沼气毕业设计正文 1.docx
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沼气毕业设计正文1
设计总说明
随着我国的国民经济持续快速的发展，一些能源消耗呈现快速增长的势头，使总能源需求明显扩大、价格也不断上升，局部地区出现了能源供应紧张情况。
如今我国也已经成为煤炭世界第一消费大国，是继美国之后的第二石油和电力消费大国，但我国石油储量仅是世界的2%。
随着我国经济的快速持续发展，对能源的需求量也呈逐年递增的趋势，所以面临能源供应的压力也在不断增加。
在这种形势下，加大沼气等生物能源的开发利用已经成为缓解我国的能源供应压力的一个重要途径。
沼气作为可再生清洁能源，既可以替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。
发展沼气目前是我国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。
沼气是有机物质在厌氧的环境下，在一定的温度、湿度、酸碱度条件下，通过微生物的发酵作用，产生的一种可燃性气体。
本次设计中以500头奶牛牛粪作为沼气发酵原料，重点对沼气发酵池，即UASB反应器做重要设计，其中主要包括布水装置、三相分离器结构设计，从环保循环利用的方面考虑，需对生成的沼气进行进一步处理，如脱水、脱硫处理等。
还有对从UASB反应器流出的沼液以及沼渣经过简易的曝气池、沉淀池处理，防止造成污染，另一方面可利用最终沼渣、沼液作为农肥，其具有营养成分多样性及均衡性、增强土壤肥力、环保性等优点。
最后还对各处理单元的结构、平面布置和高程布置进行了设计。
采用AutoCAD绘图工具进行工程图纸的绘制，以及对主要流程平面图进行绘制。
本次设计的目的是为了了解沼气技术的原理以及过程，实现以牛粪作为沼气发酵原料生产沼气，同时缓解我国能源供应压力。
通过此次设计巩固所学的专业理论知识，掌握厌氧装置的设计、污水处理工艺及各个构筑物的设计技术，熟练设计过程和规范要求，从而为将来的实际工程的应用打下坚实的基础。
关键词：
沼气发酵；沼气净化；UASB反应器；环保
DesignInstruction
Withthecontinuedrapidgrowthofournationaleconomy,someoftheenergyconsumptionofindustryshowsrapidgrowth,significantlyexpandingthetotalenergyusingpriceisrisinginsomeareasoftheenergysupplysituation.NowChinahasbecometheworld'slargestconsumerofcoalcountry,thesecondaftertheUnitedStatesoilandelectricityconsumer,butChinaistheworld'soilreserves,only2%.WithChina'ssustainedandrapideconomicdevelopment,energydemandalsoshowedanincreasingtrendyearbyyear,sopressureisalsofacingincreasingenergysupply.Undersuchcircumstances,increasedmethanedevelopmentandutilizationofbiomassenergyhasbecomearelievethepressureofChina'senergysupplyisanimportantway.
Biogasasarenewablecleanenergy,canreplacestraw,firewoodandothertraditionalbiomassenergy,itcanreplacecoalandotherenergycommodities,andenergyefficientthanstraw,firewoodandcoal.China'senergystrategyforthedevelopmentofbiogasisanimportantcomponentoftheincreasethequalityofenergysupplyandeasepressureonthenationalenergyofgreatpracticalsignificance.Biogasisorganicmatterintheanaerobicenvironment,inacertaintemperature,humidity,pHconditions,bymicrobialfermentationtoproduceacombustiblegas.
Thedesignofa500cowdungasthemethanefermentationofrawmaterials,focusingonthemethanefermentationtank,thatisimportanttodoUASBreactordesign,whichincludeswaterdistributioninstallations,three-phaseseparatordesign,fromenvironmentalconsiderationsrecyclingrequiredtogeneratebiogasforfurtherprocessing,suchasdehydration,desulfurizingprocess.UASBreactoralsoflowfromtheslurryandbiogasresiduethroughsimpleaerationtank,settlingtanktreatment,preventionofpollution,ontheotherhandcanusethefinalresidue,biogasslurryasagriculturalfertilizer,whichhasadiversityandnutritionbalance,enhancesoilfertility,environmentalprotectionandsoon.Finally,thestructureofeachprocessingunit,layoutandelevationlayoutofthedesign.AutoCADdrawingusingthedrawingtoolstoengineeringdrawings,andplanstodrawonthekeyprocesses.
