某县牛场沼气发电工程.docx
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某县牛场沼气发电工程
某某牛场沼气工程
初步方案
二〇〇八年五月二十七日
第一章前言
近几年，随着农村和农业结构的优化调整，人民生活水平的提高，养殖业发展较快，呈现出三个特点：
一是规模养殖场数量大幅度增加；二是养殖场的投资大，设备标准高，管理规范；三是发展的区域化明显。
目前已基本形成以大中城市郊区为中心的养殖区。
在大中型养殖场迅速发展的同时，养殖场粪便污染和处理利用情况堪忧。
在北京和上海，采用工程化技术措施处理的粪、水量，仅占排放量的3%和4%。
对粪便处理仅限于晒干销售，但是一些养殖场由于市场及回收成本等原因而任其自流，浪费掉。
这种状况带来了严重的不良后果：
一是造成了严重的资源浪费；二是污染了周围的环境，影响了附近居民的身体健康；三是加剧了养殖场与附近村民的关系。
目前集约化养殖场大型沼气工程在我国呈现出良好的发展态势。
从国家来讲，中央已经将集约化养殖场大型沼气工程列入国家农村基础设施建设项目之中，把发展大型沼气工程作为实施发展生态农业的重要举措。
发展集约化养殖场大型沼气工程，既是发展生态农业的一个重要内容和关键环节，又改善了生态环境，治理了养殖场粪便污染问题，同时提高了农民的生活用能水平，改善了农村的居住环境。
第二章项目背景
2.1工程名称
某某县规模化奶牛场沼气工程
2.2项目性质
新建
2.3工程规模
某某县规模牛场，养殖奶牛量约500-600头，日产生含固量18%的粪便约12.5-15吨。
为了解决环境污染问题，并获得了绿色清洁能源和高效有机肥，某某县决定上马沼气发电工程，沼渣做有机肥外卖，沼液做农田施肥。
2.4设计单位
北京三益生态环境工程有限公司
2.5设计依据
《畜牧养殖及畜产品加工项目可行性研究报告编制大纲》
《畜牧业发展行动计划》农业部
《畜牧业“十五”计划和2015年远景目标规划》农业部
《工程环境影响评价报告》
《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》NY/T1222-2006
《农业基本建设项目管理办法》
《畜禽养殖业能源环保站运行维护及其安全技术规程》（农业部）
《畜禽养殖业能源环保站设计规范》（农业部）
《生态农业中废弃物的处理与再生利用》（化学工业出版社）
《沼气实用技术》（周孟津）
2.6设计原则
1）按照大连市总体规划及畜牧业专业规划制定的指导思想。
2）执行国家关于环境保护的政策，符合国家的有关法规规范及标准。
3）采用先进、稳妥的技术和设备，保证工程质量，使运行管理方便灵活，尽可能实现自动控制，提高操作和管理水平。
4）妥善处理和处置生产过程中产生的栅渣、废水、污泥，防止二次污染。
5）节约能耗，降低成本，减少工程总投资，充分发挥项目的社会、经济和环境效益。
6）合理布局，精心布置，减少占地，提高土地利用率。
2.7主要规范和标准
《室外排水设计规范》
《污水综合排放标准》
《给水排水工程结构设计规范》
《钢结构设计规范》
《工业锅炉设计规范》
《工业企业采暖、通风及空气调节设计规范》
《工业与民用供配电系统设计规范》
《低压配电装置及线路设计规范》
《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》
《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）
《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》NY/T1222-2006
《沼气工程技术规范第1部分：
工艺设计》NY/T1220.1-2006
《沼气工程技术规范第2部分：
供气设计》NY/T1220.2-2006
《沼气工程技术规范第3部分：
施工及验收》NY/T1220.3-2006
