大中型沼气设计

生物质能工程结课论文工程技术学院2012级班级：建环1班姓名：***学号：***************大中型沼气发酵工程设计一、大中型沼气工程发展现状随着城镇工业和农村集约化养殖业的发展，生产过程中排出的各种有机废弃物的污染治理及其资源化的综合利用，已经成为当今国际社会普遍关注的问题；与此同时，我国农村用能短缺，大中型沼气工程迎来了第一个快速发展期。

政府投资不断增加，政策大力倾斜，大大加快了沼气工程的建设步伐。

大中型沼气工程作为处理大量有机废弃物的有效手段之一，在中国得到快速发展，也已经成为国家重点培育发展的生物质能技术之一，成为目前最有希望实现产业化的生物质能源之一，虽然我国大中型沼气工程的发展速度惊人，但沼气工程池容的产气量远远低于其他国家，说明中国沼气工程技术仍然没有突破性进展。

当前，大中型沼气工程存在的主要问题是：有的工程处理技术部完善，设备匹配不尽合理，工程运转故障多；有的工程采用的厌氧消化工艺及装置与所处理的原料不相适应，工程处理能力低，经济效益差；还有的工程由于原料不足，造成设备利用率低。

认真分析总结主要技术和政策问题，尽快完善综合系统的优化组合，推出适合我国国情的沼气—环保—能源工程模式，对沼气工程的稳步、持续发展十分必要。

二、概述大中型沼气工程技术，是一项以开发利用养殖场粪污为对象，以获取能源和治理环境污染为目的，实现农业生态良性循环的农村能源工程技术。

沼气工程的规模按照其厌氧发酵池的容积大小可分为大型、中型、小型、户用型四种。

它包括厌氧发酵主体及配套工程技术，主要是通过厌氧发酵及相关处理降低粪水有机质含量，达到或接近排放标准并按设计工艺要求获取能源—沼气：沼气利用产品与设备技术，主要是利用沼气或直接用于生活用能，或发电、或烧锅炉、或直接用于生产供暖、或作为化工原料等：沼肥制成液肥和复合肥技术，则主要是通过固液分离，添加必要元素和成份，使沼肥制成液肥或复合肥，供自身使用或销售。

主要设计内容：整体工艺技术流程的选择、确定及设计；各个单元的工艺参数的选择和确定；全系统的物料及能量的变化和计算；个构筑物、建筑物、设施及设备单元的工艺设计。

三、能源环保型沼气工艺流程发酵工艺流程考虑因素：1、发酵原料，包括发酵原料的来源、种类和数量。

2、自然条件，包括地形条件、地震烈度、气候条件和水文地质条件等。

3、反应器结构，可选择钢筋混凝土结构、搪瓷钢板结构等。

4、工程造价与运行费用。

四、反应器设计1、构造尺寸圆筒厌氧反应器的形状尺寸主要在满足容积(本设计中为中型要求前提下，合理确定出圆柱的高度及直径。

圆形厌氧反应器容积确定后，圆截面的直径D与高度H则成反比，高度H越大，直径D越小。

中型沼气容积一般为300m3-500m3.2、厌氧反应器设计的关键参数：常用反应原料有机物含量的指反应平均温度25℃，PH尽量保持在6-7⑴总固体TS 一般为8％—12％⑵挥发性固体VS⑶化学需氧量COD 一般为2.5-3.5⑷生物需氧量BODCOD和BOD是目前国际上普遍采用的用来表示水中有机物浓度的指标。

COD/BOD的值被称为可被生化指标，用来衡量废弃物是否适宜采用生物化学法进行处理。

比值越大，越容易被生化处理，一般认为COD/BOD>0.3d的废弃物才适用于采用生化处理。

⑸水力滞留期（HRT）：根据水力计算所得出的发酵料液在厌氧反应器内的停留时间。

如果只慈宁宫提高反应器利用效率来考虑，则水力滞留期越短越好，但水力滞留期过短就会导致厌氧反应器内的微生物高度流失而使发酵失败。

目前采用低浓度废水的高效厌氧反应器，水力滞留期已偏短至1d（24h）。

HRT=V0/qHRT—水力滞留期，dV0—厌氧反应器有效容积，m3q—厌氧反应器进料设计流量，m3/d⑹有机负荷：指单位体积厌氧反应器单位时间内所承受的有机物的量。

有的也用总固体（TS）或悬浮固体（SS）等来表示有机物的量。

⑺容积负荷：指单位反应器容积每日接受的发酵料液中有机物的量，厌氧反应设计和运行的重要参数之一。

容积负荷与厌氧处理工艺、废水性质和浓度、消化温度等有关。

N v=qS0/V0N v—反应器有机负荷，kg(COD)/(m3*d)q—厌氧反应器进料设计流量，m3/dS0—发酵料液进料中可生物降解有机物浓度，kg*COD/m3（中温发酵时负荷3-4）V0—厌氧反应器容积，m3⑻有机物去除率：用于表面沼气池在去除污染方面所达到的水平。

用进料有机物浓度与出料有机物浓度之差除以进料浓度（质量分数，％）表示。

D=(S0—S）/S0*100％D—厌氧反应器有机物去除率，％S0—厌氧反应器进料有机物浓度，kg/m3S—厌氧反应器出料有机物浓度，kg/m3⑼反应器原料投配率：指每天进入的原料料液量与厌氧反应器容积之比，原料投配率在一定程度上反映了发酵原料在厌氧反应器中的停留时间。

