大型猪粪沼气发电工程规划设计方案.docx

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大型猪粪沼气发电工程规划设计方案

第一章概述1

第一节项目概况1

一、项目背景及意义1

二、项目性质2

三、地理位置2

四、自然资源2

五、工程地质、地震烈度及水文地质概况

六、当地气象条件

第二节设计依据、设计原则和设计范围2

一、设计依据3

二、设计原则3

三、设计范围4

第二章沼气工程项目设计条件和工艺方案5

第一节工程规模5

第二节可利用粪便资源5

第三节物料平衡和水量平衡

一、物料（TS）平衡计算

二、水量平衡

三、总平衡

第三章工艺流程设计6

第一节沼气工程工艺选择6

一、沼气工程工艺路线6

二、工艺流程说明7

第二节沼气净化与贮存工艺10

一、沼气净化工艺10

二、沼气储存工艺10

第三节热电联供沼气发电机配置11

一、热电联供发电机配置方案选择11

二、热电联供发电机能量转换计算12

第四章工艺单元设计与设备选型13

第一节预处理系统13

一、格栅集水池13

二、匀浆沉砂池13

第二节厌氧消化及后处理部分14

一、切割泵14

二、进料泵14

三、厌氧消化罐14

四、后发酵罐

五、沼液出水池

六、固液分离

七、沼液贮池

第三节沼气脱硫净化与沼气发电机组16

一、沼气净化系统16

二、沼气贮存系统16

三、沼气发电系统17

四、热水贮罐17

五、沼气锅炉18

第五章建筑、结构与电气设计19

第一节设计原则19

第二节建筑与结构设计19

一、工程地质情况19

二、主要构（建）筑物结构设计19

三、抗震设计21

第三节电气设计21

一、设计依据21

二、设计范围21

三、供电电源21

四、负荷计算22

五、供电系统22

六、保护方式23

七、启动方式23

八、计量方式23

第四节控制及仪表23

一、控制系统23

二、仪表24

第五节机械设备设计24

第六节总图设计24

一、平面布置原则24

二、功能区划分24

三、建筑单体设计25

四、道路25

五、绿化25

六、建筑物装修标准25

七、建筑防火25

八、高程设计26

九、给水26

十、排水26

十一、运输26

十二、通讯26

第六章消防、劳动生产保护与人员编制27

一、消防27

二、劳动保护和安全生产27

三、沼气站建设与环境保护27

四、沼气站对外部环境的影响28

五、人员编制28

第七章工程投资估算29

第一节编制说明29

一、估算范围29

二、估算原则29

第二节投资估算29

一、土建投资估算29

二、工艺设施投资估算31

三、设备投资估算31

四、其它投资32

五、总投资33

六、运营成本分析33

七、经济效益评价35

第八章建设期限和进度安排

第一章概述

第一节项目概况

一、项目背景及意义

日产鲜猪粪80t（含水率82%），利用猪场日产的鲜猪粪80t和污水为原料，通过大型沼气工程生产沼气。

沼气是一种优质的生物质能源，通过热电肥联产沼气发电工程的建设，能产生显著的经济效益，而且可以达到农业废弃物资源化的高效利用，开发可再生能源，提升农产品的品质，改善农村生态环境，促进农业产业化发展，增加农村剩余劳动力的就业机会，促进农业增效、农民增收和农村经济的可持续发展。

养猪场废弃物减量化、资源化、无害化处理有着广泛的发展前景和积极的社会效益、生态效益及经济效益。

沼气发电工程建成以后，具有以下效益：

（1）猪粪通过厌氧发酵，每天产生沼气5040m3/d，发电量为8000kWh/d，上网销售，电价按0.625元/kWh（含可再生能源发电上网补贴0.25元/kWh）计，每年可获得182万元的收入；