Thepurposeofthisdesignistounderstandtheprincipleandprocessofbiogastechnology,therealizationofcowdungusedasrawmaterialstoproducemethanebiogas,whilealleviatingpressureonChina'senergysupply.Designedtoconsolidatewhattheyhavelearnedthroughtheprofessionaltheoreticalknowledgeandmasterthedesignoftheanaerobicplant,sewagetreatmentprocessandthevariousstructuresofthedesigntechnology,skilleddesignprocessandregulatoryrequirements,andthusforthefutureapplicationofpracticalengineeringandlayasolidfoundation.朗读
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字典
Keywords：
GasFerment;GasPurification;UASBreactor;Environmental
目录
设计总说明I
DesignInstructionII
目录IV
1前言1
1.1沼气技术发展现状1
1.1.1我国沼气技术发展历程1
1.1.2国外沼气技术进展1
1.2沼气技术在促进社会发展中的作用2
1.2.1缓解我国化石能源供应压力2
1.2.2改善农民生活环境及卫生条件2
1.2.3控制局部地区环境污染2
1.2.4促进农业生态环境的改善3
1.2.5促进新农村建设3
2沼气工程基础设计分析4
2.1沼气的基本知识4
2.1.1沼气的发酵原理4
2.1.2沼气的主要成分4
2.1.3沼气的性质4
2.2沼气发酵原料5
2.3沼气发酵原料预处理5
3沼气池的设计计算6
3.1基本参数的确定6
3.1.1总设计流程6
3.1.2设计参数6
3.2UASB反应器基础设计7
3.2.1基本参数7
3.2.2UASB反应器结构简介9
3.3UASB反应器的设计计算12
3.3.1设计参数12
3.3.2UASB反应器容积及主要工艺尺寸的确定12
3.3.3UASB反应器排泥系统设计计算18
3.3.4UASB反应器产气量设计计算18
4沼气的净化设计19
4.1沼气脱水工艺19
4.2沼气脱硫工艺及装置19
5沼渣处理工艺22
5.1沼渣处理工艺流程图22
5.2曝气池简易设计22
5.3二沉池22
5.4农肥利用23
6管道设计计算24
7总体布局25
7.1平面布置25
7.1.1沼气布线的管道规则25
7.1.2附属建筑物25
7.2高程布置26
8沼气工程技术经济评价27
8.1工程投资估算27
8.2运行成本估算27
结论28
参考文献29
致谢31
1前言
1.1沼气技术发展现状
1.1.1我国沼气技术发展历程
沼气在我国应用已有一个多世纪的历史，其发展历程大体上可以分为四个阶段，即：
20世纪30年代、50年代、70年代、80年代至今[1]。
我国真正意义上沼气的研究和推广始于20世纪30年代，更深层次的认识和更大范围应用始于20世纪80年代，我国于1982年建成的成都凤凰山畜牧园艺场沼气工程是我国最早的农场大型沼气工程[2]，该工程由农业部沼气科学研究所设计。
工程日处理1000头奶牛粪污，装置总容积4×300m3隧道式，中温发酵，平均池容产气率0.765m3·m-3d-1。
我国沼气的发展主要有以下几个特点：
（1）有可靠的技术保障，农业部组织成立了专门的研究机构，1980年组织成立了中国沼气学会，经过广大的科技工作者的努力，在沼气发酵微生物学原理和沼气发酵工艺方面取得了重要进展。
（2）沼气池的池型和沼气发酵原料有了嗯大的发展和变化。
在传统圆筒型沼气池的基础上，研究出许多高效实用的池型。
沼气发酵原料的方面实现了秸秆向牲畜粪便的转变，从而解决了利用秸秆作为原料存在的出料难，易结壳难题。