《沼气工程技术规范第4部分：
运行管理》NY/T1220.4-2006
《沼气工程技术规范第5部分：
质量评价》NY/T1220.5-2006
《规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程》NY/T1221-2006
2.8设计范围
设计范围包括：
发酵原料预处理、沼气发酵、沼气净化、发电及余热利用、沼肥储存部分。
第三章工艺技术分析
3.1污染物质分析
由于饲养的牛、禽等各种动物的食物构成不同和消化系统的不同，各种粪污有很大的差别，具体特征有：
1）牛属于粗放型畜种，其食物以青饲料为主，加上牛的消化食物的程度不如彻底，因此在其粪便中粗纤维物质含量比粪便要多；
2）由于饲料成分差异，牛粪便中的N、P的含量要比的低的多；
3）畜禽粪便对应的每公斤TS产气率不同，牛粪约为0.25m3；
4）污水中有机污染物分子量大小是微生物消化分解难易程度的关键，由于污水中有机污染物分子量大小的比例不同，要取得同样消化降解速率，牛粪便污水的滞留期要比粪便污水长；
5）牛粪质轻，长草纤维较多，粪便中含有较多的产甲烷菌，不易消化。
3.2工艺选择
本工程采用“能源生态型”，原料采用奶牛场清理出的粪便；厌氧消化系统主要采用适应粪便污水特点，运行与效果稳定的沼气池形式——升流式固体反应器USR。
发酵产生的沼气用于发电，产生的沼肥作为农田的液体有机肥使用。
废水厌氧发酵生物处理技术发展到今天已经取得很大的发展，已开发出的各种厌氧反应器种类很多，目前，在畜禽养殖行业粪污资源化利用方面，应用较多的是升流式固体反应器（USR）、全混式厌氧反应器（CSTR）和上流式厌氧污泥床（UASB）。
升流式固体反应器（USR）是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。
原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。
未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出。
一般为钢混结构或全钢制，装有搅拌和回流装置，操作简便、启动容易，一般半个月到一个月就可以投入正常使用。
上流式厌氧污泥床（UASB）反应器主体是内装颗粒厌氧污泥的容器，其技术关键是三相分离器、布水系统及该装置的运行条件，特别是形成颗粒污泥的工艺条件是确保该反应器高效的关键。
全混式厌氧反应器（CSTR）和上流式厌氧污泥床（UASB）两种工艺主要用于高浓度有机废水的处理，对混合液的悬浮物均有严格要求，否则会影响反应器的处理效率，且容易造成反应器内部料液结层、管路堵塞等故障。
升流式固体反应器（USR）相对于以上两种工艺，具有实用、操作简单、运行稳定等优点。
结合本项目排污情况以及后期处理对沼渣沼液的深加工，我们选择升流式固体反应器（USR）。
第四章工艺设计
4.1工艺流程设计
发电机组
燃气增压泵
气水分离器
脱硫塔
膜式储气器
用电
水封器
沼液去稀释
计量加热池
沉砂池
泡粪池
禽畜粪污
沼肥
沼气
出料池
中间水池
沼肥泵
沼液
沼液储存池
固液分离机
沼渣
有机肥制作
余热
余热
USR反应器
水封池
进料泵
排放
4.2设计基本参数
1）牛场规模：
500-600头牛；
2）沼气产生量：
700m3/d（甲方提供）
3）总粪污量：
稀释到固含量8%，则总粪污量为35.1m3/d。
4.3工艺流程说明
由于牛粪便固含量为18%，而粪污发酵提升需要将粪便加水稀释至固含量8%，所以牛粪便首先在沉砂池中加水搅拌稀释后，自流进入沉沙池沉淀后，用泵提升至计量加热池进行加温后由进料泵提升至USR反应器进行厌氧处理，厌氧发酵产生的沼气经气水分离器、脱硫塔处理后经过阻火器、气体流量计后存于膜式储气器，膜式储气器中的沼气进入发电机组发电。