（2）热电联产沼气发电机产生的热能可用于冬季厌氧罐的增温，实现厌氧罐中温发酵，获得最佳的发酵效果；

（3）猪粪通过厌氧发酵后，每年可产生的沼渣、沼液，可作为高效有机肥料使用。

这样不但降低了直接用猪粪生产有机肥的生产成本，而且这种高效肥是具有防虫防病功能的高效有机肥，它不仅能使作物增产，还可获得环保型无公害农产品，提高农产品质量。

（4）每年可实现减排CO2当量约1.2万吨，可取得显著的环境效益。

应用热电联产的沼气发电技术对养猪场的鸡粪废弃物进行资源化开发和多层次利用，既制取了优质气体能源，又开发了优质有机肥料，同时减排温室气体，治理了污染，净化了环境。

通过沼气这个纽带，多层次循环利用有机物资源，把养殖业、种植业和加工业各项生产中的能量转换和物质循环有机结合起来，提高了能源和资源的利用率，使畜禽与饲料、燃料与粪便、作物与肥料在微生物作用下，形成协调、转化、再生、增殖的良性循环，从而建立起以沼气为纽带的良性生态循环，为大型畜禽养殖业的污染物治理与可再生能源的开发利用树立一个良好的示范工程。

二、项目性质

热电肥联产的大型沼气发电示范工程

三、地理位置

云南

四、自然资源

1、气候资源

云南地处低纬地区，全年太阳光热较多；云南位于欧亚大陆东南部，地理位置特殊，西北面是“世界屋脊”青藏高原，南近辽阔的海洋，季风气候极为明显，冬季受干燥的大陆季风控制，云南夏季盛行湿润的海洋季风；加上错综复杂的高原地形地貌，从而形成了特殊的高原季风气候，呈现出气候类型的多样性。

云南有的地区长冬无夏，春秋较短；云南有的地区终年如夏，一雨成秋；云南不少地区则四季如春，一雨成冬。

云南的这种低纬、季风、山原三种类型兼具的气候，其共同特征是：

第一，年温差小，日温差大。

云南地处低纬度高原，空气稀薄、干燥，云南各地太阳光热的多少除随太阳高度角的变化而增减外，也受云雨的影响。

夏季，阴雨天多，太阳光被云遮蔽，所以温度不高，云南最热天平均温度在19C－2－22C左右。

冬季，受干暖气流控制，晴天多，日照充足，温度较高，最冷月均温度在6C－8C以上。

云南年温差一般只有10C－15C。

而从一天温度变化来看，早晚较凉，中午较热，尤其冬、春两季，云南日温差可达12C－20C，尤其阴雨天气温较低。

第二，云南降水充沛，干湿分明，分布不均。

云南全省大部分地区年降水量在1100毫米，但由于冬夏两季受不同大气环流的控制和影响，云南降水量在季节上和地域上分配极不均匀。

就季节而言，85％的雨量集中在5－10月间的雨季，尤以6－8三个月降水量最多，约占全年降水量的60％。

11月至次年4月为旱季，此时天晴日暖，雨雪很少，风高物燥，降水量只占全年的15％，云南常有春旱出现。

在地域分布上，云南年降水量最多的可达2200毫米－2700毫米，如云南江城、金平、西盟等地；最少的仅有584．1毫米，如云南宾川。

就是在较小范围，由于海拔高度的变化，降水分布也不均匀。

第三，云南气候垂直变化十分明显。

由于水平方向上的纬度增加与垂直方向上的海拔增高相吻合，因此云南全省垂直方向上1公里的气温变化，云南相当于全国水平方向上1400公里－2500公里的变化，这使云南8个纬度间的温度差异，相当于从海南岛至长春之间的年均温差，呈现出热、温、寒三带多样气候。

同时，云南不少地区山高谷深，垂直高差显著，因此从河谷至山顶存在着因高度上升而产生的气候类型差异。

云南一般高度上升100米，温度即降低0．6C左右。

“一山分四季，十里不同天”，“山腰百花山顶雪，河谷炎热穿单衣”，就是这种立体气候的生动写照，而在海拔1500米－2000米的云南广大地区，则又呈现“四季如春，一雨成冬”的气候特征。

第四，云南无霜期长。

比较寒冷的云南省迪庆、昭通，云南无霜期也有210天－220天，云南南部边境各县则全年无霜，云南滇中昆明、玉溪、楚雄等地约250天，云南其他地州无霜期均在250天－330天之间。

