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1、中北大學信息商務學院 課程設計任務書 2015～2016學年第 二 學期 學 院： 化工與環(huán)境學院 專 業(yè)： 環(huán)境工程 學 生 姓 名：宋思奇學 號：1304014145 課程設計題目：水壓式沼氣池設計——4.0米3混凝土結構 （池容產率0.6米3/米3?天） 起 迄 日 期：4 月 29 日～ 6 月10 日 課程設計地點：中北大學信息商務學院 指 導 教 師：李穎 系 主 任：張建忠 下達任務書日期:2016 年 4 月 29 日 水壓式沼氣池設計——4.0米3

2、混凝土結構（池容產氣率0.6米3/米3?天） 摘要 水壓式沼氣池是我國推廣最早、數(shù)量最多的池形，是在總結“三結合”、“圓、小、淺”、“活動蓋”、“直管進料”、“中層出料”等群眾建池的基礎上，加以綜合提高而形成的?！叭Y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行發(fā)酵?！皥A、小、淺”就是池體圓、體積小、埋深淺?！盎顒由w”就是沼氣池頂加活動蓋板。這種池型的池體上部氣室完全封閉，隨著沼氣的不斷產生，沼氣池內壓力相應提高。這個不斷增高的氣壓，迫使沼氣池內的一部分料液進到與池體相通的水壓間內，使得水壓間內的液面升高。這樣一來，水壓間的液面跟沼氣池體內的液面就產生了一個水

3、位差。用氣時，沼氣開關打開，沼氣在水壓下排出，當沼氣減少時，水壓間的料也又返回池體內，使得水位差不斷下降，導致沼氣壓力也隨之相應降低。 關鍵詞：水壓式沼氣池，設計，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水壓式沼氣池結構 3 1.6水壓式沼氣池工作原理及優(yōu)點 4 2.圓筒形水壓式沼氣池的結構設計和計算 4 2.1設計參數(shù) 4 2.2設計原始數(shù)據(jù) 4 2.3工藝流程設計 5 2.4發(fā)酵料液的計算 5 2.5發(fā)酵間的設計 6 2.6進料口（管）的設計 9 2.7水壓間的設計 10

4、 3.圓筒形水壓式沼氣池施工及材料設計 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 13 5.結束語 14 1.緒論 1.1沼氣介紹 沼氣是由生物質和有機質如秸稈、畜禽糞便等經微生物發(fā)酵產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、氮氣等。不同條件下產生的沼氣，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物實現(xiàn)的。通常把參與沼氣發(fā)酵的微生物分為三類。第

5、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，例如多糖轉化為單糖，蛋白質轉化為甘油和氨基酸，脂肪轉化為甘油和脂肪酸；第二類叫產氫產乙酸菌，它們的主要作用是將前一類細菌分解的產物進一步分解成乙酸和二氧化碳；第三類細菌叫產甲烷菌，其作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳產生甲烷。在沼氣發(fā)酵過程中，這三類微生物既相互協(xié)調，又相互制約，共同完成產沼氣過程?！?】 根據(jù)三階段理論，甲烷發(fā)酵原理可由下圖表示 碳水化合物 糖類 多糖 單糖 揮發(fā)酚、CO2 有機物 蛋白質 氨基酸

6、 丙酮酸、乙酸 脂肪 脂肪酸、甘油 有機酸、醇類 液化 產氫產醋酸 CO2、H2 CH4、N2 CO等 產甲烷 圖1—1 1.3沼氣發(fā)酵原料選擇 農村沼氣發(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。但隨著農業(yè)產業(yè)化的發(fā)展

7、，農村種植和養(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。秸稈隨農事活動批量獲得，能長時間存放不影響產氣。但秸稈發(fā)酵速度較慢，需要較長時間才能達到預期的沼氣產量，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】 1.4工藝流程 沼氣發(fā)酵工藝類型較多，我國農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

8、，以免造成產氣量下降，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，達到較高的產氣率；工藝自身能耗少，簡單方便，容易操作?！?】 1.5水壓式沼氣池結構 在我國農村，沼氣發(fā)酵不僅作為農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，處理各類廢棄物來制成農家肥，而且獲得生物質能用來照明或作為燃料?！?】 厭氧發(fā)酵一般在沼氣發(fā)酵池中進行。沼氣池種類很多，我國農村最常用的有：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，水壓式沼氣池是農村推廣的主要池型。水壓式沼氣池是一種埋設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，主要結構包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導氣管幾個部分?！?】 水壓式沼氣池結構簡圖如下 1 4 5 3 2 圖1—2 1—加料管；2—發(fā)酵間；3—水壓間；4—導氣管；5—控制閥 1.6水壓式沼氣池工作原理及優(yōu)點 家用水壓式沼氣池的工作原理是：池內裝入發(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。當沼氣池內產生沼氣時，沼氣集中在貯氣間內，隨著沼氣的增多，池內的壓力不斷增大，此時沼氣壓迫發(fā)酵液進入水壓間。用沼氣時，貯氣間的沼氣被放出，此時，水壓間內的料液進入發(fā)酵間，如此“氣壓水、水壓氣”反復進行，因此稱之為水壓式沼氣池。 水壓式沼氣池構造簡單，施工方便，各種建筑材料均可使用，取材容易，價格較低，一般6~8m3沼氣池造價600~1000元?；炷两Y構的沼氣池使用壽命可達20年。年產沼氣240m3以上（黃河以北），可供五口之家8個月做飯和全年照明?！?】 2.圓筒形水壓式沼氣池的結構設計和計算 2.1設計參數(shù) （