厌氧罐产生的沼肥经过水封池控制厌氧罐内的压力后，自流进入出料池；并经提升泵提升至固液分离机对沼肥进行分离，部分沼液回流至沉砂池作为稀释水用于稀释牛粪便，多余的沼液排出后贮存，以备农田灌溉或施肥。
产生的沼渣经固液分离机分离后固体送到有机肥厂做有机肥，利用微生物发酵技术，将畜禽粪便经过多重发酵，使其完全腐熟，并彻底杀死有害病菌，使粪便成为无臭、完全腐熟的活性有机肥，从而实现畜禽粪便的资源化、无害化、无机化；同时解决了畜牧场因粪便所产生的环境污染。
所生产的有机肥，广泛应用于农作物种植、城市绿化以及家庭花卉种植等。
液体进入到沼液储池。
4.4工艺单元设计
4.4.1泡粪池
泡粪池有效深度为0.5m,牛粪在此经破碎机的破碎后，大部分砂砾沉积在此处，便于清淘。
总容积：
12m3
有效容积：
7.5m3
尺寸：
3×5×0.8m
数量：
1座
结构：
钢混结构
主要设备：
破碎机
型号：
SYST-P
流量：
Q=15.6m3/h，
功率：
N=7.5Kw
数量：
1台
4.4.2沉砂池
沉砂池有效水深2.0m,粪污中的泥沙得到进一步的去除，保证后续处理工艺的正常运行。
总容积：
21.0m3
有效容积：
17.6m3
尺寸：
Φ3×3.0m
数量：
1座
结构：
钢混结构
4.4.3计量加热池
计量加热池，有效水深2.5m，；进料次数为2次/天，一次进料量为17.5m3；
总容积：
21.0m3
有效容积：
17.6m3
尺寸：
Φ3×3.0m
数量：
1座
结构：
钢混结构
加热方式：
采用余热锅炉对粪污进行间接加热。
主要设备：
1）搅拌机
型号：
JBJ-2.2
技术参数：
轴长L=2.5m，转速=60rpm，N=2.2Kw
类型：
铸件搅拌机
数量：
1套
2）进料泵
型号：
WQR20-22-3.0（A）
流量：
Q=20m3/h，
扬程：
H=22m，
功率：
N=3.0Kw
数量：
2台
4.4.4水封池
总容积：
6.7m3
有效容积：
5.6m3
尺寸：
1.5×1.5×3.0m
数量：
1座
结构：
钢混结构
4.4.5中间水池
总容积：
11.7m3
有效容积：
9.7m3
尺寸：
2.6×1.5×3.0m
数量：
1座
结构：
钢混结构
4.4.6中温发酵罐（USR）
本工程采用的厌氧发酵罐是升流式固体反应器（USR）发酵。
发酵罐采用柔性搪瓷拼装结构，搪瓷用钢板钛合金专用钢板，厚度从3mm~8mm，根据罐体的大小选用不同厚度的钢板，钢板先经过酸洗、碱洗、打砂等特殊的工艺处理，将钢板表面的氧化皮、锈及油除干净，再在钢板的内外两面喷上底釉和面釉，烘干后经过电炉900℃高温加热，使钢板表面形成0.3mm厚的搪瓷层，搪瓷层和钢板之间形成很强的结合力，使搪瓷涂层形成的保护层不仅能阻止罐体腐蚀，而且具有抗强酸，强碱的功能。
搪瓷涂层同样具有极强的抗磨损性。
搪瓷钢板之间的拼接，采用了钢板相互搭接并用自锁螺栓连接形式。
螺栓底部外包防腐塑料，拴接后，再用硅胶将螺栓以及两板重叠之间覆盖，如图所示。
这种装配结构不仅完全满足防腐要求，同时达到了快速低耗的安装要求。
并可以根据实际要求，扩大原有储罐的容量。
搪瓷拼装结构工程造价低、双面搪瓷，防腐性能好，寿命长、施工周期短、工厂预制，质量可控性强、美观、可拆卸、可回收的特点。
中温发酵罐设计规模35.1吨/日，有效水深6.0m，停留时间21d；
尺寸：
Φ12.22×6.0m
数量：
1座
材质：
搪瓷钢板
形式：
拼装
保温：
石棉保温，厚度为100mm，通过发电机组高温排放气体换热后的热水加热。
主要设备：
1）侧向搅拌机（罐中上部）
数量：
1套
型号：
JBJ-1.5
技术参数：
轴长L=2.0m，转速=60rpm，N=1.5Kw
4.4.7沼气净化处理
由于发酵罐产生出来的沼气中含有水分和H2S，直接进入沼气贮柜供用户使用会腐蚀设备，也不安全，所以必须经过处理。
沼气脱水处理采用旋流式气水分离器，脱硫采用干式脱硫。
主要设备：
1）水封器
型号：