此外，云南光照条件也较好，仅次于西藏、青海、内蒙等省区。

第二节设计依据、设计原则和设计范围

一、设计依据

1、《大型沼气工程项目可行性研究报告》

2、《中华人民共和国固体废物污染环境保护防治法》（环发[1999]214号））

3、《建筑设计防火规范》（GBJ16-2001）

4、《生物有机肥标准》农业部2005年1月

5、《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）

6、《全国畜禽养殖业大中型沼气工程设计规范》农业部2005年

7、《中华人民共和国可再生能源法》2006年1月

8、《中华人民共和国畜牧法》2006年7月

9、《德国沼气工程技术指南》

10、丹麦《厌氧沼气发酵过程应用经验》

二、设计原则

在养殖基地总体规划和沼气工程的可行性方案指导下，依据保护和改善环境、防止和减少污染，改善基地周边生态环境和环境效益、社会效益、经济效益兼顾的原则，在设计中将能源开发与资源的回收利用有机的结合起来，实现“电、热、肥”三联产。

同时，必须做到以下几个方面：

1、资源化原则

畜禽粪污是一种有价值的宝贵资源，充分利用畜禽粪污资源是污染防治的重要原则。

畜禽粪污经处理后，可以产出再生能源（沼气、电能、热能）、有机肥，具有较好的经济价值。

2、生态化原则

遵循循环经济指导思想，依据物质循环、能量流动的生态学基本原理，强化种养平衡，促进种植业与养殖业结合，实现生态系统的良性循环。

3、综合效益原则

兼顾环境效益、社会效益、经济效益，将治理污染与资源开发有机结合起来，使畜禽粪污治理工程产出大于投入，提高沼气工程的综合效益。

4、可靠性原则

遵循技术先进、工艺成熟、质量可靠的原则，在设计中引进国内外先进的工艺和设备，使工程达到国际先进水平。

5、管理简便原则

合理处理人工操作和自动控制的关系，对不便人工操作，且人工成本较高的工艺，采用自动化技术，提高系统运行管理水平。

三、设计范围

整个方案以厌氧消化为技术核心，结合其它工艺技术的“循环经济”模式，其内容主要包括：

1.预处理系统

2.高浓度高效厌氧消化系统

3.沼液沼渣后处理系统

4.沼气净化和贮存系统

5.余热利用系统（按规定沼气发电应由电力设计部门专业设计）

6.配套建筑物、构筑物等

第二章沼气工程项目设计条件和工艺方案

第一节工程规模

日产鲜粪便80t/d（TS含量18%）。

第二节可利用粪便资源

猪粪量：

80t/d

干物质量：

80t/dxTS18%=14.4t/d

按每t干物质（TS）产气350m3计算，则每天产沼气量为：

14.4x350=5040m3。

猪粪收集后，进入匀浆池调配成TS8%的粪污，因此，调配水的需要量为：

14.4/8%-80=100t/d。

这部分调配水主要来自养殖场冲洗水。

总的混合粪污量为180t/d。

第三章工艺流程设计

第一节沼气工程工艺选择

一、沼气工程工艺路线

本沼气工程工艺路线如图3-1所示。

图3-1养殖基地沼气工程工艺流程

二、工艺流程说明

1、预处理工艺

（1）猪粪的收集和运输

养殖基地内猪粪便采用管道运输；

养殖基地种猪粪便，采用机动车运输到沼气站。

采用8小时工作制。

（2）水解匀浆池

收集的猪粪进入水解匀浆池。

用冲洗水调配成TS为8%的混合猪粪污水。

水解匀浆池底部沉砂定期清除，外运。

2、厌氧消化工艺

（1）厌氧消化反应器类型描述

本项目采用完全混合厌氧反应器（CSTR）。

完全混合厌氧反应器（CSTR）适用于畜禽粪污发酵工艺。