11、1）氣壓：7480Pa（即80cm水柱）。 （2）池容產氣率：池容產氣率系指每立方米發(fā)酵池容積1晝夜的產氣量，單位為m3沼氣/（m3池容·d）。我國通常采用的池容產氣率包括0.15、0.2、0.25和0.3幾種。 （3）貯氣量：貯氣量系指氣箱內的最大沼氣貯存量。農村家用水壓式沼氣池的最大貯氣量以12h產氣量為宜，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設計原始數(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)酵間總容積的90%； 池容產氣率：0.6米3/米3·天； 建池材料：現(xiàn)澆混凝土； 池內正常工作壓力≤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： 人畜糞便（青草及農業(yè)廢物） 進料間 厭氧發(fā)酵間 水壓（出料）間 農田 圖2—1 2.4發(fā)酵料液的計算 2.4.1發(fā)酵料液的體積 式中：V1——發(fā)酵料液體積，m3； n1——產人糞便總量。按常住人口×0.006~0.013m3/（人·d）取值；

13、 n2——產牲畜糞便總量。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，平壩農業(yè)區(qū)取35，丘陵農 區(qū)取40。 2.4.2氣室容積的計算 氣室容積 式中：V1——發(fā)酵料液體積，m3； V2——氣室容積，m3； k3——原料產氣率，我國通常采用的產氣率包括0.15m3/（m3·d）、 0.2m3/（m3·d）、0.25m3/（m3·d）、0.3m3/（m3

14、·d）。 2.5發(fā)酵間的設計 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——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?？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)酵間總容積，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)酵間內總表面積 ①池蓋削球體球面內表面積 式中：S1——池蓋削球面內表面積，m2； R——池身圓柱體半徑，m； f1——池蓋削球面矢高，m。 ②圓柱體池身內表面積 式中：S2——池身圓柱體內表面積，m2； R——池身圓柱體內半徑，m； H——池身圓柱體高度，m。 ③池底削球體內表面積 式中：S3

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

18、 R 圖2—2 2.6進料口（管）的設計 進料口（管）由上部長方形槽和下部圓管組成，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φ260mm現(xiàn)澆混凝土管，管與池墻角為40?。 水壓式沼氣池進料管安裝位置一般都確定在發(fā)酵間的最低設計液面高度處。該位置計算如下： 2.6.1死氣箱拱的矢高 式中：h1——池蓋拱頂點到活動蓋下緣平面的距離，該值一般在10~15cm 之間； h2——導氣管下露出長度，取3~5cm； h3——導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氣箱總容積 式中：V氣，V死，V貯——分別為沼氣池的氣箱總容積、死氣箱總容積和有 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

20、線 無效水壓間的容積取為0。未產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 產生最大貯氣量時的液面距池頂?shù)母叨葹閒1+h筒=0.44+0.116=0.556m，又未產氣時液面距池頂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 由于設計壓強為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計 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 本設計為池容6m3，產氣率為0.15m3/（m3·d）的現(xiàn)澆混凝土結構圓筒形水壓式沼氣池，參照標準，取材料用量為水泥604kg，中砂1.133m3，碎石1.250m3。 一般情況建一個的沼氣池需要紅磚600塊，若建6m3沼氣池，則水泥、磚、砂比8m3沼氣池用量要減少10%?？?/p>

23、慮到進出料間用料則本設計需紅磚600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，繪制結構和施工圖。 （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）質量總體檢查驗收。 3.3成本核算 查得325號水泥價格為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，則所需材料費用為 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 4.參考文獻 [1] 楊國清主編．固體廢物處理工程（第二版）．[M]北京：科學出版社，2007： 372 [2] 寧平等編．固體廢物處理與處置實踐教程．[M]北京：化學工業(yè)出版社，2005：122~123 [3] 張穎主編．農業(yè)固體廢棄物資源化利用．[M]北京：化學工業(yè)出版社，2005：173 [4] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布．GB/T4752-2002 農村家用水壓式沼氣池施工操作規(guī)程．北京：中國標準出版社，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.結束語 通過本次課程設計，我對水壓式沼氣池的設計計算和施工建造有了深刻的認識和了解，這也提高了我分析和解決問題的能力，并使我進一步接觸到工程實際。與此同時，我在設計中加強了自己的word、autoCAD等多種繪圖工具的應用能力，獲益匪淺。 最后還要感謝老師和同學們的幫助，我會繼續(xù)努力。