水壓式沼氣池的設(shè)計

水壓式沼氣池的設(shè)計一、沼氣池的工作原理和設(shè)計依據(jù)〔一〕沼氣池的工作原理水壓式沼氣池的工作原理可以概括為兩句話：產(chǎn)氣時，氣壓水；用氣時，水壓氣。水壓式沼氣池裝料封蓋后啟動前狀態(tài)時，在發(fā)酵間內(nèi)的料液和水壓間內(nèi)的料液液面上，同時受到大氣壓力的作用，因此此兩個液面處在同一水平面上，它們之間的氣壓差和液面差均為零。此時的工作狀態(tài)稱為“初始工作狀態(tài)”，此時的料液液面高度為O-O水平面，發(fā)酵間內(nèi)存在的空間為V0。啟動以后，沼氣池內(nèi)開始發(fā)酵產(chǎn)氣，隨著沼氣產(chǎn)量的逐漸增加，發(fā)酵間上部氣箱中的貯氣量越來越大，同時所產(chǎn)生的沼氣將發(fā)酵間內(nèi)的料液壓入水壓間，壓出的料液體積與所產(chǎn)的沼氣體積相等。當(dāng)發(fā)酵間內(nèi)貯氣量到達(dá)最大貯氣量VC時，水壓間里增加的料液也為最大貯液量VC。此時發(fā)酵間內(nèi)的料液面下降到可能下降的最低位置A-A水平面，水壓間內(nèi)的料液面上升到可能上升的最高位置B-B水平面。此時的工作狀態(tài)稱為“極限工作狀態(tài)”。發(fā)酵間內(nèi)料液面的下降和水壓間內(nèi)料液面的上升使得兩液面產(chǎn)生了高度差，高位料液具有的勢能使得發(fā)酵間內(nèi)沼氣產(chǎn)生了一定的壓強，其數(shù)值等于兩液面高差值與料液比重的乘積。由于料液比重接近于1，因此一般將兩料液面的高差值視為池內(nèi)沼氣壓強值。在極限工作狀態(tài)時的液面高差最大，稱為極限沼氣壓強，數(shù)值等于：式中：ΔH——沼氣池最大液面差；H1——發(fā)酵間液面最大下降值；H2——水壓間液面最大上升值。以上就是“氣壓水”的全過程。當(dāng)用戶的燃燒器工作時，池內(nèi)沼氣在高位水壓間液體壓力下逐漸輸出，隨著發(fā)酵間內(nèi)沼氣貯量的減少，水壓間料液面漸漸下降，發(fā)酵間內(nèi)液面漸漸上升。此時，輸出的沼氣的壓強也隨兩料液液面高差的減少而變得越來越小。當(dāng)發(fā)酵間料液液面與水壓間料液液面相平時，沼氣池又回到初始工作狀態(tài)，此時池內(nèi)的沼氣也因壓強為零而不再輸出，“水壓氣”過程結(jié)束。沼氣池的運行過程就是不斷產(chǎn)氣和不斷用氣的循環(huán)過程，在運行過程中，水壓式沼氣池總是處在初始工作狀態(tài)和極限工作狀態(tài)的范圍之內(nèi)，不可能超出這個范圍。水壓式沼氣池初始工作狀態(tài)H2ΔHHH2ΔHH1水壓式沼氣池極限工作狀態(tài)〔二〕沼氣池的設(shè)計依據(jù)分析上述工作原理，可以得到以下三點設(shè)計水壓式沼氣池的主要依據(jù)：1.沼氣池裝料〔包括料液〕的最高位置只能在沼氣池處于初始工作狀態(tài)時的液面高度，此時的液面為O-O液位。在O-O液位時，發(fā)酵間上部仍有局部氣箱可以貯存沼氣，但是這局部沼氣由于無法被壓出，因此無法被利用，所以稱為“死氣”?！八罋狻彼紦?jù)的空間稱作“無效氣箱”或“死氣箱”。2.水壓間內(nèi)的料液液面在O-O位置，即初始工作狀態(tài)時，其液面處于最低位置，不可能再繼續(xù)下降。因此，在水壓間中如果存在低于O-O位置的料液的話，這局部料液沒有勢能，不具有壓出氣箱內(nèi)沼氣的作用，是“死液”?！