工业园区沼气发电课程设计

1. 绪论

1.1啤酒历史与发展[1][2]

啤酒的起源与谷物的起源密切相关。人类使用谷物制造酒类饮料已有8000多啤酒年的历史。已知最古老的酒类文献，是公元前6000年左右巴比伦人用黏土板雕刻的献祭用啤酒制作法。公元前4000年美索不达米亚地区已有用大麦、小麦、蜂蜜制作的16种啤酒。公元前3000年起开始使用苦味剂。公元前18世纪，古巴比伦国王汉穆拉比颁布的法典中，已有关于啤酒的详细记载。

公元前1300年左右，埃及的啤酒作为国家管理下的优秀产业得到高度发展。拿破仑的埃及远征军在埃及发现的罗塞塔石碑上的象形文字表明，在公元前196年左右当地已盛行啤酒酒宴。啤酒的酿造技术是由埃及通过希腊传到西欧的。

1881年，E.汉森发明了酵母纯粹培养法，使啤酒酿造科学得到飞跃的进步，由神秘化、经验主义走向科学化。蒸汽机的应用，1874年林德冷冻机的发明，使啤酒的工业化大生产成为现实。全世界啤酒年产量已居各种酒类之首，已突破100000ml。1986年全世界生产啤酒101588.7ml。

中国近代啤酒是从欧洲传入的，据考证在1900年俄罗斯技师在哈尔滨建立了第一家啤酒作坊。第一家现代化啤酒厂是1903年在青岛由德国酿造师建立的英德啤酒厂。1915年在北京由中国人出资建立了双合盛啤酒厂。从1905年到1949年的40多年中，中国只有在青岛、北京、哈尔滨、上海、烟台、广州等地建立了不到10年工厂，年产啤酒近一万吨，从1949年到1993年，我们用43年的时间，发展成为世界啤酒第二生产大国，这样的发展速度举世瞩目。

我国啤酒工业的未来主要有以下几方面的变化：产量的发展；规模的扩大；技术经济指标还有差距，要不断的提高；原料的发展；啤酒品种向多样化发展；高浓度酿造技术；非热消毒的纯生啤酒酿造；人才的培养等。 随着世界的发展，啤酒的生产技术逐步成为重点。当今，纯生啤酒的生产技术，膜过滤技术，微生物检测和控制技术，糖浆辅料的使用逐步发展起来。相信不久的将来，中国的啤酒业将以崭新的面貌跻身于世界啤酒先进领。 1.2存在问题[1][2]

我国的啤酒生产虽有一定的规模但产品结构不合理，粗放经营，资源浪费严重，经济效益低下，大多数啤酒生产企业的生产废物没有得到充分的回收利用。这不仅造成了资源的浪费，也对环境造成了一定的污染。

啤酒是以粮食（大麦，大米等）为原料酿造的营养性饮料，其酿造过程会产生大量的废

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气、废水和废糟。啤酒生产过程需要耗费大量的资源，包括水、电和煤炭，只有实施循环经济，推行清洁生产，才能有效解决经济效益与环境利益间的矛盾，实现我国啤酒生产的跃进。 1.3设计目的

针对啤酒厂生产过程中产生大量的废水，需要进行废水的处理，在处理废水的过程中会产生大量的沼气，利用沼气来进行发电来供应啤酒厂的一部分用电，实行清洁生产，废物利用，节省生产费用。

通过设计沼气发电流程，以及设备的选型，来为20万t/a啤酒工厂实现废水的综合利用。

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2. 啤酒废水处理流程

2.1废水特性[2]

鉴于啤酒废水自身的特性，啤酒废水不能直接排入水体，据统计，啤酒厂工业废水如不经处理，每生产100吨啤酒所排放出的BOD值相当于14000人生活污水的BOD值，悬浮固体SS值相当于8000人生活污水的SS，其污染程度是相当严重的，所以要对啤酒废水进行一定的处理。

处理方法可分为两大类:一种是好氧生物处理，另一种是厌氧生物处理。

好氧生物处理是在氧气充足的条件下，利用好氧微生物的生命活动氧化啤酒污水中的有机物，其产物是二氧化碳、水及能量（释放于水中）。这类方法没有考虑到污水中有机物的利用问题，因此处理成本较高且处理时间长。活性污泥法、生物膜法、深井曝气法是较有代表性的好氧生物处理方法。

厌氧生物处理适用于高浓度有机废水(CODcr>2000 mg/l, BOD5>1000 mg/l)。它是在无氧条件下，靠厌氧细菌的作用分解有机物。在这一过程中，参加生物降解的有机基质有50%～90%转化为沼气(甲烷)，而发酵后的剩余物又可作为优质肥料和饲料。 2.2废水处理工艺流程的选择[3]