它在沼气发酵罐内采用搅拌和加温技术，这是沼气发酵工艺中的一项重要技术突破。

搅拌加强了罐内发酵原料与微生物的充分接触，提高了装置产气率。

加热措施使厌氧罐内温度维持在微生物适宜的温度，保证了厌氧罐冬季的正常稳定运行。

搅拌和加热，使沼气发酵速率大大提高，完全混合式厌氧反应器也被称为高速沼气发酵罐。

其特点是：

固体浓度高，TS8~12%，可使畜禽粪便污水全部进行沼气发酵处理。

优点是处理量大，产沼气量多，便于管理，易启动，运行费用低。

一般适宜于以产沼气为主，周围有蔬菜、果园、农田等消纳使用液态有机肥的地区。

由于这种工艺适宜处理含悬浮物高的畜禽粪污和有机废弃物，具有其他高效沼气发酵工艺无可比拟的优点，现在欧洲等沼气工程发达地区广泛采用。

（2）厌氧发酵温度的选择

从温度上来分，厌氧发酵分为高温发酵，中温发酵和低温发酵，此外，还有常温发酵等。

温度对厌氧发酵的影响如图3-2所示。

本项目选用中温厌氧消化工艺来处理猪粪产沼气，基于以下两方面的考虑：

a.中温发酵（35~38℃）可使厌氧发酵产气效率处于较高水平，而且所需要的增温量相对较少，可减少沼气工程自身的热量消耗，节省发电机组余热。

b.本项目沼气工程所用原料为猪粪，氨含量较高。

游离氨对厌氧发酵有抑制作用。

游离氨的浓度取决于发酵液中总的氨氮浓度、温度和pH的影响，如图3-3所示。

由图3-3可以看出，在同样pH条件下，高温条件（55℃）下游离氨的比例比中温条件（37℃）下游离氨的比例要高。

如在pH7.5时，高温条件下（55℃）游离氨的比例为10%左右，而中温条件（37℃）下游离氨的比例为5%。

在总氨氮浓度相同的条件下，中温发酵的游离氨浓度较高温发酵的游离氨要低。

因此，本项目采用中温发酵工艺来降低厌氧氨抑制，不采用沼液回用，使厌氧发酵稳定可靠运行。

（3）厌氧反应器结构形式

本项目厌氧罐采用钢结构。

（4）厌氧罐搅拌形式

本项目厌氧罐搅拌采用中心顶搅拌，该搅拌方式的特点是：

a.节省电能。

采用中心顶搅拌，每座罐只需要安装1台功率为11kW的搅拌机。

b.采用上下两层桨叶。

下层桨叶使发酵液混合均匀，上层桨叶位于液面下0.5m处，用于防止结壳。

c.发酵罐顶采用不锈钢材料，用工字钢、槽钢支架构成的安装平台，具有足够的强度在其上安装搅拌机。

搅拌机与厌氧罐顶连接处采用特殊的机械密封装置，确保沼气不渗漏。

为保证罐顶搅拌的稳定可靠，设置罐壁槽钢支柱和罐顶槽钢网架。

d.搅拌机间歇运行，每天工作时间12h。

3、沼液、沼渣后处理工艺

厌氧发酵后的沼渣可运往有机肥厂生产有机肥，沼液排入沼液池贮存，用作周围葡萄、果园、农田等液态有机肥。

第二节沼气净化与贮存工艺

一、沼气净化工艺

厌氧发酵罐刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有气体燃料CH4和CO2外，还含有H2S和悬浮的颗粒状杂质。

H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。

过量的H2S和杂质会危及发电机组的寿命，因此需进行脱硫、气水分离等净化处理，其中沼气的脱硫是其主要问题。

对于猪粪废水产生的沼气，其中H2S气体含量很高，沼气的脱硫净化处理是必须的。

本工程拟采用生物脱硫的方法对沼气进行脱硫处理。

生物脱硫法是利用无色硫细菌，如氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等，在微氧条件下将H2S氧化成单质硫或亚硫酸。

