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保有量4000头猪的养殖场沼气系统设计

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文档分类: 化学论文

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关于本文

  • 本文标题:保有量4000头猪的养殖场沼气系统设计.docx
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  • 内容摘要:毕业设计(论文)保有量4000头猪的养殖场沼气系统设计学院:专业:姓名:指导老师:材料与环境学院应用化学1班学号:职称:詹世景副教授中国&#183;珠海二○二○年五月诚信承诺书本人郑重承诺:本人承诺呈交的毕业设计《保有量4000头猪的养殖场沼气系统设计》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。本人签名:日期:年月日保有量4000头猪的养殖场沼气系统设计摘要大型生猪养殖场产生的粪尿若直接排放会对环境造成污染,由于沼气发酵产生的沼气具有环保、原料来源广泛等优点,因此对于环境保护及新能源发展有着重要意义,获得了业内的广泛关注。本设计是以保有量4000头猪的养殖场来进行沼气发酵工艺设计。沼气工程的设计包括计算养殖规模、粪便量计算、原料收集、匀化和沉淀等工序。根据养殖场产生的粪便量对沼气工程相关工艺参数进行设计,主要着重于对沼气发酵的工艺流程设计,还介绍了主要工艺选择的原因和工艺配方,并且对工艺参数进行了详细的计算,来确定沼气发酵的相关物料数据与工艺参数,以及对设备进行选型计算收益,对三废的处理回收等进行了叙述,还画出了工艺的流程图并进行了适当的说明,以及绘制发酵系统车间布局图。关键词:沼气发酵;工艺流程;工艺设计;三废处理Designofabiogassystemforapigfarmwith4000pigsAbstractDirectdischargeoffecesandurinefromlargescalepigfarmswillcauseenvironmentalpollution。Asthebiogasproducedbybiogasfermentationhastheadvantagesofenvironmentalprotectionandwidesourceofrawmaterialsitisofgreatsignificancetoenvironmentalprotectionandthedevelopmentofnewenergyandhasreceivedexteiveattentionintheindustry。Thisdesignisbasedonabreedingfarmof4000pigstoconductbiogasfermentationprocessdesign。Thedesignofbiogasprojectincludescalculationofbreedingscalecalculationofmanurevolumecollectionofrawmaterialshomogenizationandprecipitation。Accordingtotheamountoffarmproducewasterelatedprocessparameteindesignofbiogasprojectmainlyfocusesonthebiogasfermentationprocessdesignalsointroducedthereasonforthechoiceofmaintechnologicalformulaandprocessandtheprocessparameteforthedetailedcalculationtodeterminetherelatedmaterialdataandprocessparameteofbiogasfermentationaswellastotheequipmenttypeselectioncalculationreturinthisarticletheauthordescribeshandlingofthreewastesrecyclingandalsodrawaprocessflowchartandtheappropriateitructioandworkshoplayoutdrawingfermentatioystem。