厌氧生物处理包括多种方法，但以升流式厌氧污泥床(UASB)技术在啤酒废水的治理方面应用最为成熟。UASB的主要组成部分是反应器，其底部为絮凝和沉淀性能良好的厌氧污泥构成的污泥床，上部设置了一个专用的气-液-固分离系统(三相分离室)。废水从反应器底部加入，在上向流、穿过生物颗粒组成的污泥床时得到降解，同时生成沼气(气泡).气、液、固(悬浮污泥颗粒)一同升入三相分离室，气体被收集在气罩里，而污泥颗粒受重力作用下沉至反应器底部，水则经出流堰排出。

UASB具有效能高，处理费用低，电耗省，投资少，占地面积小等一系列优点，完全适用于高浓度啤酒污水的治理.其不足之处是出水CODcr的浓度仍达500mg.L-1左右，需进行再处理或与好氧处理串联才能达标排放。

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图2.1啤酒废水处理流程图

具体的流程为：污水进入处理厂，经过格栅过滤出较大的废渣，流至集水池调节pH，再通过污水提升泵提升到UASB反应器中，因为经过UASB反应器处理的出水不能达到出水标准，需要再经过好氧生物处理才能排放。

经过UASB之后的，产生大量的沼气，则利用这些沼气进行发电，是污染物的含量

降到最低。同时可以利用沼气发电的能量进行啤酒生产。

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3. 沼气发电系统设计

3.1废水处理相关数据

根据废水处理中UASB塔里面的厌氧发酵得出时产气量，则：

时产气量：G=902.5×0.85×0.5×9000×10-3 =3452.06 m3/d=143.83 m3/h

3每日产气量为：143.83243451.92m/d

表3-1啤酒厂废水各成分含量以及排放标准

原水 废水排放标准 COD(mg/L) 2600 80 BOD（mg/L） 2200 20 SS（mg/L） 400 70 pH 69 69 3.2沼气产量相关计算与设计 3.2.1沼气参数的设计计算

年产废水量为：1103604.97m/a，由于年生产日为330天 故日处理废水量：1103604.973303344.26m/d

333.2.2啤酒厂污水处理及沼气产量参数设计

表3-2各个参数设计

指标 啤酒生产能力 废水处理 COD BOD 废水处理参数 容积负荷 产气能力

3.3沼气收集管路系统[4]

参数 啤酒产量 日处理废水量 CODcr 数值 20万吨/年 3344.26m/天 370.5mg/L 104.5mg/L 833.28m32 5kgCOD/m3d3BOD5 UASB容积 —— 日产沼气量 3451.92m3 沼气收集系统包含了从厌氧反应器（UASB、等装置）排气管到气体净化设备之间的管路和功能设备，主要有气液分离器、水封、浮顶稳压柜和管道。

（1）气液分离器：气液分离器用于将从厌氧反应器中随沼气一起带出的泡沫等液体物质

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从沼气中分离出来，内部带消泡装置，分离后液体自动排污。采用碳钢材料，内部采用树脂涂层防腐，外部采用镀锌防腐。

（2）水封：用于控制厌氧反应器集气室内的压力，同时防止管路中出现负压现象。水封装置采用镀锌碳钢制罐状水封，带液位显示装置。

（3）浮顶稳压柜：采用水封式浮顶稳压柜，用于控制沼气输送压力处于稳定数值，使整个系统运行稳定。浮顶稳压柜容积设计为10立方米，输出压力和位置信号作为整个系统的一组控制信号。

（4）管道：采用镀锌无缝钢管，外包聚胺酯保温材料，以避免沼气在管道内温度发生大的改变。

3.4.沼气脱硫工艺及装置

沼气中含有微量的硫化氢，硫化氢是无色气体，有类似腐烂鸡蛋恶臭味，剧毒，易溶于水，其水溶液呈酸性，能与碱生成盐。

根据查找大量资料显示，啤酒厂沼气硫化氢的含量为0.961.15mg/L，而一般为1.15mg/L，按照国家环境卫生标准规定，净化后的硫化氢含量不得超过20mg/m3，对此要先进行对沼气的脱硫。 3.4.1沼气脱硫工艺[11][12]

