污泥消化计算参考.doc

第十节 消化池容积计算
泥量计算：V=m3/d
⑴消化池有效容积的计算
①.根据污泥龄计算
V=Qvc 式（2.39）
式中 V———消化池容积，m3；
Q———污泥量，m3/d；
vc———污泥龄，d，采用经验数据。取vc=20d.
V=Qvc=906×20=18120（m3）
②池体设计
采用中温两级消化，容积比一级∶二级=2∶1，则一级消化池容积为12080m3，用2座，单池容积为 6040m3。二级消化池容积为 6040m3，用1座。
①.圆柱形消化池几何尺寸。一级、二级消化池采用相同的池形。

图2.15 计算简图
消化池直径D采用30m，集气罩直径d3=4m，高h4=3.0m，池底锥底直径d2=2m，锥角采用20。
故h2=h3=（30-2）/2 ×tan=6.0 m
消化池柱体高度h1>D/2=15m,取16m
消化池各部分容积：
集气罩容积V4=×h4==25.13m3 式（2.40）
下锥体容积 V3=1/3（） 式（2.41）
=1/3×6.0×
=1514.25m3
弓形部分容积，即V2=+4h22)=6446.55m3 式（2.42）
柱体容积V1==×302×16=11309.8m3 式（2.43）
故消化池有效容积V= V1+V3=11309.8+1514.25=112824.05m3＞6040m3
消化池个部分表面积：
集气罩表面积A4== 式（2.44）
池顶表面积A3=m2 式（2.45）
池壁表面积：（地上部分）A2==m2 式（2.46）
(地下部分) A1=A2=753.9m2
池底表面积A0=m2 式（2.47）
故消化池总面积A=A0+A1+A2+A3+A4=882.5+753.9+753.9+51.8+37.7=2179.8m2

⑵中温污泥消化系统热平衡计算
①.消化系统耗热量计算
消化系统总耗热量经常保持要求的温度，保证消化过程顺利进行。热平衡计算包括消化系统耗热量计算、消化池保温设计、热交换器的热损失三部分。
★ 加热生污泥好热量Q1，kcal/h
Q1= 式（2.48）
式中 ———每日投入消化池的生污泥量，m3/d；
TD ———消化污泥温度，℃；
TS ——— 生污泥温度，℃。
已知每座一级消化池每日投配的生活污泥，=60405%=302m3/d,
TD=35℃，污泥平均温度为8℃，日平均最低温度6.4℃，故
平均耗热量 Q1==3.375×105 kcal/h
最大耗热量 Q1max= kcal/h
★ 消化池体热损失Q2,kcal/h
Q2=∑FK（TD-TA）×1.2 式（2.49）
式中　F———池盖、池壁及池底的散热面积，ｍ２；
　　　　 TD———池外介质的温度，℃，池外介质为大气时，计算平均耗热量，采
用年平均气温9.1°，计算最大耗热量，采用冬季室外计算温度-9°；池外介质为土壤时，采用全年平均温度TB=13°冬季室外计算温度4°；
K———池盖、池体与池底的传热系数，kJ/（m2·h·℃）。
池盖K≤0.7kcal/（m2·h·℃）
池壁K≤0.6 kcal/（m2·h·℃）（池外为大气）
池底K≤0.45 kcal/（m2·h·℃）（池外为土壤）
a. 池盖的热损失Q21，已知F=A3+A4=37.7+51.8=89.5m2，池外介质为大气，
平均气温为9.3℃，冬季室外计算气温为-9℃，故
平均耗热量Q21=89.5×0.7×（35-9.3）×1.2=1947.2 kcal/h
最大耗热量Q21=89.5×0.7×[35-（-9）]×1.2=3307.9 kcal/h
b. 池壁（地面以上）的热损失Q22。若消化池池壁的1/2在地面以下，1/2在地面以上，则F=753.9m2
平均耗热量Q22=753.9×0.6×（35-9.1）×1.2=14058.8kcal/h
最大耗热量Q22=923.16×0.6×[35-（-9）]×1.2=23883.5kcal/h
c. 池壁（地面以下）的热损失Q23
因 F=753.9m2，池外介质为土壤，故
平均耗热量Q23=753.9×0.45×（35-13）×1.2=8956.3 kcal/h
最大耗热量Q23=7539×0.45×(35-4)×1.2=17081.5kcal/h
d. 池底热损失Q24
因 F=A2=882.5m2
故 平均耗热量Q24=882.5×0.45×（35-13）×1.2=10484.1kcal/h
最大耗热量Q24=882.5×0.45×(35-4)×1.2=14773.1kcal/h
每座消化池的总热量：
平均耗热量Q2=90436.7 kcal/h
最大耗热量Q2max=98453.7kcal/h
★ 输泥管道与热交换器的好热量Q3
输泥管道与热交换器的耗热量可简化计算取前两项热损耗和的5%—15%。
即Q3=(0.05—0.15)（Q1+Q2），设计取10%。
Q3=0.1×（3.3×105+0.91×105）=0.421×105 kcal/h
Q3max=0.1×（3.7×105+0.99×105）=0.469×105 kcal/h
每座消化池总耗热量为：
QT =（Q1+Q2+Q3）=4.64×105 kcal/h
QTmax =（Q1max+Q2max+Q3max）=5.16×105 kcal/h
消化池系统总耗热量=n×QT =2×4.64×105=9.28×105kcal/h
Tmax= n×QTmax =2×5.16×105=10.32×105kcal/h
式中，n为一级消化池的个数。