Keywords:biogasfermentationProcessflowProcessdesignThreewastestreatment目录1前言11。1沼气发酵的原理11。2沼气工程的应用21。3沼气工程的应用状况21。4拟需解决的技术关键21。4。1粪便总量的估算21。4。2原料的收集、储运与系统的选址31。4。3发酵工艺的选择31。5国内外研究进展综述31。6本设计的主要内容32养殖场沼气系统工艺流程设计32。1发酵工艺42。2原料的前处理52。3厌氧消化52。4沼气、沼液与沼渣的利用53养猪场设计53。1猪群结构设计53。2各类猪群的猪群组数及其在各猪舍的饲养时长63。3总存栏量、占栏数量与面积63。4粪污量74设备选型与计算94。1格栅94。2集水池94。3匀化池94。4固液分离与沉淀池104。5厌氧消化器134。5。1厌氧消化器容积计算134。5。2沼气产量144。6沼气干燥与脱硫154。6。1干燥154。6。2脱硫154。7储气164。8沼气、沼液与沼渣的应用175废水与废渣的处理176成本与收益计算177总结18参考文献20谢辞21附录221前言在农业现代化的推进过程中,我国面临的三大挑战包括耕地安全﹑粮食安全以及农业环境负荷等,保护农业资源及环境﹑推进绿色生产,是建设生态农业及推进农业现代化的必由之路[1]。我国经济高速增长的同时伴随着对能源消耗需求的增长,2018年我国能源消费总量达到46。4亿吨标准煤,同比增长3。3%,增速较2017年提高0。4%,创5年来新高[2]。大量消耗能源不仅造成严重的环境污染,而且使石化能源供求与消耗的问题尤为突出。同时,我国农牧业每年产生的大量废弃物因得不到有效的利用和处理而成为了重要污染源之一。这些废弃物,尤其是畜牧业所产生的动物尿液与粪便,若未经处理直接释放至环境中,不仅污染地表水,而且产生的恶臭会对周边环境及空气造成严重污染[3]。沼气是在一定条件下由粪便﹑秸秆等有机物经微生物厌氧发酵后产生的气体,是国家重点扶持的生物质能技术之一。采用科学﹑有效的技术措施,树立畜牧业正确发展的理念,来确保自然生态和畜牧业的和谐发展,当前,畜禽养殖污染的治理主要是通过沼气厌氧发酵对其进行无害化处理和资源化利用来实现,以沼气建设为纽带把种养紧密结合,不仅是能实现对畜禽排泄物的有效治理,生态环境得到了有效保护,而且使容易造成二次污染的沼液得到了资源化利用[4]。1。1沼气发酵的原理沼气发酵现象广泛存在于自然界中,如湖泊﹑河流和海洋水底的淤泥,腐烂的动植物遗骸,化粪池,甚至人和其他动物的肠道中均有与沼气发酵相关的微生物的存在。一般地,沼气发酵包括三个阶段:(1)第一阶段是水解发酵阶段,也称之为液化阶段。(2)第二阶段是产酸阶段。其中产物主要是,同时还有、和少量其他产物。(3)第三阶段是甲烷菌所完成的产甲烷阶段。甲烷菌分解形成和,或利用氢还原形成,或转化形成。以下是发酵过程中的主要反应:微生物代谢分解有机酸:醇的分解:二氧化碳的还原:醇的氧化使二氧化碳还原:有机物生成甲烷的总反应:沼气系统的组成:目前,大型沼气工程的组成一般包括(1)前处理系统(2)厌氧消化器(3)沼气的收集、贮存与运输(4)沼液后处理系统(5)沼渣处理系统。1。2沼气工程的应用沼气工程广泛地应用在几个方面:1。从环境保护的角度来看,可有效处理养殖业产生的粪便等废弃物,降低对环境的污染。2。能源方面,发酵所产生的沼气可用于发电或农村日常生活用的燃料3。发酵产生的沼液与沼渣可作为农业生产所使用的肥料。1。3沼气工程的应用状况沼气在发达国家已受到广泛重视和积极推广,而沼气市场分析指出,德国是目前世界上沼气工程发展最为成功的国家之一,沼气工程几乎都发电上网,其中98%的沼气工程是热电联产工程,发电余热用于沼气池加热。我国沼气发电产业规模与发达国家相比较还存在一定的差距,目前国家高度重视可再生能源的发展,《中华人民共和国可再生能源法》声明国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料,同时规定利用生物质资源生产的燃气和热力,符合城市燃气管网、热力管网的入网技术标准的,经营燃气管网、热力管网的企业应当接收其入网,要求石油销售企业应当按照国务院能源主管部门或者省级人民政府的规定,将符合国家标准的生物燃料纳入其燃料销售体系[5]。