对于脱硫，我选用干法氧化铁脱硫工艺。

沼气干法脱硫适用于含硫量较低的燃气，日处理量较少。该法工艺简单、成熟可靠、造价低、能达到较高的净化程度。

干法脱硫是在圆柱状脱硫塔内填装一定高度的脱硫剂，沼气自下而上通过脱硫剂，硫化氢被去除，选用的脱硫剂为氧化铁，其颗粒状为圆柱状，型号为MT-1型。

氧化铁脱硫原理如下：

脱硫：Fe2O3H2O3H2SFe2S3H2O3H2O 再生：2Fe2S3H2O3O22Fe2O3H2O6S 脱硫剂的基本性能指标： （1）脱硫剂装填量：VCQt1150143.83150241091.985m3 Wd0.50.63

式中V——脱硫剂装填量,m； t——脱硫剂使用时间,h；

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W——脱硫剂的原粒度的质量穿透硫容,%；

3mg/m C——进口气体中H2S的浓度，； 3 Q——原料气流量,m/h；

d——脱硫剂的堆积密度，t/m。

（2）脱硫剂的硫容在一定程度反应了除硫剂脱除硫化氢的能力，一般用百分比表示硫容：

32净化气中H2S浓度（g/m3)通入沼气量（g/m3)10034硫容（%），

脱硫剂质量（g）321.151089.3100349.9%

6000001.9853（3）由于不考虑烟气量的变化，所以脱硫效率可以计算为： 脱硫效率C0C11.150.0298.3% C01.153.4.2沼气脱硫装置设计及计算[11][12][13][14]

根据当前大中型沼气工程是实际情况及沼气中硫化氢的浓度范围确定。 一级脱硫：H2S在2g/m3以下 二级脱硫：H2S在25g/m3 三级脱硫：H2S在5g/m3以上

由此可见，啤酒厂废水沼气含量为1.15g/m3，则选择一级脱硫。

根据各方面资料，如图3-2与3-1所示，取进出口直径各位0.1m，进出口之间的距离为H;最低喷淋层离入口中间高度0.1H；出口中心离最高喷淋层之间的距离为0.1H，其中包括了除雾器与最高喷淋层之间的距离；喷淋层之间的距离h4≥1.5m～2.5m；除雾器离最近（最高层）喷淋层距离≥1.2m；当最高喷淋层使用双向喷嘴时，该距离≥3m。

设计沼气塔沼气流量为150m3/h，线速度为0.1m/s，高径比为2.5：得 （1） 空速选择

由于沼气的实际流量为Vm143.83m3/h,所以根据空速的公式得： VSPVm143.8372.46h1 V1.985 式中 VSP——沼气空速，h-1 Vm——沼气小时流量，m3/h，V——脱硫剂体积，m3

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（2） 脱硫塔塔高与直径

由于处理量较小，故取h1=6m：取喷淋层之间的距离 为1.5m，取3层，则总高度3h4=4.5m；设烟气进口和出口 塔直径各为0.1m。

图3-1 塔的布置

由图3-1与3-2可知H3h40.14.6m

故塔的外形总高为：H'H0.4H4.60.44.66.44m 设计的高径是2.5，故脱硫塔的直径为：D6.44（3）脱硫塔结构与材质

①采用A3钢板焊接制造

②塔内表面涂两道防锈漆，外面涂1~2道防锈漆 ③封头采用石棉橡胶

④液位显示在脱硫塔下部低于进气口的位置，用有机玻璃显示液位，防止冷凝水积聚在底部而影响脱硫剂工作

⑤温度监视采用WNG-12型直角式金属保护管玻璃温度计，其位设置在距床层底部100mm处

⑥观察镜设置在床层上部50mm处，采用有机玻璃以便观察床层变化，掌握脱硫剂再生时间

图3-2 脱硫塔的外形尺寸

2.52.576m

脱硫塔内部结构介绍：这种塔由碳钢壳组成，内有可以动的框子，每框内装有两层放在木架上的氧化物。框的构造为：当他们放在塔内可形成中央进气管。管的每一段开有长方形孔。气体经过此孔进入每个框的两层氧化物之间。气体与氧化物接触后，流入框与塔壳间的环隙内。并由此通至出口。在脱硫塔前需要设置汽水分离器，而且必须有足够的分离能力，在操作中，实现“严禁带液”。通常设置备用塔。 3.5沼气锅炉设计与计算

锅炉由主要部件和辅助装置构成。

（1）主要部件包括炉膛、燃烧设备、锅筒、水冷壁、省煤器、空气预热器及炉墙构架等组成。

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（2）辅助装置包括燃料的储运、送风、引风、给水、除灰渣、除尘及自动控制装置等。

此外，为了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高

低水位报警器、压力表、主汽阀、排气阀、止回阀等。 3.5.1沼气锅炉选型[11][12]