（3）沼气技术利用途径实现了重大的转变，由以前的单一制取能源向改善农村的环境、保护生态环境、发展生态农业等多元化利用转变，尤其是在生态农业方面的独特作用，更是近年来这一技术得已到重视和推广的重要原因。
据2002年有关统计,全国大中型规模奶牛场沼气工程已经达到101处,近年来又有一定发展[3]。
另一方面近年来以沼气为纽带的各种农业生态工程技术模式得到快速发展，并且产生了良好的效果。
可以说，目前沼气技术已经成为我国生态农业发展重要技术支撑之一。
1.1.2国外沼气技术进展
欧洲是目前农场沼气工程技术最发达、推广数量最多,技术最成熟的地区[4、5]。
欧洲沼气工程数量较多的国家是德国、丹麦和英国。
在美国的弗罗里达州有一处500头奶牛场粪污沼气处理工程[6],455m3厌氧滤器、进料浓度大约为1%,HRT≤3d,COD去除率≥50%。
加拿大近年来也建造了处理几千头牛粪污的大型全混合沼气发酵装置[7,8]。
1776年意大利物理学家沃尔塔认为沼气与湖泊沉积物中植物体腐烂有关,并对沼气成分进行了分析,1860年法国科学家穆拉发明人工沼气发生器,1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池,这是现代大、中型沼气发生装置的原型[9]。
印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家,已经建成近300万口户用沼气装置[10]，此外还实施了一大批大中型沼气工程。
印度的户用沼气装置主要用作生产农村能源,以牛粪为主要原料,沼渣沼液用作有机农肥。
此外，20世纪50年代末，尼泊尔首次引入沼气，如今成千上万的家庭都在使用沼气。
这种低科技生物燃料能使像尼泊尔这样的贫困发展中国家，也为抵制全球变暖出一分力。
而且，在农村地区使用沼气还能使各国交易二氧化碳排放权。
尼泊尔的经验证明了交易权的价格是很具竞争力的。
在尼泊尔，沼气设备是低科技的简单设备：
即存储牛粪的圆槽。
该设备多建于房屋附近，以便产生的气体通过管道输送到厨房。
将近85%的尼泊尔人生活在农村地区，农村人口大约为2千7百万。
其中95%的农村人口使用诸如木材和农业废料等传统的，收成不稳定的燃料。
1.2沼气技术在促进社会发展中的作用
1.2.1缓解我国化石能源供应压力
能源是各国国民经济的基础，其直接影响着经济发展的速度和国家的安全。
随着我国的国民经济持续快速的发展，一些能源消耗行业呈现出快速增长的势头，使能源的总需求明显扩大、价格也不断上升，局部地区甚至出现了能源供应紧张的情况。
沼气作为可再生清洁能源，其既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品的能源，而且其能源效率明显高于秸秆、薪柴等。
目前发展沼气是我国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力都具有重大的现实意义。
1.2.2改善农民生活环境及卫生条件
2004年世界卫生组织和联合国开发的计划署公布数据显示，发展中国家每年约有160万人因炊烟引发的疾病死亡。
发展户用沼气，可以使牲畜进圈、粪进池、沼渣沼液进地，进而显著改善了农民的居住环境和卫生状况。
可以说沼气的使用总体上提高了身体健康水平和生活质量。
1.2.3控制局部地区环境污染
目前，我国许多地区养殖业排放的高浓度有机废水对环境造成的污染已经成为影响当地环境质量的重要因素。
畜禽养殖场污水中含有大量的污染物质，例如猪粪尿和牛粪尿混合排出物的COD值分别高达81000mg/L和36000mg/L,蛋鸡场冲洗废水的COD为43000~77000mg/L，对部分大型养殖场排出废水的检测结果，COD超标50~70倍，BOD超标70~80倍，悬浮固体超标12~20倍，如不加以控制，任由这些高浓度畜禽有机污水排入江河湖泊，势必会造成水质不断恶化。
通过养殖场沼气工程建设，在产出清洁的燃料同时，还可以使养殖场粪污达标排放，从而可显著改善当时的环境质量。
1.2.4促进农业生态环境的改善
在促进农业生态环境改善方面，沼气技术可发挥以下几个方面功能：
（1）保护森林资源，减少水土流失。
（2）生产有机肥和杀虫剂，降低农药和化肥污染。
