 9 7 5 1 1 . 0 2 9 ( )2 1 . 2 9 7 5? ? ?? 說明 ： 沼氣池的總高為 ，因?yàn)?地下水位在地面下 56m。 發(fā)酵間的設(shè)計(jì) （ 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。 （ 3） 貯氣量：貯氣量系指氣箱內(nèi)的最大沼氣貯存量。 沼氣池體部分設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù) （ 1） 氣壓： （即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 大氣壓）為宜。 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(jìn)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 %。產(chǎn)生的沼氣要經(jīng)過吸收塔吸收才能用，才能達(dá)到排放要求。產(chǎn)甲烷階段起作用的細(xì)菌是甲烷細(xì)菌。 各 階段各有其獨(dú)特的微生物類群起作用。 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(jī)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。這對池體強(qiáng)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 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。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(dòng) ， 以發(fā)揮甲烷菌的產(chǎn)氣作用。純甲烷每立方米發(fā)熱量為 千焦。甲烷對空氣的重量比是 ，比空氣約輕一半。沼氣的組成中，可燃成分包括甲烷、硫化氫、一氧化碳和重?zé)N等氣體；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等氣體。第一類細(xì)菌叫做分解菌，它的作用是將復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡單的有機(jī)物和二氧化碳 （ CO2） 等 。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。 項(xiàng)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(shí)有效的處理將造成農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生的破壞。 （ 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(jì)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(biāo)。 水壓式沼氣池設(shè)計(jì)任務(wù) （ 1） 設(shè)計(jì)題目 水壓式沼氣池設(shè)計(jì) （ 2） 主要設(shè)計(jì)任務(wù) ① 水壓式沼氣池尺寸設(shè)計(jì)：沼氣池主體容積、高度、直徑、水壓間容積、高度、直徑。 沼氣池體部分設(shè)計(jì)計(jì)算 5 3 沼氣池體部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 5 2 厭氧發(fā)酵工藝流程說明 4 沼氣池采用中溫厭氧發(fā)酵 3 2 工程設(shè)計(jì)范圍 3 設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容 3 設(shè)計(jì)內(nèi)容 3 課程設(shè)計(jì)原則 4 沼氣的基本知識 6 發(fā)酵原料 6 沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量 6 發(fā)酵間的設(shè)計(jì) 10 4 配套設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算 ② 配套設(shè)施：換熱器的傳熱面積、管長、管徑、標(biāo)準(zhǔn)換熱器選型；吸收塔填料層高度、塔徑、總壓力等。 （ 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。利用普通使用的水壓式沼氣池進(jìn)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。沼氣含有多種氣體，主 要成分是甲烷 （ CH4） 。它們當(dāng)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(xì)菌叫含甲烷細(xì)菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把簡單的有機(jī)物及二氧化碳氧化或還原成甲烷。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 %。甲烷溶解度很少，在 20℃ 、 ， 100 單位體積的水，只能溶解 3 個(gè)單位體積的甲烷。