八酪骸彼紦?jù)的那局部水壓間被稱為“無效水壓間”。無效氣箱和無效水壓間對沼氣池運行不起任何作用，因此應(yīng)當(dāng)盡量控制其容積。在滿足功能要求的情況下，無效氣箱和無效水壓間容積越小，沼氣池的利用效率就越高，造價也越低。3.水壓式沼氣池的極限工作狀態(tài)時的發(fā)酵間液面是最低液面，而水壓間液面是最高液面，此時沼氣池內(nèi)的壓強到達(dá)最高值。在設(shè)計中，稱此時的壓強為最高設(shè)計壓強。沼氣池在運行時其池內(nèi)壓強不應(yīng)超過此值，否那么將因超負(fù)荷而破壞沼氣池。為防止沼氣池超負(fù)荷運行，一般設(shè)計中采取的措施是：將進(jìn)、出料管〔或其中一管〕上沿安裝在A-A液位面與池身的交線上，這樣，當(dāng)貯氣量超過最大貯氣量，即液面低于A-A位置時，多余的沼氣自行從進(jìn)、出料管逸出，保持池內(nèi)壓強不大于最高設(shè)計壓強；同時，將水壓間的溢料口下沿設(shè)計在B-B位置上，這樣即使水壓間液面有超過B-B位置的可能時，超出的局部料液也會從溢料口中溢出，使兩液面差始終保持在最大液差之內(nèi)。〔三〕設(shè)計參數(shù)設(shè)計水壓式沼氣池，除了掌握上述依據(jù)外，還需要掌握沼氣發(fā)酵工藝中的有關(guān)參數(shù)。主要參數(shù)有：1.氣壓由于沼氣燃燒器〔包括沼氣燈和沼氣爐、灶等〕需要在額定的壓力范圍內(nèi)才能進(jìn)行正常工作，因此在設(shè)計時應(yīng)考慮氣壓值的大小。根據(jù)我國農(nóng)村的具體情況，水壓式沼氣池的設(shè)計氣壓為7840Pa〔即80cm水柱〕為宜。氣壓過高容易損壞池體，造成滲漏：氣壓過低那么不便沼氣的輸送和使用，同時會造成水壓間占地面積過大。2.池容產(chǎn)氣率即每立方米發(fā)酵間每晝夜的產(chǎn)氣量〔m3/m3·d〕，它反響沼氣池在一定條件下生產(chǎn)沼氣的能力。在常溫半連續(xù)發(fā)酵的條件下，池容產(chǎn)氣率是在不斷變動的。作為設(shè)計參數(shù)的池容產(chǎn)氣率僅僅是為了設(shè)計的需要而估計確定的一個參數(shù)。根據(jù)我國實際，水壓式沼氣池通常采用的池容產(chǎn)氣率有0.15、0.2、0.25、0.3幾種。3.貯氣量水壓式沼氣池的貯氣量是指氣箱內(nèi)的最大貯存沼氣量，它是根據(jù)沼氣池的產(chǎn)氣情況和用戶用氣情況而確定的，經(jīng)過分析和驗證認(rèn)為，農(nóng)村以炊事為目的的沼氣池，最大貯氣量以12小時產(chǎn)氣量為宜。由于貯氣量等于排出的料液量，因此它也等于有效水壓間的容積?！猰3之間，家庭人口約為3—5人，因此一般取池容為4、6、8、10m3等幾種。5.投料率指的是最大限度投入的料液所占發(fā)酵間容積的百分比。投料率的大小確定了無效氣箱的多少。投料率越大，無效氣箱越小，那么所建沼氣池越經(jīng)濟(jì)。但要注意，投料率不能為100%，這是因為安裝導(dǎo)氣管時，為防止蛆蟲爬進(jìn)造成堵塞，導(dǎo)氣管應(yīng)露出活動蓋下口3—5cm；同時，為防止料液或者浮渣堵塞導(dǎo)氣管，液面應(yīng)低于導(dǎo)氣管15—20cm。因此，投料率一般在85——95%之間為好?！