【正文】 富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽糞便，這類原料經(jīng)過了人和動物腸胃系統(tǒng)的充分消化，一般顆粒細小，含有大量低分子化合物 —— 人和動物未吸收消化的中間產(chǎn)物，含水量較高。富碳原料厭氧分解比富氮原料慢，產(chǎn)氣周期較長。因此，在其他條件都具備的情況下，碳氮比例配成 25~30： l可以使沼氣發(fā)酵在合適的速度下進行。產(chǎn)甲烷菌只能在嚴格厭氧的環(huán)境中才能生長。 農(nóng)村戶用沼氣池發(fā)酵初期由于產(chǎn)酸菌的活動，池內(nèi)產(chǎn)生大量的有機酸，導(dǎo)致pH下降。此時，可取出部分料液，加入等量的接種物，將積累的有機酸轉(zhuǎn)化為甲烷，或者添加適量的草木灰或石灰澄清液，中和有機酸，使酸堿度恢復(fù)正常。城市下水污泥，湖泊、池塘底部的污泥，糞坑底部沉渣，屠宰場、食品加工廠 的污泥，以及污水處理廠厭氧消化池里的活性污泥等都含有大量的沼氣微生物，是良好的接種物。這樣的分層分布，對微生物以及產(chǎn)氣是很不利的。機械攪拌是通過機械裝置運轉(zhuǎn)達到攪拌目的； 氣體攪拌是將沼氣從池底部沖進去，產(chǎn)生較強的氣體回流，達到攪拌的目 的；液體攪拌是從沼氣池的出料問將發(fā)酵液抽出，然后從進料管沖入沼氣池內(nèi)，產(chǎn)生較強的液體回流，達到攪拌的目的。 第 3章 太陽能加熱的 沼氣發(fā)酵裝置的設(shè)計 太陽能加熱恒溫系統(tǒng) 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 15 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的組成 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖如圖 l所示。熱水緩沖器的 主要功能是為了控制進入螺旋換熱器中水的溫度，防止溫度過高。 第 1循環(huán) 熱水緩沖器的溫度高于 62℃時，其循環(huán)路線為： 熱水緩沖器一循環(huán)泵一閥 3一螺旋換熱器一閥 4一電磁閥 3一熱水緩沖器 此時，電磁閥 1與電磁閥 2關(guān)閉，切斷與太陽能熱水箱的循環(huán)；電磁閥 3打開，循環(huán)水直接通過熱水緩沖器進行循環(huán)，促使熱水緩沖器中的溫度降低。 工藝流程 輔熱集箱式厭氧發(fā)酵及沼液、沼渣處理工藝流程如圖 2所示，豬場產(chǎn)生的糞便經(jīng)過預(yù)處理后，經(jīng)排糞槽流入預(yù)加熱發(fā)酵池。糞便在發(fā)酵間內(nèi)進行發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過汽水分離、脫硫等凈化處理 后 進入儲氣罐，沼氣可供居民生活或豬場生產(chǎn)使用。夏 季由于氣溫高、原料分解快，料液濃度一般為 8％～ 1 O％，冬季由于原料分解緩慢，濃度一般為 l 0％～ 12％。發(fā)酵濃度247?！痘ぴO(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 18 采用此方法設(shè)計發(fā)酵罐罐體尺寸，可以使發(fā)酵罐罐體表面積最小，從而 達到減少熱損，減少罐體成本以及減少太陽能集熱器投資的目的。而且由于散熱面積 減小，系統(tǒng)所需太陽能提供的能量也越小，由此方法求得的太陽能集熱器面積也最小，制造本裝置所需的投資將降低。材料的選擇應(yīng)首先從強度、塑性、韌性及冷彎性能等多方面綜合考慮。因此，要根據(jù)裝置具體工作條件和技術(shù)經(jīng)濟指標來選擇適宜的材料。從表 3． 2中幾種材料的相對比價的對比可以看出，碳鋼與普通低合金鋼的價格比較低廉，在滿足設(shè)備力學(xué)性能的條件下應(yīng)首先選用。 表 幾種材料的相對比 價 【 3】 材料種類 相對比價 備注 普通碳素鋼板 熱軋中厚度 6～ 30mm 優(yōu)質(zhì)鋼板 厚 6mm～ 40mm 鍋爐鋼板 中厚板 普通低合金鋼板 4mm～ 40mm 鉻不銹 鋼板 Cr Cr7Ti 鉻鎳不銹鋼板 厚 1mm～ 20mm 超低碳不銹鋼板 厚 1mm～ 20mm 綜合以上分析，本設(shè)計的發(fā)酵罐罐體采用普通碳素鋼 板材 Q235一 B做裝置罐殼以滿足裝置的力學(xué)性能要求，而通過內(nèi)部涂抹防腐劑的方法解決罐體的耐腐蝕問題。 kg1 內(nèi)壓容器圓筒 設(shè)計 厚 度 公式 ? ?22 CPPDt id ??? ??? [6] 名義厚度公式 圓整量??? 1Cdn ?? 式中： d? 一發(fā)酵罐罐體壁厚， mm； P 一罐體內(nèi)壓， Mpa； Di一圓柱體直徑； mm 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 20 ??t? 一圓筒 在 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力， Mpa； ? 