⑶.消化池保温设计
为减少消化池内热量损失，节约能耗，在消化池体外侧应设保温结构。由保温层和保护层组成。保温结构的厚度可通过消化池池壁结构低限热阻进行计算。即使消化池池壁结构的总热阻R0≥。
保温材料厚度 式（2.50）
式中 ———保温材料的热导率，kcal/（m2·h·℃），由计算手册附录表十一查得
———池壁结构低限热阻，（m2·h·℃）/kcal。
= 式（2.51）
式中 ———冬季池壁结构允许温差，℃，一般=7-10℃
Rn——— 池壁结构热阻，m2·h·℃/kcal，对消化池盖内表面
Rn=0.133；
K——— 温度修正系数，对消化池盖k=1；
A———保温材料变形和池壁结构热惰性系数，对压缩的保温材料A=1.2，热惰性指标D0≤3材料A=1.1，其他材料A=1。
对于多层保温结构 D0=RiSi 式（2.52）
式中 Ri———某一层材料的热阻，m2·h·℃/kcal；
Si———某一层材料的蓄热系数，kcal/ （m2·h·℃）；
=Rn+
式中 ———池壁结构中除掉保温材料外的总热阻，m2·h·℃/kcal；
Rw———池壁结构外表面热阻，m2·h·℃/kcal，取Rw=0.05。
式（2.53）
———除保温材料外各层池壁结构厚度，m
———除保温材料外各层池壁结构热导率，kcal/ （m2·h·℃）；
采用上述计算方法 较为复杂，为简化计算对于固定盖式消化池，池体结构为钢筋混凝土时，各部保温材料厚度。
= 式（2.53）
式中 ———消化池各部钢筋混凝土的热导率，kcal/ （m2·h·℃）；
———保温材料的热导率，kcal/ （m2·h·℃）；
R——— 各部分传热系数的允许值，kcal/ （m2·h·℃）；
———消化池各部分结构厚度，mm；
①.池顶盖保温。
a. 确定参数。对于消化池顶盖=7℃，Rn=0.133，Rw=0.05，k=1，假定池顶结构热惰性指标D0＜3，故取A=1.1。
b. 计算低限热阻
== 式（2.54）
设计保温层厚度、计算各层材料的R、D0 。查附录表可得： 钢筋混凝土=1.33，S4=12.85
R4===0.0752，D04=0.0752×12.85=0.966
R2=，D02=0.025×8.65=0.216
防水层=0.15，S1=2.85
R1=，D01=0.067×2.85=0.191
由于 =Rn+=0.133+0.0752+0.025+0.067+0.05=0.35
消化池顶盖保温材料采用加气混凝土，=0.25，S3=3.2
0.25×（0.792-0.35）=0.111m，取=110mm。
则 R3=，D03=0.44×3.2=1.41
d.校核总的热惰性指标
D0=D01+D02+D03+D04=0.191+0.216+1.41+0.966=2.783＜3.0
与假定的D0值相符，保温材料及选定厚度合理。
②.池壁（地面以上）保温。消化池池壁采用聚氨酯泡沫塑料作为保温材料，聚氨酯泡
沫塑料的热导率=0.02kcal/（m·h·℃），钢筋混凝土的热导率=1.33 kcal/（m·h·℃）。采用简化计算公式。
池壁 ==27mm 式（2.55）
③.池壁（地面以下）、底低保温。池底及地面以下池壁以土壤为保温层，热导率=1.0 kcal/（m·h·℃）。
==1620mm 式（2.56）
池壁在地面以上的保温材料延伸至地面以下1.2m，即冻土深度加0.5m。

