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1、大中型沼气工程技术讲座（四）沼气工程的前处理与输配系统田晓东，强健，陆军（吉林省能源研究所，吉林长春1 3 0 0 1 2 ）中国分类号：X703;S216.4文献标识码：B文章编号：1671 5292 （2003） 0 2 - 0 0 53-04大中型沼气工程工艺流程可分为 3个阶段，即预处理阶段、中间阶段和后处理阶段。料液进入消化器之前为 原料的预处理阶段， 主要是除去原料中的杂物和沙粒，并调解料液的浓度。 如果是中温发酵，还需要对料液升温。原料经过预使之满足发酵条件要求，减少消化器内的浮渣和沉沙。料液进入消化器进行厌氧发酵，消化掉有机物 生产沼气为中间阶段。从消化器排出的消化液要经过沉淀
2、或固液分离，以便对沼渣进行综合利用，这为后处理阶 段。由于原料不同，运行工艺不同，每个阶段所需要的构筑物和选用的通用设备也各有不同。1前处理装置选型与设计规模化养猪场烘便污水的预处理阶段，需要选用适宜的格栅及除杂物的分离设施。杂物分离设施可选用斜板 振动筛（如图1）或振动挤压分离机等。固液分离是把原料中的杂物或大颗粒的固体分离出来，以便使原料废水 适应潜水污水泵和消化器的运行要求。反射板出水3 1 水力斜板振动蹄淀粉厂的废水前处理设施，可选用真空过滤、压力过滤、离心脱水和水力筛网等设施，也有选用沉淀池（罐）等 设施，如图2所示。以玉米为原料的酒精厂废水前处理，有选用真空吸滤机、板框压滤机、锥篮
3、分离机和卧式螺进水旋离心分离机等，以薯干为原料的酒精厂废水前处理，先经过沉沙地再进入卧式螺旋离心机。中间阶段的消化器，是大中型沼气工程的关键设施（第3讲已介绍）。后处理阶段，以环保为目标的工程，后处理装置是好氧处理设施。以能源环保相结合为目标的工程，消化液 后处理包括固液分离机和沼渣干燥、成分调配和包装设施；沼液浓缩、成分调与等设施。2输气系统的设计2.1 压力降组成压力降又叫压力损失。压力降就是气体从输气系统的一处流到另一处时压力的减少量，这是衡量输气畅程度 的指标。输气系统的压力降由沿程压力降和局部压力降两部分组成，即： P=aP y&+P 局（i）式中： P系统压力降，105Pa
4、； P沿一一沿程压力降，105Pa ； P局局部压力降，105Pa。沿程压力降和局部压力降可以实测求得，或者通过水力计算求得。2.2 沼气输气管网设计的基本内容设计沼气输气系统，首先要经过管网的水力计算设计。对输气系统的计算，通常叫水力计算。水力计算的目的是：1 根据已知输气系统要通过的沼气流量、输气管管长和允许压力降，求输气管所需的管径。2 根据已知输气管的管径、管长和要求通过的沼气流量。3 根据已知的起始压力、管长和管径求可以通过的沼气流量。前者可以用来计算新敷设的沼气管道的管径， 后二者可以用来核算已敷设的沼气管道的压力降和沼气通过的能力。根据上述计算方法和原则，可分别在不同的知条件下，
5、求得输气管管径、压力降，以及允许通过的沼气流量。通过正确计算的输气系统的管径，在一定的压力降范围内，流量大的或管路长的应比流量小的或管路短的管径大些，总管要比分支管管管大些。根据计算的结果，可绘制成简单施工图。4 .3 沼气集中供气输配管网系统沼气集中供气输配管网系统，主要由中、低压沼气管网、沼气压送站、调压计量站、沼气分配控制室及储气罐等组成。（ 1）集中供气方式1 低压供气低供气系统由变容湿式低压浮罩储气罐和低压供气站组成， 目前我国已建成的集中供气站， 多数是彩低压供气。低压供气管路系统比较简单，容易维护管理，不需要压送费用，供气可靠性较大，但供气压力低。当供气量及供气区域大时，需要设大
6、管径干管，不太经济，并难以保证压力稳定和供气均衡。此外，由于沼所在湿式储气罐内被水蒸气饱和，管道和流量计容易发生积水、锈蚀等故障，故只用于供应区域范围小的情况。2 中压供气 中压供气是将消化器或储气罐的沼气加压至一定压力后送入中压管路，在用户处设置调压器，减压后供给炉具使用。中压供气是采用在供气规模较大的沼气站，这种供气系统的优点是能节约输气管路费用；而缺点是要求用户用阀门控制流量调压，如用户调节不好，就会降低炉具的燃烧效率。3 中、低压两级供气中、低两级供气是综合了低压和中压供气的优点而设计的 。中、低压供气系统设置了调压站，能比较稳定地保持所需的供气压力。但这种系统，由于设置了压送设备和调