（3）无害化处理畜禽粪便和生活污水，防治农村面源污染。
养殖粪便污水经过沼气发酵处理，显著降低了废水中有机质含量，改善排放废水的水质，如果再对其加以综合利用则会产生更好的环保效果。
1.2.5促进新农村建设
沼气技术在农村推广利用可以为新农村建设的目标实现提供有力的支持，进而为提高农民的生活质量提供了必要的经济保障，从而增加农民收入，使受益农户获得更大的利益，使农村面貌得到更大的改善。
本次设计将了解我国沼气技术的基础，沼气池的设计、施工及运行管理，沼气能源的利用，巩固所学理论知识，掌握沼气工艺设计流程，熟练过程及要求，为将来实践打好基础。
2沼气工程基础设计分析
2.1沼气的基本知识
2.1.1沼气的发酵原理
沼气发酵的过程实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的一个生理反应。
沼气发酵的过程一般可分为3个阶段。
第一阶段是液化阶段，通过微生物对有机物进行体外的酶解，把固体有机物转变为可溶于水的物质。
第二阶段是产酸阶段，上述的水解产物进入微生物细胞后，在胞内酶作用下，进一步将它们分解成小分子化合物。
第三阶段是产甲烷阶段。
甲烷二氧化碳
图2.1沼气发酵过程
2.1.2沼气的主要成分
沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体,由于这种气体通常产生于沼泽地和池沼中,因此称为沼气[11]。
沼气同时是一种可燃性混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢（H2S）、氮、氢气、氧气、氨及其他一些成分。
沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃的成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。
在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为0.034%。
2.1.3沼气的性质
沼气是一种无色、有味、有毒、有臭味的气体，其主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。
甲烷分子式是CH4，是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。
甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。
甲烷的溶解度很少，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。
甲烷为简单的有机化合物，是一种优质的气体燃料。
燃烧时火焰呈蓝色，最高温度可达到1400℃左右。
纯甲烷每立方米发热量约为36.8千焦。
沼气每立方米的发热量约23.4千焦，这相当于0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出来的热量。
从热效率分析，每立方米沼气能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤能利用的热量。
2.2沼气发酵原料
每吨干牛粪、鸡粪和猪粪（中温发酵）分别可产生沼气约300m3,490m3和420m3[12]。
沼气的热值为18017~25140KJm-3,相当于1kg原煤或0.74kg标准煤所产的热量[13]。
因此,利用畜禽粪便生产清洁能源,对于保护环境和发展可再生能源都有着重要的意义。
沼气发酵的原料既是生产沼气的物质基础，又是沼气微生物进行正常生命活动所需的营养和能量的物质来源。
为了保证沼气发酵过程中有充足而稳定的发酵原料，同时使池内发酵既不结壳，又容易进料和出料，达到管理方便，产气率高的目的，须认真选择好沼气发酵原料。
本设计采用500头奶牛粪便作为发酵原料。
表2.1常用发酵原理总固体含量（近似值）%
发酵原料
总固体含量
水分含量
猪粪
18
82
牛粪
17
83
猪尿
0.4
99.6
牛尿
0.6
99.4
经调查，奶牛的日排粪量为34kg，日排尿量为34kg，年排粪量为12410kg，产沼气量为208~370
.