菜摹乘畨菏秸託獬氐臉?gòu)造設(shè)計水壓式沼氣池發(fā)酵間設(shè)計可按以下步驟進(jìn)行：⑴確定池容池容的大小主要取決于家庭人口數(shù)、用氣水平和預(yù)計池容產(chǎn)氣率，其相互關(guān)系為：⑵確定貯氣量⑶計算發(fā)酵間容積綜合圓筒型沼氣池的內(nèi)力結(jié)構(gòu)計算、材料用量計算和施工管理、使用技術(shù)等諸種因素，一般認(rèn)為：當(dāng)池蓋矢跨比、池底矢跨比和池身高〔對于4、6、8、10m3容積的小型沼氣池可取H=1m〕時，沼氣池的尺寸比例比擬合理。這樣，一旦發(fā)酵間某一尺寸被確定以后，我們即可以計算出其它局部的尺寸和發(fā)酵間各局部的容積。我們還可以用合理尺寸比例來確定容積的發(fā)酵間各局部尺寸。利用合理尺寸比例和容積計算公式可以得出：因為發(fā)酵間容積，所以。因此可以得一計算公式：即求出D后，其它尺寸便能求出了。⑷確定進(jìn)出料管安裝位置進(jìn)出料管位置的安裝是否恰當(dāng)，對沼氣池的發(fā)酵和產(chǎn)氣都會有很大的影響。水平位置安裝不恰當(dāng)，會引起發(fā)酵原料利用不充分；豎直位置安裝錯誤，會引起跑氣或者壓力過高等現(xiàn)象。①水平位置確實定目前水壓式沼氣池進(jìn)、出料管的水平位置一般均確定在發(fā)酵間直徑的兩端上。這種對稱布置使進(jìn)出料口之間的距離最遠(yuǎn)，對于保證發(fā)酵原料在池內(nèi)的滯留期和流動的均勻性都有很大的好處，可以減少發(fā)酵原料的短路和發(fā)酵出現(xiàn)死角的現(xiàn)象。②豎直位置確實定Ⅰ.壓強控制法〔限壓法〕該種方法是將進(jìn)、出料管位置確定在發(fā)酵間的最低設(shè)計液面高度上。這樣，當(dāng)池內(nèi)貯氣量到達(dá)最大設(shè)計貯氣量〔同時，池內(nèi)也到達(dá)了最高設(shè)計壓強〕時，進(jìn)、出料管口的上沿即開始露出液面。如果繼續(xù)產(chǎn)氣，那么所產(chǎn)沼氣即從進(jìn)、出料管逸出池外，保持池體內(nèi)的壓強始終在設(shè)計壓強范圍之內(nèi)。這種方法的優(yōu)點在于能自動限壓，保護(hù)池體的平安，缺點是進(jìn)、出料口位置偏高，用肥時不易取出較稠的料液。壓強控制法計算進(jìn)、出料口豎直位置的方法如下：A、計算死氣箱拱的矢高〔即池蓋拱頂點到發(fā)酵間最高液面位O-O位置的距離〕如下圖，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。計算可得〔計算過程從略〕：對于65cm直徑的活動蓋該值在10~15cm之間。h2——導(dǎo)氣管下露出長度。為保證不讓蛆蟲等爬入導(dǎo)氣管內(nèi)使導(dǎo)氣管堵塞，該值取3~5cm。h3——導(dǎo)氣管下口到O-O液面為的距離。由于池內(nèi)浮渣會逐漸加厚，實際液面要高出O-O液面，因此要求h3必須大于15cm。一般可取20~30cm。B、計算死氣箱容積式中：Vs——死氣箱容積fs——死氣箱矢高r1——池蓋曲率半徑根據(jù)死氣箱容積，可計算出沼氣池投料率：C、計算最大貯氣量D、計算氣箱總?cè)莘e式中：V氣——沼氣池氣箱總?cè)莘e；VC——沼氣池有效氣箱容積〔即最大貯氣量〕E、計算發(fā)酵間最低液面A-A〔即極限工作狀態(tài)〕先比擬V氣和V1〔池蓋容積〕：eq\o\ac(○,A)當(dāng)V氣>V1時，A-A液面在圓筒形池身范圍內(nèi)；eq\o\ac(○,B)當(dāng)V氣<V1時，A-A液面在池蓋范圍內(nèi)；eq\o\ac(○,C)當(dāng)V氣=V1時，A-A液面恰好在池蓋和池身交接平面上。