1。4拟需解决的技术关键1。4。1粪便总量的估算由于家畜粪便的日排泄量受多种因素影响[6],如:1。家畜的品种与体重。2。生理状态:同一品种家畜个体在不同状态下排便量会发生变化。3。饲料的组成与饲喂的方式:饲料含水量的多少、投喂饲料的次数与数量等因素均会影响粪便量的多少。因此,本设计以存栏量4000头猪进行相应的计算,因需要处理的粪便量经常发生变化,故在估算所得的粪便量基础上增加10%的余量进行系统的设计。1。4。2原料的收集、储运与系统的选址由于农牧业生产受季节和地域条件影响较大,导致应用于沼气发酵的原料以及发酵产生的沼气、沼液和沼渣在收集和储运之间存在诸多不便。同时,农牧业生产过程中产生的废弃物,尤其是养殖家畜与家禽过程中产生的大量粪污也是沼气行业发展和环境保护中的难题之一。当前,畜禽养殖产生的粪便污染是农牧业生产过程中的主要污染源之一。据农业农村部数据,我国每年只有不到60%的粪污得到了有效利用,被直接排放至环境中的粪污量占比超过30%,对自然环境造成了不同程度的污染。&#160;农业废弃物能源化与资源化的其中一种有效方式是以之为原料进行沼气发酵。由于养殖过程中产生的粪便大多伴有强烈的异味,综合原材料储运成本以及对环境影响因素的考虑,厂房选址宜选择远离城镇的郊区,且应处于城镇的下风口处。1。4。3发酵工艺的选择对于沼气发酵工艺,可从投料方式、发酵温度、发酵阶段、发酵级差、料液流动方式等角度进行分类。根据沼气发酵过程中的进料方式不同,可将发酵工艺区分为连续发酵、半连续发酵和批量发酵三种工艺。1。5国内外研究进展综述根据德国FraunhoferUMSICHT研究所统计的数据,到2013年,欧洲的沼气工厂数量为12950个,其中位于德国的有9200个。据德国2007年制定的相关法律法规,到2020年,德国计划将生物甲烷产量增加到,达到每年天然气消耗量的6%[7]。目前我国沼气工程缺乏自身造血能力,很大一部分投资资金来源为政府投资,投资者的积极性未能得到大幅提高。同时,对于政府财政来说,推广沼气工程所需的补贴会对政府财政造成巨大的负担,假设一处沼气工程投资350万,补贴金额占投资额的一半,若将沼气工程推广到覆盖34万个规模化养殖场需要投入6050亿元,政府无法承担。因此,应该结合民间资本、环境处理成本、原材料的后续利用等方面来弥补,从而更快的推广。1。6本设计的主要内容本设计主要内容包括:养殖场设计、沼气系统相关参数设计与计算、平面布局图以及成本核算。2养殖场沼气系统工艺流程设计2。1发酵工艺一般地,沼气系统包括以下三个部分:前处理系统,消化池,后处理系统。在多种发酵工艺之间进行对比后,同时综合成本及收益进行考虑,本设计选择连续发酵作为发酵生产工艺。各种发酵工艺的特点对比如下表2。1:表2。1几种发酵工艺的特点对比连续发酵半连续发酵批量发酵优点沼气池内料液的数量和质量基本保持稳定状态,因此产气量也很均衡容易做到均衡产气和计划用气,能与农业生产用肥紧密结合,适宜处理粪便和秸秆等混合原料投料启动成功后,不再需要进行管理,简单省事缺点要求有充分的物料保证,发酵装置结构和发酵系统比较复杂,造价高需要每天或定期加入新物料,以维持正常发酵产气产气分布不均衡,高峰期产气量高,其后产气量低,因此所产沼气适用性较差由于此次设计建造的养殖场及沼气系统需要处理大量的猪粪,所以选择连续发酵进行相关设计。以下为技术路线图:图2。1沼气发酵技术路线图2。2原料的前处理用水清洗猪舍,冲洗猪舍的污水流经格栅时可过滤除去石块、塑料等无机物,初步过滤后的污水流入集水池中备用。以人工清理的方式将猪粪集中转移至指定地点。在匀化池中,用冲洗猪舍所得的污水与清出的干猪粪按照一定比例混合成适于发酵的浓度的料液。为防止消化池的堵塞,料液还需经过固液分离设备分离与集水池沉降除去大颗粒杂物,最后得到适用于发酵的料液。2。3厌氧消化以发酵温度的高低可区分为常温、中温(3036℃)以及高温(5060℃)。温度越高,有机物分解速度越快,产气率越高,滞留时间越短,但中温和高温发酵需要额外的设备与能量以维持反应所需的温度。综合考虑每日的处理量、成本与收益,本设计选择常温进行厌氧消化步骤。2。4沼气、沼液与沼渣的利用产生的沼气用于发电或户用燃气可在一定程度上减少化石能源的使用,保护环境;沼液与沼渣作为有机肥料施用可减少化肥的使用量。