一焊縫系數(shù)； 1C 一鋼板厚度的負偏差， mm； 2C 一腐蝕裕量， mm 設(shè)計壓力是在相應(yīng)的設(shè)計溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，其值應(yīng)稍高于罐體內(nèi)部的最大工作壓力。沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)氣體產(chǎn)生的最大壓力 39。( ghPP ??? 式中： P 一 設(shè)計壓力， Mpa； ? 一料液的密度， kg／ m3； g一重力加速度， ； 39。 因此罐體材料采用。 查表得 s? =235Mpa， ? =， 則 eeiTT 2DP ? ?? ）（ ?? ? M p 3 1M p )(1 2 7 3 ?? ??? . 5 M p a2 1 1M p a2 3 s ?????? 滿足 sT .90 ??? ? ，所以水壓試驗強度足夠。據(jù)研究得出，短時間內(nèi)溫度升降 5℃沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至?xí)Ｖ巩a(chǎn)氣。 本裝置 在冬季條件下運行，采用太陽能 作為系統(tǒng)的供熱裝置，為了減少太陽能裝置的供熱量，降低太陽能集熱器的面積，減少系統(tǒng)的投資，必須降低罐體散熱損失，則應(yīng)該給發(fā)酵罐加上保溫層。 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 23 本裝置采用 100mm（ 2? ） 厚的擠塑聚苯乙烯泡沫板進行外保溫處理。材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱系數(shù)為 2? =O． 028 W／ (m假設(shè)系統(tǒng)采用連續(xù)進料方式，每天都有新物料進入，舊物料排出。而對于發(fā)酵過程是否產(chǎn)生的熱量，仍是一個具有爭議的問題。發(fā)酵罐為圓柱形，圓柱體表面積散熱分為 2個部分，分別是 2個圓底面以及圓柱壁面散熱，罐體一天內(nèi)的散熱損失為 sQ 。因此，本厭氧發(fā)酵物料在保溫過程中的溫度場可看成是穩(wěn)態(tài)溫度場，物料溫變一致； 假設(shè) 4：保護層材料一般導(dǎo)熱系數(shù)較大，而厚度相對較小 (常小于 lmm)，故在計算時可忽略其熱阻?！?)； 2h 一保溫層外表面與環(huán)境間換熱系數(shù)， 2h = w／ (m2℃ )，本文取 52 W／ (m 將各參數(shù)代入公式 （ ） ，通過計算可以求出多層平板總傳熱系數(shù) ??????? ? 23 w / ( m2 6 8 1 10 2 521 8 0 011K ℃ ) 本裝置在西北地區(qū)室外條件下運行，冬季氣候寒冷，按發(fā)酵罐內(nèi)部料液溫度取發(fā)酵溫度 25℃進行計算，環(huán)境溫度取冬 季一個較冷氣溫 7℃，將以上各項參數(shù)代入公式 （ ） 進行計算： 7 8)725( 6 )( 20xx ???????? ttRKQ ?底 可以求出單位時間內(nèi)發(fā)酵罐圓底部散熱量 底Q 為 ?！?） ，因為料液固含量為 8％，料液的大部分仍是水，因此其值可以取水的比熱 4200J／ (kg發(fā)酵周期 20天。 2） 進行不同發(fā)酵工藝條件的發(fā)酵對比實驗，分析各個因素對發(fā)酵過程的影響，確定出本套裝置的最佳發(fā)酵工藝條件，進一步提高裝置的產(chǎn)氣率。不論從做人、做事還是做研究， 都受到 郜 華萍 老師的深深影響，這些都讓我受益終身 !郜 老師在 教學(xué)過程 中教導(dǎo) 我們 要善于把握可再生能源開發(fā)和利用的宏觀發(fā)展方向，注重培養(yǎng)動手實踐和獨立思考解決問題的能力。 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 28 參考文獻 [1]楊增玲 ，基于物理指標快速預(yù)測豬糞尿肥料成分含量的試驗研究 [D].北京 :中國科技論文在線 ,20xx. [2]邵紅艷，貴州農(nóng)村沼氣池結(jié)構(gòu)改進及建池鋼模設(shè)計 [D].貴州：貴州大學(xué)， 20xx. [3]譚蔚，化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)．第一版．天津：天津大學(xué)出版社， 83． 93． [4]刁玉韋，化工設(shè)備機械基礎(chǔ) .第六版 .大連：大連理工大學(xué)出版社， 20xx： . [5]GB4750～ 4752— 84．農(nóng)村家用水壓式沼氣池標準圖集、農(nóng)村家用水壓式沼氣池質(zhì)量檢查驗收標準、農(nóng)村家 用水壓式沼氣池施工操作規(guī)程． [6]董大勤，袁鳳隱，壓力容器設(shè)計手冊 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20xx： 186. [7]武磊 .太陽能加熱的戶用沼氣發(fā)酵裝置的設(shè)計與實驗研究 [D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，20xx. [8]唐受印，戴友芝，汪大翠等 .