7、压器维护管理较复杂，费用也较高，在供气时需用动力，当停电时则不能保证供气。（ 2）输气管及其附件输送沼气的管道所用的管材有钢管、铸铁管、塑料管（聚氯乙烯硬管、聚乙烯管和红泥塑料管） 。对输气管总的要求是：具有足够的机械强度，即优良的抗腐蚀性、搞震性和气密性等。1 钢管 钢管具有较高的搞拉强度，易于焊接，气密性能得到保证，但易受腐蚀。在选用钢管时，管径大于150mm 时，选用螺旋卷焊钢管。钢管壁厚，应视埋调地点、土壤和交通载荷而定，一般壁厚不小于3.5mm ； 在街道红线内不小于4.5mm ； 穿越重要障碍物和土壤腐蚀性极强的地段时， 应不小于 8mm 。2 铸铁管铸铁管比钢管抗腐蚀性能强，使用
8、寿命长，但不易焊接。由于材质较脆，不能承受较大的应力，在动载荷较大的地区不宜采用。3 塑料管塑料管比较轻，运输、加工和安装均很方便；化学稳定性高，耐腐蚀性能好；硬塑料管内壁光滑，磨擦阻力小，在相同的压力差情况下，比钢管的流量增加40%。硬聚氯乙烯管的抗拉强度虽然比聚乙烯管高，但其抗拉强度随温度和时间的增加而降低。聚乙烯管比聚氯乙烯管轻，耐冲击强度比聚氯乙烯管高约 3 倍，很适合在寒冷地区使用。硬聚氯乙烯管的线膨胀系数大，是钢管的 68 倍，受热易变形下垂，刚性较差，切口处强度较低。在施工安装时，尽可能不要采用螺纹连接，塑料管粘接和焊接时，要采用承插口。4冷凝水排放装置为排除沼气管道中的冷凝水，
9、在敷设管道时应有不小于5%。的坡度，以便在低处设排水器，将汇集的水排出。4 3）管道的布线及施工安装管道系统的布线及施工安装应严格按施工图纸进行，工作时要遵守下列原则必注意事项：1施工安装前，对所有管道及附件进行检验，并进行气密性试验；2管线布置尽可能的 近、直，以减少沿程压力损失；3施工时，所有管道的接头要连接牢固和严密，防止松动和透气。4输气管道架空时高度应在地面 4m以上，若沿墙架高可适当降低高度；埋地下时，南方的深度应在0.5m以下，北方则应在冻土层以下；5敷设管道应有坡度， 一般坡度为5%。左右。坡向冷凝水排放装置一侧；管道打弯处不要太急。 （4）输配系统的试验沼气输配系统施工及安装
10、完成后，进行系统试验是很重要的，要求认真完成。1管道强度试验试验的目的是检验管子强度，重点检查管道的焊缝和接头的技术状态。一般使用压缩空气来进行试压，试3压力一般为1.5倍的工作压力，并不能小于 105Pa的试验压力，试压长度一般不小于2km。检验时，用肥皂液涂在焊缝和接头处，或用探伤仪检查。2管道气密性试验 气密性试验方法是先在管道上填土不少于0.5m,经612h待管道内空气温度与埋管的土温一致后，进行不少于 24h的试验。其允许压力降参照GB4751-84中的规定，应在 3%以内。3对硬聚氯乙烯及聚乙烯管的气密性试验采用104Pa压力，24h内管道压降不超过 196Pa为合格。如果生产的沼
11、气都用于本单位的锅炉助烯或者是厂内发电，可以按照水力计算规定进行。根据已知输气管路 要通过的沼气流量，管路长度和允许的压降，求输气管路的管径，再进一步核算系统压力降即可。如果沼气供给 居民作炊事烯气用，管网设计必须符合城市煤气输配管网的设计规范。3储气罐在大中型沼气工程中，沼气储存是重要的组成部分。沼气站由于用气量的变化和产气量的波动，均会造成供 气不均衡，要求配置沼气储气罐进行调节。在产气量大于气量时，将多余的沼气送入储气罐；反之，则由储气缺 勤供气，以维持供需平衡。如果要确定储气罐的、容积，必须首先确定用气量。3.1居民用气量影响居民用气量的因素很多，生活水平、生活习惯、灶具、气候等诸因素