3养猪场设计将饲养的猪群按照不同的生理状态分类并饲养在不同的猪舍内有助于管理与环境控制,同时结合饲养密度、群体数量以及该类猪群的组数,可计算出该类猪舍的最小面积,因此,各类猪群数量及其猪群组数是养猪场设计规划的重要依据[8]。3。1猪群结构设计按保有量4000头计算,设定目标每年出栏肉猪10000头,每头母猪每次每窝生产仔猪数量为10头,哺乳阶段的仔猪成活率92%,断奶后的保育阶段的仔猪成活率为95%,生长育肥阶段的成活率为98%。则每年出产的总窝数为:,由此可以得出年产窝数==1193。461194窝年。分娩母猪:采用7天制繁殖节律,一年按52周计算,则每周成功分娩的母猪数量为:头。妊娠母猪:若使妊娠母猪群的分娩率达到90%,则参与妊娠的母猪数量为:头。空怀配种母猪:实际生产过程中存在着部分参加配种的母猪出现返情和流产等现象,母猪的情期受胎率为80%,为保证每周有26头母猪成功妊娠,则每周参加配种的空怀母猪数量至少为:头。哺乳仔猪:通过计算得到每周进行分娩的母猪数量为23头,每次每窝生产活仔猪10头,则每周出生的活仔猪数量为头。断奶仔猪:每周新出生仔猪230头,哺乳阶段的仔猪成活率为92%,则每周转入保育舍的仔猪为:头。保育仔猪:保育阶段的仔猪成活率为95%,仔猪进入保育舍后的保育过程持续至70日龄,则每周转入育成阶段的仔猪数量为:头。育成育肥猪:育肥阶段的仔猪成活率为98%,每周转入70日龄仔猪数量为202头,则每周出栏仔猪数量头。3。2各类猪群的猪群组数及其在各猪舍的饲养时长猪群组数的计算可按照该式:。空怀配种母猪:假设参与配种的母猪进入配种舍10d后发情并配种,为鉴定其是否成功妊娠,配种后停留1个发情周期(21d)。则参与配种的母猪在配种舍内的停留时间为:10+21=31d,猪群组数为:=4。435。妊娠母猪:猪的妊娠期一般为114d,一个发情周期为21d,实际生产中可能会出现发情周期伊始即成功妊娠的情况,若提前一周(7d)将妊娠母猪转至分娩哺乳猪舍,则母猪在妊娠猪舍内的饲养时间为:114217=86d,猪群组数为:。哺乳母猪及哺乳仔猪:假设仔猪出生21d后断奶,其猪群组数为:;哺乳母猪在分娩哺乳猪舍的饲养时间为:21+7=28d,猪群组数为:。保育仔猪:断奶后转入保育猪舍饲养至70日龄,故在保育猪舍的饲养时间为:7021=49d,猪群组数:。育成育肥猪:完成保育后的仔猪转入育成育肥猪舍饲养至180日龄以达到出栏的要求,则饲养时间为:18070=110;猪群组数:。3。3总存栏量、占栏数量与面积将计算所得的结果列表如下:表3。3。1猪场的猪群结构与组成猪群类别饲养期d组数每组头数存栏数头空怀配种母猪315(4。43)33165妊娠母猪8613(12。29)26338哺乳母猪2842392哺乳仔猪213230690保育仔猪4972121484育成育肥猪11016(15。71)1981188种公猪24后备公猪12后备母猪35149总计存栏4142头猪。每头猪所需的猪栏面积如下:表3。3。2每头猪所需猪栏面积指标猪群类别每栏头数实体地面猪栏漏缝地板猪栏空怀配种母猪51。52。01。4妊娠母猪22。53。01。41。8哺乳母猪15。05。54。04。5哺乳仔猪150。30。60。20。4保育仔猪100。60。90。40。6育成育肥猪100。91。20。60。8种公猪15。07。04。06。0后备公猪10。71。00。91。0后备母猪20。71。00。91。0本设计选择实体地面猪栏,每头猪所需面积取最大值,则有:165&#215;2+338&#215;3+92&#215;5。5+690&#215;0。6+1484&#215;0。9+1188&#215;1。2+24&#215;7+12&#215;1+149&#215;1=5374。2。3。4粪污量各类猪群产生的粪便与尿液量如下:表3。4。1各猪群的粪便量种类体重(kg)日排泄量(kg)年排泄量(t)粪量尿量合计粪量尿量合计育肥猪902。33。23。07。05。310。21。01。82。8生长猪601。92。72。05。03。97。50。81。32。1仔猪301。11。61。03。02。14。60。50。71。2妊娠母猪1603002。12。84。07。56。19。80。92。02。9哺乳母猪1603002。54。24。07。06。511。21。22。03。2种公猪2003002。03。04。07。06。010。00。92。02。