沼气锅炉一般是由燃煤锅炉改装的，根据啤酒厂产沼气量，我选择锅炉类型为快装水火管链条排锅炉，型号为KZL 4-1.3-A，其容量为0.5t/h，固定炉排。

改装后，拆除了原来燃煤时的炉内设备，利用原有的鼓风机和引风机（比燃煤时将有15%-40%的富裕量）只要供给足够的沼气，锅炉产能就能提高，其热效率为95%。

沼气锅炉的用途是为厌氧消化提供热能，使厌氧消化反应加快，产生更多的沼气。 3.5.2沼气锅炉产热计算[11][12]

表3-3沼气的主要特性参数

特性参数 低热值/(KJ/m3) 理论空气需要量/（m3/m3） 理论烟气量/（m3/m3） 理论燃烧温度/℃ 爆炸极限（体积分数）/% 火焰传递速度/(m/s)

CH4(70%) CO2(30%) 25111 6.67 9.067 1807.2—1943.5 7.0—20.13 0.243 将产生的沼气90%用于直接发电，10%用于锅炉加热产蒸汽，则用于锅炉的沼气量为：

3451.9210%345.192m3/d

沼气燃烧产能：345.192251118668116.312kJ/d 沼气锅炉热效率：8668116.31295%8234710.496kJ/d 3.6沼气发电

沼气发电系统主要设备有燃气发动机，发电机和热回收装置。由厌氧消化装置产出沼气，经过水封、脱硫后至储气柜，然后从储气柜出来，经脱水、稳压供给燃气发动机，驱动与燃气内燃机相连接的发电机而产生电力。 3.6.1沼气发动机选择[11][12]

大功率沼气发电机组是沼气工业化利用的关键设备。在我国，有全部使用沼气的单燃料沼气发动机组及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发动机组。

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表3-4两种发动机的性能比较

项目 点火方式 单燃料沼气发动机组 电点火方式 将“空气沼气”的混合物放在气缸内压缩，用火花塞使双燃料沼气-柴油发动机组 压缩点火方式 将“空气燃烧气体”的混合物放在气缸内压缩，用点火燃料使其燃烧，通过火花塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。 原理 其燃烧，通过火花塞的往复运动得到动力，然后连接发电机发电。 优点 ① 用液体燃料或气体燃料都可① 不需要辅助燃料油及其供工作； 给设备； ② 对沼气的产量和甲烷浓度的② 燃料为一个系统，在控制方变化能够适应； 面比可烧两种燃料的发电③ 如由用气体燃料转为用柴油机组简单； 燃料，在停止工作后，发电机组③ 发电机组价格较低。 内不残留未燃烧的气体 ①需要液体燃料供给设备 ①工作受到供给的沼气的数量②用气体燃料工作时也需要添加液体辅助燃料供给设备； ③控制机构稍复杂； ④ 价格较单燃料式发电机高。 缺点 和质量的影响；

根据二者的性能比较，我选择单燃料沼气发动机组，单机容量为200千瓦，热效率为33%~36%，这是由柴油发动机改造的，这在沼气发电领域上应用十分普遍。 3.6.2沼气发电机发电量计算

根据沼气发电流程，取90%沼气用于发电，10%沼气用于锅炉加热为厌氧消化提供热能，而根据工作条件和发动机的种类，发动机的热效率一般为35%，发电机热效率为90%，其余的作为废热排放。（1度电3600000J ）

则日产发电沼气：3451.9290%3106.728m3/d 沼气燃烧总能量：3106.7282511178013046.81kJ/d 发动机热效率：78013046.8135%27304566.38kJ/d 发电机热效率：27304566.3890%24574109.74kJ/d 日发电量:

245741097406826.14度

360000010

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年发电量：3306826.14=2252626.726度 3.7废热锅炉选型与计算 3.7.1废热锅炉选型[8]

废热锅炉是指利用工业过程中的余热以产生蒸汽的锅炉，其主要设备为锅炉本体和气包。 该设计的废热锅炉是用于收集沼气发电产生的余热以及沼气锅炉产生的热量来对厌氧消化装置供应热能。

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根据各个工艺条件，我选择立式废热锅炉，型号为LHS 0.5-11.8/329-Q,其技术特性如下图所示：