2.3沼气发酵原料预处理
一般沼气池发酵浓度的变化范围为6%~10%为宜，夏季浓度6%~10%为宜，低温季节浓度则10%~12%为佳。
一般的厌氧发酵所需的碳氮比25～30[14]。
动物粪便属富氮性原料，其C/N<25/1，粪便类原料颗粒较细，含有较多的低分子化合物，原料分解产气速度较快，则不必进行多余预处理。
本设计中500头奶牛的牛粪经过刮粪板进入集粪池先暂时短期贮存，由于鲜牛粪的C/N比即为25/1，所以不用加料。
3沼气池的设计计算
3.1基本参数的确定
3.1.1总设计流程
图3.1总工艺流程图
3.1.2设计参数
奶牛场粪尿和污水量的确定：
奶牛场排放粪尿与污水包括以下4个部分：
牛粪尿、牛圈冲洗水、挤奶消毒水、牛奶桶清洗水。
一头体重600kg奶牛的日排粪量为20kg，排尿量为34kg，养牛场冲洗水量每头每天为500~800L。
奶牛粪尿的组分如下表所示。
表3.1奶牛粪尿的组分
成分
BOD
/（mg/L）
TSS
/（mg/L）
TN
/（mg/L）
P2O5
/（mg/L）
K2O
/（mg/L）
pH
牛粪
24500
119000
9430
4400
1500
7.2~8.2
牛尿
4000
5000
8340
40
18900
7.2~8.2
3.2UASB反应器基础设计
3.2.1基本参数
UASB反应器由于其结构简单、容易管理、负荷较高、产气量大、出水水质
好等优点得到广泛应用[15]。
UASB设计涉及多个方面因素，包括池容的确定和结构设计。
图3.2UASB结构示意图
⑴废水的水质
废水成分对反应器内污泥的颗粒化有多方面影响，并能引起泡沫以及浮渣层的形成，处理含有高蛋白质和脂肪的废水时更易出现这些问题。
在UASB设计时，废水当中颗粒物与溶解性COD的含量比值是需要重点考虑的因素，同时也是决定是否采用UASB工艺的决定性因素。
⑵反应器容积负荷
UASB反应器在30~35℃的条件下处理废水，当容积负荷在20KgCOD/（m3·d）时，COD去除率可达90%~95%，HRT可以降低到4~8小时。
当要求COD去除率低于90%时，且出水高TSS含量可以接受，则可以采用更高的水力上升流速，使反应器内形成密度更大的颗粒污泥，从而使反应器容积的负荷可以进一步提高。
⑶水力上升流速
水力上升流速是UASB的一个重要设计参数，其主要取决于反应器的进水流量和反应器水平截面积。
水力上升流速设计推荐值见表。
在处理COD完全可溶或部分可溶的废水时，表面水力流速可分别允许出现短时间6m/h和2m/h的高峰值。
⑷发酵料液的酸碱度
沼气微生物最适宜pH值的范围是6.8~7.5，如pH值低于最优值，会危害厌氧消化的效率[16]。
当沼气料液的pH值小于6或大于8时，沼气发酵会受到抑制，甚至停止产气，所以需经常检验UASB反映其中的pH值，如有不当，需要投料重新启动。
表3.2UASB水力上升流速和高度推荐值
废水类型
水力上升流速
反应器高度
范围
典型值
范围
典型值
COD近似完全可溶
COD部分可溶
生活污水
1.0~3.0
1.0~1.25
0.8~1.0
1.5
1.0
0.8
6~10
3~7
3~5
8
6
5
⑷反应器的容积
UASB反应器的一个重要设计参数是容积负荷或水力停留时间。
一般来说，废水的浓度较低时，反应器容积的计算主要取决于水力停留时间，在较高浓度下，反应器容积则主要取决于容积负荷大小。
畜禽粪便废水是一种高浓度有机废水，所以其容积的设计主要根据容积负荷来进行。
在采用传统UASB系统的情况下，上升流速的平均值一般不超过0.5m/h。
一般最经济的反应器高度在4~6m，并且大多数情况下这也是系统最佳运行范围。
采用有机负荷（q）或水力停留时间（HRT）设计UASB反应器是目前最主要的方法。
一旦q或HRT确定，反应器体积（V）可以很容易由公式（1或2）计算。
对某种特定的废水，反应器容积负
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