廢水處理工程 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20xx， 8. [9]趙慶祥 .污泥資源化技術(shù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20xx. [10]于海明，周嶺 ,丁羽等 .沼氣反應(yīng)器中自動加熱恒溫系統(tǒng)主要工作部件的參數(shù)選擇[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報， 20xx， 18(2)： 53． 56. [11]王學(xué)濤 .新型高效戶用沼氣發(fā)酵裝置實驗研究 .鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)， . [12]繆則學(xué)，宋明芝等 .壓強與沼氣干發(fā)酵關(guān)系的研究 [J].江蘇沼氣， 1988， 6： 1114. [13]王榮光，沈天行 .可再生能源利用與建筑節(jié)能 .北京：機械工業(yè)出版社， 20xx. [14]， ， and ， Simulation and experimental performance of a solar— heated anaerobic digester[J]Solar ， 70(2)： 155一 l 64. [15]黃夏東 .建筑外墻熱工性能和節(jié)能設(shè)計分析 [J].福建建設(shè)科技， 20xx， 1： 58— 59. 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 29 致謝 值此本設(shè)計完成之際，我謹向所有關(guān)心、支持和幫助作者的老師、同學(xué)表示由衷的感謝 ! 歲月冉冉，光陰似箭 !化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計這門課已經(jīng) 結(jié)束 了 。 尚待解決的問題 由于研究時間和個人知識 的限制，本設(shè)計存在以下幾方面的問題沒有進行充分的探討，建議再以后 的研究中，對以下幾點進行更深入的研究： 1） 本套裝置的成本較高，投資回報期較長。結(jié)合西北地區(qū)太陽能資源豐富的特點，將太陽能中、低溫集熱系統(tǒng)和沼氣發(fā)酵裝置結(jié)合，設(shè)計了一套太 陽能加熱的恒溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，得出以下結(jié)論： 1） 根據(jù)本裝置的設(shè)計分析，一套發(fā)酵罐容積為的太陽能加熱的戶用型沼氣發(fā)酵裝置可以滿足用戶在冬季對沼氣的需求量。 將各項參數(shù)代入公式 （ ） ，可以得 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 26 5 0 7 14 0 7 5 0 7 14 0 7 1.451 8 0 1 ????????????????? ）（柱Q ? 將各部分的熱損失相加，可以求出罐體一天內(nèi)的散熱損失 Qs： dTQ ss / 7 33 6 0 016) 1 8 7 82(2( ???????? ）柱底 加熱料液需要的熱量 假設(shè)連續(xù)型發(fā)酵裝置需要每天出部分舊料，同時每天添加進相同質(zhì)量的新料，由于 這部分新料從環(huán)境中進入，為維持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定，需要提供熱量供其升溫。 2? 一保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)， 2? = W／ (m℃ )；對于非金屬保護層， 2h可取 ／ (m2 K) 1t 一發(fā)酵罐內(nèi)部料液溫度， 25℃ 0t 一 外部環(huán)境溫度，取冬季低溫 7℃ 散熱面積 A的大小由圓柱體半徑?jīng)Q定： 2RA ?? R 一罐體半徑， m。 為簡化計算，可以根據(jù)實際情況做出以下幾點假設(shè)： 假設(shè) 1：在發(fā)酵過程中計算熱損失時，可假設(shè)消化池內(nèi)所有物質(zhì) (氣體和發(fā)酵原料 )都處于相同的溫度。因此，能量的平衡主要由太陽能集熱器吸收的太陽能，一天內(nèi)罐體向外界散失的熱量，出料帶出的熱量三部分組成。由上述分析可 知，沼氣發(fā)酵罐的熱量平衡方程為： gwsb Q ????[7] 式中； Q —— 加熱裝置一天內(nèi)的熱負荷， J； bQ —— 每天由發(fā)酵過程產(chǎn)生的生物熱， J； sQ —— 罐體一天向周圍空氣的散熱量， J，一天按 16小時算 ； wQ —— 每天添加的物料升溫所需總熱量， J； gQ —— 沼氣所帶走的熱量 ， J。保溫層外部采用 。擠塑板具有連續(xù)均勻的表層及閉孔式蜂窩結(jié)構(gòu)，這些蜂窩結(jié)構(gòu)的互聯(lián)壁有一致的厚度，泡孔間沒有任何空隙?！?)的絕熱材料組成，用于增大熱阻，降