ZTS-7
数量：
1套
尺寸：
Φ500×1000mm
2）气水分离器
型号：
ZTS-7
数量：
2套
尺寸：
Φ600×2000mm
3）脱硫塔
型号：
ZTL-7
数量：
2套
尺寸：
Φ1000×2800mm
4.4.8沼气收集
由于产气量和用气量经常不平衡，所以必须设置贮气柜进行调节，考虑到本工程地点位于北方，沼气储气采用膜式储气囊。
双层膜式气囊生物气体储存器由外层膜和内层膜组成,外层膜和内层膜之间气密，外层膜构成存储器外部球体形状，内层膜则与底膜围成内腔以存储生物气体。
储存器设有防爆鼓风机,防爆送气鼓风机自动按要求调节气体的进/出量，以保持存储器内气压的稳定，同时在恶劣天气条件下保护外层膜。
气体的体积由进入与排出的气体体积决定。
外层膜设有一道上下走向的软管,由上述鼓风机把外面空气经此软管送进外层膜与内层膜之间的空间,使外层膜保持球体形状并同时把生物气体压送出去。
内外层膜及底部膜均经过HF熔接工序熔接而成，所用材料包括经过表面特殊PVC处理的高强度聚酯纤维和丙烯酸脂清漆。
PES纤维的最大拉伸强度是根据DIN53354标准测试的，且在经纬方向均达到了每5cm宽的长条可以承受5,000N拉力的标准。
根据DIN4102-B1标准，该纤维具有高度防火性能，特殊表面处理的配方使之具有防紫外线及防泄漏功能。
同时，该纤维不会与各种生物气体成分发生反应或受之影响，而白色外层膜有助于反射阳光。
此外，存储器可抵抗强风的吹刮及积雪的重压，保证设备安全运行。
适用温度为-30oC至+70oC。
由于双层膜之间时空气介质，在封闭状态下空气的导热系数为0.023W/m·k，而石棉的导热系数为0.198～0.244W/m·K；而远远高于空气的导热系数；可见用双层膜储气器置于厌氧罐的顶部比普通保温顶盖更具有保温效果。
储气容积：
180m3
外形尺寸：
Φ12.0×3.0m
配套设备：
鼓风机1台，功率1.1KW；沼气输送泵1台
数量：
1套
4.4.9沼渣收集及处理
设计规模35.1m3/d。
出料池
总容积：
21.6m3
有效容积：
18m3
尺寸：
4.8×4.5×3.0m
数量：
1座
结构：
钢混结构
主要设备
1）沼渣泵
型号：
WQR10-13-1.0（A）
流量：
Q=10m3/h，
扬程：
H=13m
功率：
N=1.0w
数量：
1台
2）固液分离机
型号：
TG-10
数量：
1套
技术参数：
Q=10m3/h，N=1.1Kw
材质：
不锈钢
4.4.10沼液收集
设计规模35.1m3/d，沼液产量15.6t/d，沼液池设计停留时间90d，有效深度3.0m。
总容积：
1404m3
有效容积：
1685m3
数量：
1座
4.4.11沼气发电
设计规模沼气产量700m3/d，发电系数1.44度电/m3沼气，日发电量为900度。
沼气机房
数量：
1座
占地面积：
20m2
主要设备
沼气发电机组
型号：
40GF-Z
数量：
1台
技术参数：
额定功率40KW，额定转速1500r/min，额定电压400V，额定电流72.2A，供电制式为三相四线，冷却方式为半开式水冷、热交换器
外形尺寸：
2040×700×1350
排气余热回收装置
数量：
1套
第五章土建设计
5.1建筑设计
5.1.1主要规范
《房屋建筑制图统一标准》GB/T50001-2001
《建筑模数协调统一标准》GBJ2-86
《厂房建筑模数协调标准》GBJ6-86
《建筑设计防火规范》（2001年版）GBJ16-87
《建筑采光设计标准》GB/T50033-2001
《建筑地面设计规范》GB50037-96
《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-95
《建筑防雷设计规范》（2000年版）GB50057-94
《总图制图标准》GB/T50103-2001
《建筑制图标准》GB/T50104-2001