12、。可按居民过去使用的燃料消耗量 进行折算。（1）采用用气量表示i 1GQ-V= -21 -Q刀式中：V 折算成用沼气量，m3/（人.a）；G过去使用燃料年消耗量，kg/（人.a）;Qi 过去使用燃料低热值，kj/kg ;Y 1 炉灶热效率；Y 2沼气灶热效率；Q2沼气低热值，kj/m3;一般取刀1为12%18%; 八 为55%。（2）采用热量表示11GQ-H= -2Q刀式中：H 折算成需用沼气的热值，kj/（人.a）。3. 2居民年用气量计算年用气量可根据用气人数（或户数）与用气定额计算：Va=nVr式中：Va居民年用气量，m3/ （人.a）;(2)(3)(4)用气人数;Vr 用气定额，m3/
13、(人.a)。3.3 单位时间沼气最大用气量沼气输配管网中月、日、时都存在用气的不均匀性。沼气输管网的通过能力应该按高峰月平均小时用气量来计算确定，即:G1 =Va8760x Kmax(5)式中：G沼气输配管网小时通过气量，V 年用气量，K月高峰不均匀系数。高峰月平均日用气量月局峰不均匀系数=全年平均日用气量我国多数地区一二月份用气量最大，是高峰月。在设计沼气站输配时，应考虑高峰月的用气量， 一般取Kmax为 1.11.3。乡镇沼气最大时用气量的确定，关系到沼气输配管网的经济性和可靠性。最大小时用气量选择过高，就会增 加输配管网的投资费用；反之，又会影响供气的可靠性。3.4 储气罐的容量储气罐的
14、容量应按最大小时用气量来确定，还应考虑工业用气量的比例。若用气量均匀的用户沼气耗量所占 的比重大，则储气容积就小。如果居民用户所占比重越大，同时又必须考虑节假日期间的用气高峰，所需的储气 容积就大。根据运行经验表明，储气罐容积以日供气量的50%60%为宜，也可用计算求得。3.5 储气罐中沼气的压力一般小型储气罐内的压力为735882Pa,大中型沼气工程储气罐内的压力为19603430Pa。这种压力是由储气罐浮罩的重量来提供，若浮罩太轻，则需要增加配重来提供正确的压力。储气罐出口压力适当的高一些好，使 灶前压力保持稳定，使炉具有燃用沼气的发动机处于较好状态下工作。如果储气罐出口压力不符合计算压力
15、要求值时，则应采取增加配重的方法来达到设计要法语的出口压力。3.6 沼气储气罐的型式(1)变容湿式低压储气罐变容湿式储式罐，采用钢制储气浮罩，以导向轮沿纵向导轨在水槽内的水中上下浮动，由浮罩重量和配重提供一定沼气出口压力，压力一般为14703430Pa,如图3所示。变容湿式储人孔、u 安全罩自动排空管 /it浮罩水槽图3变容湿式储气罐气罐的优点：沼气压力比较稳定，有利于燃烧器燃烧；可靠性好。主要缺点：占地面积大；投资费用高。为了防 止浮罩上升时倾斜，配重要逐个称重，分组组合，并将重量相等的一组对称布置。使浮罩在水中处于垂直稳定位 置。储气浮罩应设有高位、低位的限位装置。一般可在浮罩周围设置二根
16、自动放空管，当浮罩上升到高位时，自 动放空管的底部就离开水封面，沼气从放空管放出，防止浮罩内因储气过量而发生事故。浮罩低位保护装置，是 在浮罩内沼气出气立管上口处设置安全罩，当浮罩下降到最低位置时，安全罩即罩住出气立管上口，从而防止浮 罩内被过量抽气而形成真空，造成浮罩顶部变形。水槽内的水位高度要注意检查，防止因水封高度不足而造成沼 气泄露。(2)变容湿式储气罐的试验储气罐水槽进行济水试验，存水时间不少于24h,检查水槽壁是否漏水；浮罩充气，待浮罩升起后，压力计指示值应与储气罐设计压力相近。此时要用肥皂水涂抹壁板及顶盖焊缝，进行气密性试验，如有泄漏随即补焊； 储气罐气密性试验合格后，打开顶盖中
17、是阀门，使浮罩缓慢下降。在上升和下降过程中要观察导轮与导轨接触情 况，如互相配合不好，在二次升降前应加以调整；用空气压缩机对储气罐进行12次快速升降，升降速度每分钟不超过1.5m；储气罐的浮罩升起后，如 U型压力计指示压力与设计压力偏差过大，则应重新调整配重。经过试 验后，如所有焊缝及密封接口处均无泄漏；导轮无卡轨、无脱轨；升降机构未造成壁板变形；储气罐各部分无变 形；安全限位装置动作准确；则认为储气罐试验合格。(3)卧式中压储气罐将沼气采用压缩机升压，沼气压储气罐中的压力达到105206Pa。使用沼气时，应按使用要求降低到规定的压力，通常由减压阀调节压力，卧式中压储气罐结构示意如图4所示。这种图4 卧式中压储气罐储气罐突出特点是容积较小，占地面积小，但投资较高，要求有特别的安全措施，一般用于工业。