大多數(shù)沼氣池是屬于eq\o\ac(○,A)種狀況，只有在池容產(chǎn)氣率較低、沼氣池效益很差的情況下出現(xiàn)eq\o\ac(○,B)狀況，至于eq\o\ac(○,C)純屬巧合。在eq\o\ac(○,A)狀況時，要確定進(jìn)、出料管的安裝位置，應(yīng)首先算出氣箱在圓筒形池身局部的容積：式中：V筒為氣箱在在圓筒形池身內(nèi)所占的容積。由于V筒=πR2h筒式中：h筒——圓筒形池身內(nèi)氣箱局部的高度；R——圓筒形池身半徑。因此A-A液面位在池蓋與池身交接平面以下h筒的位置上，該位置也就是進(jìn)、出料管上口的安裝位置。Ⅱ、中層出料安裝法這種安裝法是將是進(jìn)、出料管安裝在圓筒形池身墻中部偏下的位置，這要比用壓強控制法計算出的位置低約20cm左右。這樣安裝進(jìn)、出料管，便于中層出料，有利于衛(wèi)生。因為上層料液多浮渣，消化率低，滅菌效果差；底層料液由于沉淀，寄生蟲病卵較多；中層料液蟲卵少，消化情況也較好。因此從衛(wèi)生角度來看，中層出料最為理想。在采取中層出料安裝法時，池內(nèi)壓強有時可能高于設(shè)計壓強，不利于池體平安。因此，在應(yīng)考慮沼氣池的減壓平安保護(hù)措施。常見的平安保護(hù)措施一是加大池體結(jié)構(gòu)的平安系數(shù)；二是采用其它形式的限壓裝置，如可以控制氣壓計玻璃管的高度，當(dāng)氣壓過大時會將氣壓計水柱沖出，到達(dá)減壓保護(hù)池體的作用。“農(nóng)村家用水壓式沼氣池標(biāo)準(zhǔn)圖集”〔GB4750—84〕進(jìn)、出料管采用的是中層出料安裝法。以上兩種方法各有利弊，在實踐中最好的方法是將兩種方法結(jié)合起來：即用壓強控制法來確定進(jìn)料管安裝位置，而出料管的位置那么采用中層出料安裝法來確定。這樣，既能保證池內(nèi)壓力不會超過設(shè)計壓強，又能保證中層出料，有利于除害滅病，方便取肥用肥。水壓間兼有對池內(nèi)沼氣加壓、貯肥以及便于出料等多種功能。設(shè)計合理水壓間的要求是：無效水壓間容積是零；當(dāng)水壓間中料滿時，氣箱內(nèi)的沼氣壓強恰好等于設(shè)計壓強。要做到以上兩條，在設(shè)計水壓間時必須確定三個尺寸：〔1〕水壓間底面標(biāo)高。由于當(dāng)水壓間底面恰好與發(fā)酵間初始狀態(tài)O-O位置相平時，水壓間無無效容積。因此，將水壓間底面標(biāo)高確定在此位置上最為理想。〔2〕水壓間高度。因為沼氣池內(nèi)設(shè)計壓強是沼氣池在最大貯氣量時發(fā)酵間內(nèi)的液面下降值和水壓間的液面上升值之和產(chǎn)生的壓強，此時，水壓間液面到達(dá)了最高位置〔即B—B液面〕。因此取此位置作為水壓間頂面是最經(jīng)濟(jì)、最合理的?！?〕水壓間的容積。由于從池內(nèi)壓出的料液量等于池內(nèi)的貯氣量，因此，水壓間的容積等于池內(nèi)最大貯氣量。下面用一些公式來說明水壓間的設(shè)計方法：〔1〕求水壓間底面標(biāo)高根據(jù)計算，O-O位置在池蓋拱頂下fs處，因此底面標(biāo)高應(yīng)確定在池蓋拱頂下fs處?！?〕求發(fā)酵間最大液位降H1〔即O