《建筑内部装修设计防火规范》GB50222-95
5.1.2设计标准
发电室耐火等级为一级外，其余建筑耐火等级为二级。
5.2结构设计
5.2.1主要规范
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001
《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153-92
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
《砌体结构设计规范》GB50003-2001
《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
《钢结构设计规范》GBJ17-88
《室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范》TJ32-78
《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002
《建筑抗震设防分类标准》GB50223-95
《给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程》CECS117:
2000
《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS137:
2002
5.2.2设计标准
1）本工程设计建筑结构的安全等级为二级。
2）本工程各项建构筑物主体结构的设计使用年限为50年。
3）本工程钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限值为0.2mm。
4）建筑结构的地基基础设计等级为丙级。
5）本工程建筑抗震设防类别属丙类建筑，抗震设防烈度为6度。
5.2.3设计内容
6）本工程生产性构筑物除发酵罐主体主体采用搪瓷钢板结构，其他均结构尺寸如下：
7）1）预处理系统水池
8）预处理系统含泡粪池、沉砂池、进料池及水封池、出料池。
9）2）后续处理系统水池
10）沼液池1座。
11）3）厌氧罐体基础
12）基础为钢筋混凝土结构，尺寸Φ13.0m，底板厚500mm，垫层100mm。
第六章电气设计
6.1设计依据
1）工艺提供的电气负荷资料；
2）工业用电设计技术规定；
3）供配电系统设计规范；
4）通用用电设备设计规范；
5）相关文件资料
6.2设计范围
本工程设计范围包括厂区内供电、配电及电气设备控制设计，电源外线工程的电气设计不在本设计范畴。
6.3供电电源与供电负荷
本工程厂区内电力负荷均为380/220V低压负荷，单台容量最大7.5KW。
通过计算，总容量20.3KW（不含照明等辅助设施的用电）。
6.4控制与保护
站内设立PLC逻辑控制，各开关、综合保护器、各电机运行状态等可显示。
保护设定：
380V进线设短延时电流速断、过电流保护，动作于断路器跳闸，变压器设电流速断、过电流、超温保护，动作于断路器跳闸。
控制：
绝大部分工艺设备采用以PLC可编程控制器自动控制（或上位机控制）与机旁手动控制相结合的控制方式。
在就地控制箱上设“程控/就地”转换开关，“就地”位置时，机旁进行设备的启/停操作。
“程控”位置时，由PLC可编程控制器进行操作。
低压元器件选用性能可靠，技术较为先进的开关设备作为低压设备的保护与控制。
6.5照明
控制室、值班室、生活辅助用房采用日光灯照明，生产车间采用白炽灯（部分车间考虑防爆灯）照明。
6.6防雷与接地
为防止直击雷，在中温发酵罐、贮气柜、发电车间顶局部设防雷避雷带、避雷针。
为防止雷电侵入波对电器设备的破坏，变压器中心点直接工作接地，保护接地与其共用一组接地网，接地电阻不大于4欧。
电器设备外壳，电缆桥架等设备均与接地网相连。
第七章暖卫和通风设计
7.1目的
解决厂各生产生活建筑物冬季采暖、公共浴室的冷水加热、以及建构筑物的通风。