沼氣每立方米的發(fā)熱量約 千焦，相當(dāng)于 千克柴油或 千克煤炭充分燃燒后放出的熱量。 水壓式沼氣池的工作原理是：產(chǎn)氣時(shí)，沼氣壓料液使水壓箱內(nèi)液面壓高 ； 用氣時(shí)，料液壓沼氣供氣。 5 ③ 為便于經(jīng)常進(jìn)料，廁所、豬圈可以建在沼氣池上面，糞便隨時(shí)都能打掃進(jìn)池。 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。從能量回收的角度，該工藝被認(rèn)為是一種較理想的發(fā)酵工 藝類型。液化階段起作用的細(xì)菌稱為發(fā)酵細(xì)菌，包括纖維素分解菌、脂肪分解菌、蛋白質(zhì)水解菌。 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 。 6 圖 2 厭氧發(fā)酵工藝流程 3 沼氣池體部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 發(fā)酵原料 發(fā)酵原料：所設(shè)計(jì)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?yàn)樵谀戏?， 所以秸稈為稻草。 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。 （ 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）。農(nóng)村家 用水壓式沼氣池的最大貯氣量以 12小時(shí)產(chǎn)氣量為宜，其值與有效水壓間的容積相等。因?yàn)榱弦旱暮食^ 90%，取 95%，所以沼氣池的容積 V可以定為 3250 =5000(m )1 ? ， 每個(gè)沼氣池的容積為 500m3。假設(shè)在地面下 6m， 為了避免污染地下水，所以可設(shè) 沼氣池的地下埋深為 5m，在地面以上的部分為 。其中，死氣箱拱的矢高 f 死 可按下式計(jì)算 f 死 =h1+h2+h3 式中： h1—— 池蓋拱頂點(diǎn)到活動(dòng)蓋下邊緣平面的距離（計(jì)算過程略去），對 260cm直徑 的活動(dòng)蓋，該值在 40— 60cm 之間，取 50cm h2—— 導(dǎo)氣管下露出長度，一般取 12— 20cm，取 15cm h3—— 導(dǎo)氣管下口到 O— O 液面距離，一般取 80— 120cm，取 100cm f 死 =50+15+100=165cm= 9 圖 4 死氣箱的矢高 活動(dòng)蓋 導(dǎo)氣管 蓄水圈 死氣箱 固定拱蓋 ② 計(jì)算死氣箱的容積 V 死 2 1= 3fV f r? ???????死死 死 式中： V 死 、 f 死 、 r1—— 分別為死氣箱容積、死氣箱的矢高、池高曲率半徑 .6593 2 ?????????死V ③ 求投料率：根據(jù)死氣箱容積，可計(jì)算出沼氣池投料率，投料率 =? ? 100%VVV? ?死 式中： V、 V 死 —— 分別為沼氣池容積和死氣箱容積 ， m3 投料率 = 5 0 0 3 .9 1 0 0 % = 9 8 .2 2 %500? ? ④ 計(jì)算最大貯氣量 V 貯 V 貯 =池容 池容產(chǎn)氣率 =500=50m3 ⑤ 計(jì)算氣箱總?cè)莘e V 氣 V 氣 =V 死 +V 貯 式中： V 氣 、 V 死 、 V 貯 —— 分別為沼氣池氣箱總?cè)莘e、死氣箱總?cè)莘e和有效氣箱容積（最大貯氣量） V 氣 = +50= ⑥ 計(jì)算池蓋容積 V1 ? ?22111=36fV R f? ? 式中： V f R—— 分別為池蓋容積、池蓋矢高和池體內(nèi)徑 ? ? 33221 . mmV ??????? 因此 A— A液面位置在池身內(nèi) ⑦ 計(jì)算發(fā)酵間最低液面位 A— A 對于一般的沼氣池來說， V 氣 均大于 V1，也就是說 A— A液面位置在圓筒形池身 范圍內(nèi)，此時(shí)，要確定進(jìn)出料管的安裝位置，應(yīng)按下式先算出氣箱在圓筒形池身部分的容積 V 筒 10 V 筒 =V 氣 V1 由于 V 筒 =πR2h 筒 ， 因此2=Vh R?筒筒 式中： h 筒 —— 圓筒形池身內(nèi)氣箱部分的高度 R—— 圓筒形池身半徑 A— A液面位在池蓋與池身交接平面以下 h 筒 的位置上， 這 個(gè)位置就是進(jìn)出料管的安裝位置。d ） 總?cè)莘e V=500 m3 直徑 D=（ m） 池蓋曲率半徑 r1=（ m） 矢高 f1=（ m） ② 設(shè)計(jì)計(jì)算 V0 （ m3） ，儲氣量 VG（ m3） V0=VVmax=500450=50（ m3） VG= VmaxKKG=450? ? =45（ m3） VW=VG，就可求出水壓間的直徑 DW。 （ 1）計(jì)算熱負(fù)荷（不計(jì)熱損失） 及熱水用量 ? ? ? ?? ? ? ? hkgskgTTCQqWttCqQpmpm/10/ 53621226351211????? ????????????? 11 （ 2）平均溫度差 △ t1=7535=40℃ ； △ t2=455=40℃ 因?yàn)?12tt?? =4040 =12，所以逆流 △ t 逆 = 122tt? ?? =40℃ ，因?yàn)樵弦汉蜔崴髁勘容^大，單管程的換熱器無法完成換熱任務(wù)，所以選擇單殼程雙管程的換