这种脱硫方法已在欧洲广泛使用，在国内某些工程已有采用，其优点是：

不需要催化剂、不需处理化学污泥，产生很少生物污泥、耗能低、可回收单质硫、去除效率高。

H2S去除率可达90%以上。

2H2S+O2→2H2O+2S

2H2S+3O2→2H2SO3

厌氧罐中输出的含饱和水蒸气的沼气经过生物脱硫塔、气水分离器和凝水器等专用设备净化处理后贮存在贮气柜中。

二、沼气储存工艺

本工程选择利浦干式贮气柜贮存沼气。

利浦干式沼气贮气柜由利浦罐外壳和内层膜组成，外层利浦罐为金属保护壳，内层膜与底部围成内腔以贮存沼气。

利浦干式气柜利用配种块自动调节和控制沼气的贮存量，不用任何动力设备。

第三节热电联供沼气发电机配置

一、热电联供发电机配置方案选择

本工程选择沼气全部发电上网。

由猪粪污水厌氧消化处理后所产生的沼气是一种优质的生物气体能源。

在标准状态下（0℃，101.325kPa），每立方米沼气可产生热量约为5500kcal（23.1MJ），理论上相当于电量6.4kWh（1kWh=3.6MJ）。

采用国产沼气发电机组，其电效率为30%，热效率为40%，总效率可达70%以上，如图3-4所示。

沼气发电机组所发出的电力上网销售。

余热回收换热器回收的余热可以用于物料的增温。

本工程项目中沼气发电机组采用热电联供纯沼气发电机组，发电机组由沼气发电机组本体部分，余热回收换热器等系统组成。

从能源综合利用效率和性价比方面考虑，建议选择2台200kW国产沼气发电机组。

二、热电联供发电机能量转换计算

本工程设处理粪污量为180m3/d，含固率8%，经中温厌氧消化可日产沼气5040m3。

采用热电联供沼气发电机组，进行热电联产。

电能全部并入外部电网上网销售。

机组产生的余热作为热源，冬季用于厌氧罐的增温。

1、电能转换计算

该系统每天产沼气5040m3。

按国产发电机组实际运行发电转换率计算，每m3沼气可产生电能1.6kWh，则每天可发电总量为：

5040×1.6=8064kWh

2、热能转换计算

发电机组每天可利用热能总量为：

8064×40%/30%×3.6=38707MJ，换成大卡计算热量，38/4.2×1000=1.646×107kcal

3、热能供需平衡计算

物料增温是中温厌氧消化的重要条件，为保证消化池在38℃条件下正常运行，需要对物料进行升温。

每天有100t鸡粪，需要配制成200t10%含固率反应物料，需补充100t水。

根据当地气温情况，最冷月份鸡粪温度取5℃，污水温度取5℃。

假设粪水比热容和清水相当，并考虑到热损失，将上述物料增温至40℃，则需要热量为：

200×1000×（40-5）=0.7×107kcal

该部分热量可由发电机余热供给。

考虑换热效率为80%，在冬季最冷月份，总余热量的70%将用于沼气工程自身的增温。

其余部分可用于其它供热。

第四章工艺单元设计与设备选型

第一节预处理系统

一、格栅集水池

功能：

收集鸡舍的冲洗水等，并去除污水中的杂质等。

容积：

200m3

结构：

地下钢混结构，加盖

池前设机械格栅

型号：

GSHZ-600

电机功率：

1.1kW

数量：

1套

池内设潜污泵

功能：

将集水池内污水输送至匀浆沉砂池或后发酵池

型号：

WQ45-18-5.5

流量：

45m3/d

扬程：

18m

功率：

5.5kW

数量：

2台，1用1备

二、水解匀浆池

功能：

稀释鸡粪至TS浓度10%，混合均匀，水解除砂。

容积：

300m3×2座

尺寸：

Φ10m×4m

结构：

地下钢混结构，加盖，进料口位于预处理间室内。

池体采用挤塑保温板保温。

集水池来水管道安装螺旋板式换热器，进行料液预热。

采用两级串联方式运行。

侧入式搅拌机

功能：

将池内粪污充分混合均匀

型号：

非标

功率：

7.5kW

数量：

每座池1台

螺旋除砂器

功能：

定期将匀浆池底部沉砂排出

型号：

WLS320-8500

功率：

5.5kW

数量：

1台，安装于一级池内

第二节厌氧消化及后处理部分

一、切割泵

功能：

切割鸡毛和杂物

型号：

M—OVAS（R）/70—3.0/NC

流量：

40m3/h

功率：

3kW

数量：

共2台，1用1备，在进料泵前置安装

二、进料泵

功能：

向厌氧发酵罐进料

型号：

NM075BY01L06V（