表3-5技术特性表

名称 设计压力，MPa 操作压力，MPa 设计温度，℃ 操作温度，℃ 介质 换热面积，m2 产气量，t/h

壳程 11.8 10.6 329 314 水、气 147.5 26.3 管程 3.4 3.06 593—386 593—371 转化气 表3-6主要零件表

名称 上管箱端盖 上管箱法兰 管箱筒体 上管板 筒体 换热管 下管箱端盖 下管箱法兰 下管箱筒体 下管板 材料 20MnMoNb 20MnMoNb 18MnMoNbR 20MnMoNb 16Mng 12Cr1MoV 12Cr1MoV 12Cr1MoV 12Cr1MoV 12Cr1MoV 规格，mm φ1490 t=130 DN1200 t=115 DN1200 δ=20 φ1330/1200 δ=150 φ1200 δ=65 φ25x4 t=4000 φ1506 t=175 φ1506 t=150 φ1220x70 φ1330/1200 δ=210 该锅炉采用平管板，用胀焊并用结构。锅炉管端热防护结构：耐热混凝土，管板BS163328/32ASTM258，压缩石棉纤维，楔管ASTM A240TVPE321，换热管BS3059/3(ASTMA214)。 3.7.2废热锅炉回收热计算[8]

根据燃气发动机的能量收支，随着发动机的种类和工作条件不同，大约沼气的总能量的35%，可直接变为发动机的机械能，40%能量变为热能，其余作为废热排放.沼气锅炉在使用

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中传递的热效率是98%。

发电余热回收：78013046.8140%31205218.4kJ/d 沼气锅炉热回收：8234710.49698%8070016.286kJ/d 总热量回收：31205218.48070016.28639275234.69kJ/d 3.8电力输出控制装置[9][10]

由于啤酒厂和污水处理厂生产过程中的用电量大，可以完全消耗掉沼气的发电量，因此无需将沼气所发电量输送到公用电网上去，应以内部消化为主。在这方面，有两种利用途径可供用户选择：

（1）一种是将发电机组输出并到厂内供电回路上，对此可以提供包括并网控制柜、计量柜、微机保护柜在内的电力输出控制装置。

（2）另一种是对某用电设备或回路采用双电源供电输出：在发电机组正常工作情况下，利用沼气发电量；当沼气发电机组停机时，采用原有的供电回路，以提高系统的可靠性。 3.9系统监测与控制设备[9][10]

采用数据通讯的方式，将沼气收集、净化处理、发电机组以及电/热输出系统中的状态

参数传输到上位机中，实现对整个系统的状态监测以及紧急停机控制功能。此外还可以形成利用沼气量、输出电量、削减温室气体排放量等计量数据，用于申报CDM项目。 本系统的硬件组成包括：通讯电缆（光缆、同心电缆或双绞线）、与PLC子站的通讯接口、上位机通讯接口以及工控机。本系统软件为组态人机界面。 3.10沼气发电流程图

见附图1

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4. 主要设备

表4-1主要设备一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

设备名称 UASB反应塔 水封器 气水分离器 脱硫塔 沼气储罐 浮顶稳压柜 鼓风机 沼气发动机 沼气发电机 沼气锅炉 给水预热器 中间冷却器 废热锅炉 给水泵 消音器 型号规格 UASB φ100×520（H）mm φ100×580（H）mm φ265×800（H）mm φ700㎜×H800㎜ 10立方米 DG超小型离心鼓风机 12V135AZD FD4MS KZL 4-1.3-A sl9.99 ZQ2~24 LHS 0.5-11.8/329-Q 50QW1100-15-11 NO012 数量 2（一台备用） 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 14

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5. 总结

刚开学还没很好的适应过来就开始了课程设计，在刚看到题目的时候觉得这个沼气发电的题目感觉很难。如我所料，这个题目确实比较难。在这之前对这个题目没有一点的认识行，也没有学习过任何关于这方面的知识。不过这个知识一个大题目的一小部分，可能全班人的题目加起来可能就跟毕业设计差不多了吧。而我分配的这个题目就是三废处理里面的一个小部分。

刚开始做的时候毫无头绪，但是参考了师姐的正文设计之后。我就稍微有了一点思路。其实在做这个课程设计的时候很多时候会被一些不认识的公式给卡住，只能去查阅一些书籍，把公式的用法和用途给弄清楚，才能继续使用。

而在这次的中，感觉最难得还是吸硫塔的设计，和锅炉发电机的选型。在查阅资料的时候，不同版本的书起有一些标准值会有一些误差，只能综合各方面的数据才能选出最合理的设备与类型。在脱硫设计中，无论是干法脱硫还是湿法脱硫都有其优缺点，而其中的困难部分还是脱硫塔的各个部分的计算。在发电机的选型中，也有单燃料和双燃料的发电机，也是在比较了优缺点之后的选择。

这次课程设计总共两个礼拜，每个人只能靠着自己去寻找资料，因为每个人的题目不一样，要寻找的资料也不一样，所以这可以锻炼人独立思考的能力。

感谢杨老师的辛勤指导以及将上一届师姐的资料给我参考，这对我们的帮助是很大的，谢谢老师。

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