9全部取最大值进行计算,由此可以得出总粪便量:表3。4。2各类猪群粪便总量种类数量头日粪便量kg头日尿液量kg头日总粪便量kg日总尿液量kg育肥猪11883。27。03801。68316生长猪14842。75。04006。87420仔猪6901。63。011042070妊娠母猪3382。87。5946。42535其它母猪4064。27。01705。22842种公猪363。07。0108252总量414217。536。51167223435规模化养殖场主要清粪工艺为水泡粪与人工干清粪,其优缺点对比如下:表3。4。3各清粪工艺的优缺点水泡粪人工干清粪优点可定时、有效地清除畜舍内的粪尿,减少劳力及用水,提高养殖场自动化管理水平。防止固体粪便与尿及污水混合,以简化粪污处理工艺及设备,降低后续粪尿处理的成本,及时清除粪尿,保持畜舍环境卫生,减少用水、用电,粪中营养成分损失小,肥效价值高,便于高温堆肥或其他方式的处理利用。缺点增加了粪污处理量及固液分离的设备投资与能耗,固体物料肥效也大大降低,增加了粪污水处理的成本。另外,粪便长时间在猪舍中停留会进行厌氧发酵产生畜禽舍中最主要的有害气体和。依赖人工,方式原始,人力资源成本较高[9]。本设计选择人工干清粪工艺,以一头仔猪用水量5L,其他猪10L计算,则每天用于清粪的水量为:690&#215;5+3452&#215;10=3450+34520=37970L。总废液量为:37970+23435=61405L=61。405=61。405t。4设备选型与计算4。1格栅在集水池前设置一定数量的格栅是为了初步滤去大型的杂物颗粒,防止管道与水泵堵塞。从节省成本的角度考虑,由于干清粪工艺产生的污水量小于其他工艺,故此处采用中、细两种规格的不锈钢格栅(规格分别为10mm40mm和3mm10mm)相结合的方式,安装于集水池前,只需每日定期进行人工清理即可。4。2集水池集水池容积可按照下式计算:式中:V—集水池有效容积,单位为立方米()Q—养殖场每日排污水量,单位为立方米每日()n—每日排污次数计算可得每日产生污水61。405,假设每日排污2次,则由上式可得有效容积为,且在此基础上应预留一定的设计余量,若预留10%的设计余量,则集水池有效容积为:,有效水深设定为2m,则底面积为。为保障安全起见,集水池应超出地面一定的高度,若超高0。5m,则集水池的总高度为,总容积为,设计为规格。4。3匀化池将收集的污水与粪便按一定比例充分、均匀地混合以获得满足厌氧消化条件的料液。料液浓度下限为6%,每日的粪便量为11672kg猪粪干物质含量为20%,则每日用粪便混合所得到的料液量为:,所需要的废液量为。料液密度为,则料液体积=,预留10%作为余量,则匀化池容积为,设定有效水深为2m则底面积=,超高0。5m,则匀化池的实际容积=,可设计为规格。为了得到满足要求的料液,此处应设置搅拌器,使废液与粪便均匀混合。本设计选用桨式搅拌器,适用于乳浊液、低粘度液体以及固体微粒含量低于10%的悬浊液。4。4固液分离与沉淀池为有效去除固体杂物,混合完成的料液进入沉淀池前应先进行固液分离。本设计选择螺旋挤压式固液分离机。设备主机功率47。5kW,每小时可处理的猪粪水,每天运作6h,按照最大处理量进行计算,则需要台固液分离器,足以应对每日的处理需求。图4。4。1螺旋挤压式固液分离机本设计选用竖流式沉淀池,其结构如下所示:图4。4。2竖流式沉淀池及其中心管结构相关计算如下:中心管面积f()与直径()取中心管流速为0。025ms,日产生料液量为38。9067t,处理时间2h,则设计处理流量为,中心管面积,直径=。中心管下端(喇叭口)到反射板间的缝隙高度(m)喇叭口管径取中心管直径的1。35倍,即设喇叭口与反射板间的缝隙水流速度,可得沉淀部分有效断面积()表面负荷取,则沉淀池水平流速,表面积沉淀池尺寸取边长为4。5m。沉淀部分有效水深,取2。5m。校验池径水深比池直径(或正方形的一边与水深之比不大于3),对该池有:,符合要求。校验集水槽出水负荷对该池有:29,满足设计需求。污泥斗的容积从降低池子高度和节省建设成本的角度考虑,本设计中的沉淀池采用2个污泥斗,对称布置;设每个污泥斗的下端边长为0。8m,倾斜角度,则有:污泥斗深污泥斗容积污泥的体积初沉池进水SS浓度为60120mgL,取最不利值120mgL。。。
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