⑽产气量=投料量*原料产气率*原料消化率五、升流式厌氧污泥床反应器（UASB)升流式厌氧污泥床是目前发展最快的反应器，其特征是自下而上流动的污水流过膨胀的颗粒状的污泥床。

其基本构造：反应器主体分为上下两个区域，即反应区和气、固、液三相分离区，在下部的反应区内是沉淀性能良好的厌氧污泥床；高浓度有机废水通过布水系统进入反应器底部，向上流过厌氧污泥床，与厌氧污泥充分接触反应，有机物被转化为甲烷和二氧化碳，气、液、固由顶部三相分离器分离。

出水COD的去除率可达80％以上，容积负荷5.0-10.0kgCOD/(m3*d).1、 UASB工艺优点：⑴除三相分离器外，反应器结构简单，没有搅拌装置，上部进水和下部进料液对整个反应器也有一定的搅拌作用。

⑵UASB有机负荷较高，水力滞留时间短，中温发酵时，容积负荷一般为8.0-10.0kgCOD/m3*d⑶UASB内设三相分离器，在污泥沉淀区被分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备。

⑷出水SS含量低。

2、UASB工艺缺点：⑴UASB中需设三相分离器，结构比较复杂。

⑵USAB工艺中污泥床内有短流现象，影响处理效果，需要安装有效的布水装置使其进料布水均匀。

⑶UASB工艺对进料水质和负荷剧烈变化敏感，耐冲击力稍差。

在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，要求具有较高的管理水平。

3、相分离器设计要点⑴升流式厌氧污泥床适合处理悬浮物浓度<=2g/L的有机废水⑵升流式厌氧污泥床高度应根据污泥性状、水质特性等确定，宜为4-10m。

⑶三相分离器沉淀区的水力负荷应保持在1m3/m2*h，水流通过气室空隙的平均流速应保持在2m/h以下。

沉淀区总水深应>=1.0m，沉淀区的污水滞留时间以1.0-1.5h为宜。

⑷在进行升流式厌氧污泥床配水系统设计时，应考虑进水均匀，宜设置多个进水点。

4、相分离器设计原则：⑴间隙和出水面的截面比这一面积比影响到进入沉淀区和保持在污泥相中的絮体的沉淀速度。

⑵分离器相对于出水页面的位置这个位置确定反应区（下部）和沉淀区（上部）的比例，在多数UASB反应器中，内部沉淀区是总体积的15％一20％；集气室缝隙部分的面积应该占反应器面积的15％一20％。

⑶三相分离器的倾角角度要保证固体可滑回到反应器的反应区，实际是在45°-60°之间，这个角度也确定了三相分离器的高度和所需材料。

⑷分离器下气液截面的面积它决定了沼气单位界面面积的释放速率。

适当的气体释放速率为1-3m3/(m2*h).⑸在出水堰之间应该设置浮渣档板。

⑹出气管的直管应该充足，以保证从集气室引出沼气。

原则上只有出水截面的面积才是决定保持在反应器中最小沉速絮体的关键。

5、出水系统的设计：为了保持出水均匀，沉淀区的出水系统通常采用出水渠。

一般每个单元三相分离器沉淀区设一条水渠，而出水渠每隔一定距离设三角出水堰。

出水渠的特点是出水渠与集气罩成一整体，这样有助于装配和整体安装，简化施工过程。

为了清除沉淀区页面和气室液面形成的浮渣层，必须设置专门的清除设备或采取预防措施。

6、计算：假设养牛场有30头牛，每头牛产生牛粪30kg，收集率为85％，TS=15％，VS=70％进料液浓度为N=10％则消化器V=4*4*3.14*8≈400m3消化器有效体积V a=350m3粪量=30*30*85％=765kgW水=25*12=300kg入料体积=1065kg/1.5=710m3N v=710*60％/350≈1.5kg/(m3*d)HRT=350/710≈12hD=（4-1.2）/4=70％耗热：Q1=4186.8V(T D-T S)/24=4186.8*382*(30-25)/24=3.33*105kJ/h Q2=∑FK(T D-T A)*1.2=1.63*103kJ/hQ总=Q1+Q2+=3.34*105kJ/h产气量=765*0.35*60％=160m37、经济性评估该设计针对中小型养牛场，牛粪质轻、浓度高、本身含有较多的产甲烷菌，不易酸化，所以用升流式厌氧污泥床反应器处理牛粪较为适宜。

选用搪瓷钢板作为反应器的建造材料施工速度快，周期短，防腐性能好，使用寿命相对较长。

反应池表面图上稍厚的保温涂料，通过低导热系数和高热阻来减少反应过程中的热量损失。

排泥和排水管道选用管径为150mm的钢管，具有良好的抗腐蚀性、抗震性和气密性。

输气管采用聚乙烯管，耐冲击较强，适合寒冷地方。

沼气工程的收益主要为出售沼气、沼渣所带来的收益，及减少环保为养殖业带来的收益，商品性产出较少。

但其外部经济效益明显，对农业生产成本的减少，农产品品质的提高以及农民收入的提高有着十分显著的效果。

整个沼气工程根据原料的生物性特点，既达到废弃物的循环利用和能量的损失，又提高了经济效益。