7.2设计依据
当地气象资料（冬季室外计算温度-12℃）
《采暖与卫生工程施工及验收规范》GBJ242-82
《城市供热管网工程施工及验收规范》CJJ12-89
《建筑设备施工安装通用图集》91SB
《建筑给水排水设计规范》GBJ15-88
《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19-87
《城市热力网设计规范》CJJ34-90
7.3厂区供热热源
厂区共设置1台余热锅炉（利用发电余热），作为USR反应罐加热的热源。
7.4通风与空调
全厂建构筑物的通风采用全面换气和局部换气两种，全面换气采用外墙或窗上装轴流机通风的方法；局部排气仅考虑室内湿、毒、热气体的排放，互不串连。
空调设置为满足分散房间室内各自不同的需要。
第八章安全、节能及消防
8.1安全生产
本工程设计采取了以下措施，以确保厂区的安全生产和运行管理人员的劳动保护：
1）各生产构筑物均设便于操作和行走的操作平台、走道板及安全护栏、扶手。
2）各种用电设备均按国家的有关标准作好接零接地保护。
为防止直击雷，在综合楼屋顶局部设防雷避雷带，个别构筑物顶或边角设避雷针。
变压器中心点直接工作接地，保护接地与其共用一组接地网，接地电阻不大于4欧。
电器设备外壳，电缆桥架等设备均与接地网相连。
3）电气设备及机械设备的布置注意留有足够的安全操作距离及空间。
4）在本设计中设有超越、溢流等管道，防止事故时造成危险。
5）在有建筑的生产车间设有通风设备，保证工人生产安全。
6）在运行前制定相应的安全规程，操作人员上岗前进行必要的专业技术培训，以确保正常运转。
7）一定程度的自动控制，降低劳动强度，尽量避免直接接触污水及有毒有害液体和气体。
8.2防火消防
厂区内所有建、构筑物均按二级耐火等级设计，其墙、柱、梁、板、楼梯等均采用非燃料体材料，在总图布置上各建筑物间按《建筑设计防火规范》要求，留有足够的防火间距。
厂内设环状交通道路，两个厂门同厂外道路连通，厂内外道路均满足消防车行驶要求。
按国家室外给水设计规范要求，厂内设置足够的室外消火栓。
消防给水管道同生产、生活给水管道共用，呈环状布置。
消防按同一时间内发生火灾一次考虑，室外消火栓用水量为15L/s。
变电室等相应配备干粉灭火器。
控制和防止电缆火灾蔓延，采取以下措施：
1）主要动力电缆敷设在地下电缆沟内。
2）电缆刷防火涂料。
3）电缆孔洞以耐火材料封堵。
4）道路环通，满足消防车的通行。
8.3节能
我国能源和水资源都十分紧张，因此在工程设计中考虑如何节约和有效的利用能源及资源是具有很重要的意义。
在本工程设计中，尽量使工艺布置及管线连接简捷，减少水力损失，选用效率在80%以上的水泵，减少耗电量。
第九章人员编制
通常的组织机构均设置生产管理科室、生产工段、辅助生产工段。
参照国家相关的规定，本工程定员3人。
第十章工程概算
12.1土建投资估算
表12-1土建投资估算表
序号
名称
有效容积（m3）
总容积（m3）
数量
估价（万元）
备注
1
泡粪池
--
12
1座
0.78
砼
2
沉砂池
---
21
1座
1.365
砼
3
计量加热池
---
21
1座
1.365
砼
4
水封池
---
6.7
1座
0.4355
砼
5
中间水池
---
11.7
1座
0.7605
砼
6
出料池
---
21.6
1座
1.404
防渗膜
7
沼液池
1404
1685
1座
7.5825
砖砌
8
沼气净化机房
36㎡
1座
3.6
砖砌
9
出料机房
36㎡
1座
2.34
砖砌
10
发电机房
20㎡
1座
2
砖砌
11
办公辅助用房
20㎡
1套
1.3
砼
12
厌氧罐基础
1座
7.5
砼
13
阀门井
1套
0.6
砖砌
14
厂
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