流量：

20m3/h

扬程：

40m

功率：

7.5kW

数量：

共2台，1用1备

三、厌氧消化罐

功能：

厌氧消化反应器

容积：

2500m3×3座

尺寸：

Φ15m×15m

结构：

钢结构。

罐顶、上部气室等与沼气接触的部分，采用不锈钢材料制作。

其余部分采用镀锌钢板防腐制作。

罐顶部倾角为20°。

罐底部有排渣斗。

停留时间：

37d

发酵温度：

中温38℃

容积产气率：

1.07m3/m3·d

厌氧罐搅拌器

功能：

对发酵液进行搅拌，加强发酵液与微生物的充分接触，提高产气率。

安装方式：

罐顶安装

功率：

11kW

转速：

18rpm

数量：

3台，每座罐1台

厌氧罐回流泵（兼排砂泵应用）

型号：

NM063BY01L06V

流量：

20m3/h

扬程：

15m

功率：

5.5kW

数量：

3台，每座罐1台

四、沼液暂存池

功能：

厌氧发酵后的料液在此贮存、可用于装车外运，上清液自流至地面沼液贮池

容积：

1600m3

尺寸：

Φ14m×11m

结构：

钢结构

停留时间：

8d

五、沼液贮池

功能：

配合施肥季节而采用的大型沼液贮存池，沼液可用作周边果园、葡萄、农田等的液态肥料

容积：

20000m3（可采用原有池塘改建）

停留时间：

100d

第三节沼气脱硫净化与沼气发电机组

一、沼气净化系统

（1）生物脱硫

功能：

采用生物方法去除沼气中的H2S，

型号：

STS-2000

处理量：

400m3/h

脱硫效率：

85%

功率：

5.5kW

数量：

1座

（2）冷却除水器

功能：

冷凝脱水

数量：

1套

（3）沼气成分检测仪

型号：

BIOGAS-905

检测项目：

CH4、H2S、O2、CO2

数量：

1套

（4）沼气流量计

型号：

JLQD-150/350

流量：

350m3/h

数量：

1台

二、沼气贮存系统

双膜干式贮气柜

功能：

贮存净化后的沼气

容积：

1000m3

尺寸：

Φ12.9m×10.2m

结构：

球形

配套设备有：

防爆风机1台，用于提供贮气柜压力；

安全水封1座；

进/出水管和冷凝水排水管（混凝土施工时预埋）

超声波测距仪1台，安装于外膜顶内侧，用于测量内膜高度以判断当前贮气量；

视镜1个，安装于外膜上，观察贮气柜内部。

防泄漏装置：

当贮气柜内沼气贮满时，能将多余沼气送至沼气锅炉，自动点火燃烧。

可有效防止沼气泄漏。

配用功率：

3KW

三、沼气发电系统

功能：

以沼气为燃料发电，实现热电联产。

每m3沼气发电能力：

1.8kWh/m3沼气

发电机组每日发电时间：

14h

装机容量：

500kW×2台

日发电量：

14000kWh

数量：

2台

四、热水贮罐

功能：

沼气发电机组余热以90℃热水形式贮存在热水贮罐上部，以供使用，使用后60℃热水返回热水贮罐下部，再泵入沼气发电机组换热，循环使用。

容积：

200m3

尺寸：

Φ5m×12m

结构：

地上钢结构，整个罐体采用挤塑聚苯乙烯材料保温

至厌氧罐循环水泵

功能：

热水循环

型号：

80HGR50-25

流量：

50m3/h

扬程：

25m

功率：

3kW

数量：

共3台

至发电机组循环水泵

功能：

热水循环

型号：

100HGR100-25

流量：

100m3/h

扬程：

25m

功率：

5.5kW

数量：

共1台

五、沼气锅炉

功能：

当沼气发电机故障检修时，防止多余沼气泄漏，用于燃烧沼气并回收热能供生产用。

有效确保沼气不外漏。

蒸发量：

1t/h

数量：

1台

第五章建筑、结构与电气设计

第一节设计原则

1．根据工艺流程的要求，在满足站内工艺要求、交通运输、环保、防火等前提下，使建筑物、构筑物、道路、绿化有机地结合在一起。

2．注重环境保护，使养殖场鸡粪处理沼气发电工程成为环境优美的示范项目。

第二节建筑与结构设计

一、工程地质情况

本沼气发电工程项目的主要构筑物厌氧发酵罐的体积较大，对不均匀沉降极为敏感，在地基处理当中要选择合适的持力层（>150kPa）。

同时避免不均匀沉降及其它不利因素。

最终以钻探地质报告为准。

当场地空间开阔时，基坑可以按一定坡度进行放