⑷.热交换器的计算
污泥加热的方法有池内加热和池外加热两种。池内加热是用热水或蒸汽直接通入消化池或通入设在消化池内的盘管进行加热，这种方法由于存在许多缺点，很少采用。目前最常用的方法是采用泥-水热交换器池外加热兼混合的方式。
热交换器的计算包括热交换器管长，热源、消化污泥循环量计算。
①.污泥循环量的确定。设计采用一座消化池对应一台热交换器，全天均匀投配。
每个消化池生污泥进入一级消化池前，与回流的一级消化污泥先混合再进入热交换
器，生污泥与回流污泥的比为1∶2。
回流的消化污泥量Qs2=12.5×2=25m3/h
污泥循环总量QS=QS1+Qs2=12.5+25=37.5m3/h
②.计算污泥出口温度。已知生污泥日平均最低温度为13℃。
生污泥与消化污泥混合后的污泥温度：
℃ 式（2.57）
污泥出口温度==27.67+℃
③.热水循环量Qw 。热交换器入口热水温度采用Tw=85℃，出水温度=75℃，Tw-=85-75=10℃。
则热水循环量为：
Qw=m3/h 式（2.58）
④.热交换器口径确定。选用套管式泥-水热交换器，内管通污泥，管径DN85mm，内管外
径D=94mm。
污泥在管内流速m/s（在1.5—2.0m/s之间，合格）
外管管径DN135mm，热水在外管内管间流速为：
m/s（在1.0—1.5m/s之间，合格）。
⑤.热交换器长度L。
由以上计算可知，=27.67-75=-47.33 ℃
=36.80-85=-48.20 ℃
℃ 式（2.59）
故热交换器长度L= 式（2.60）
式中 D———内管外径，m；
K———传热系数，约为600kcal/（m·h·℃）。
故 L=m
设每根热交换器长5m，则共有根数为：
N=48.6/5=9.72根，取10根。
⑸.锅炉容量计算
设计选用常压热水锅炉，锅炉供热水量Gw，kg/h。
式（2.61）
式中 QT———总耗热量，kcal/h；
T4———锅炉内热水水温，约90℃
——— 水比热容，1.0kcal/（kg·℃）
——— 锅炉的热效率。
锅炉供水温度取T=5℃，热效率80%，
则 Gw==10082kg/h 式（2.62）

⑹.消化池污泥气循环搅拌计算
消化池搅拌方法有多种，沼气循环搅拌法、泵搅拌法、机械搅拌法及混合搅拌法等，
现代消化池最常用的是沼气循环搅。沼气经压缩机加压后，通过消化池顶的配气环管，
由均布的竖管输入，竖管的喷气出口位置在消化池半径的2/3处。
①.搅拌气量 消化池搅拌气量一般按5—7m3/（1000m3·min）计，设计取6 m3/（1000m3·min）。
每座消化池气体用量q=636.24m3/min=0.61m3/s
②.干管、竖管管径 循环搅拌系统干管和配气管流速一般为10—15m/s，竖管为5—7m/s。干管流速取v1=12m/s,干管管径d1（m）为：
，取d1=300mm。
每座消化池设24条竖管，竖管流速v2=7m/s，竖管管径d2（m）为：
=0.068，取d2=80mm。
③.竖管长度
消化池有效深度17+20+2/2=20m
竖管插入污泥面以下的长度h=2/3=2/3×20=13.33m
④.压缩机功率 通常一台压缩机对应一座消化池。
所需压缩机功率N为：
N=VW
式中 N———沼气压缩机功率，W；
V———一级消化池容积，m3；
W———单位池容所需功率，一般取5—8W/m3。
设计取W=5W/m3，
则 N=VW=6040×5=38219.1W≈32kW
两座6040m3一级消化池，需两台功率为32kW的压缩机。

⑺.污泥消化池沼气收集贮存系统设计
①.沼气产量计算 污泥消化的产气量主要与污泥中挥发性有机物的含量及各种有机
物的比率有关。查手册得沼气产量按10倍的污泥产量考虑,则
沼气产量=90610=9060m3/d
根据 n----污泥投配率,5% 式（2.63）
=14.4m3气/m3污泥 则沼气产量=14.4m3/d
为安全,沼气量取大值。
②.集气管管径的确定 污泥一级消化、二级消化产气量分别是总气量的80%、20%，故 一级消化产气量=13046.4×80%=1043.72m3/d
每个消化池产气量=1043.72/n=1043.72/2=5218.6 m3/d=0.06m3/s
式中，n为消化池的个数，座。
所以二级消化产气量=1043.72×20%=1449.6 m3/d=0.02 m3/s
由于一级消化池中设沼气搅拌，搅拌气量为0.4m3/s，故
一级消化池集气管的集气量q1=0.4+0.06=0.46 m3/s
二级消化池集气管的集气量q2=0.04 m3/s
集气管内平均流速以5m/s计，最大不超过7—8m/s，故
集气管管径d1=m，取集气管d1=400mm
d2=m，取沼气管最小管径d2=100mm。
按最大产气量进行校核，最大产气量为平均日产气量的1.5—3.0倍，取2.2倍。
m/s（符合要求） 式（2.64）
6.13 m/s（符合要求）
⑻.贮气柜容积计算
沼气贮柜的容积应按产气量与用气量的时变化曲线来确定，当无
资料时，按平均热产气量的25%—40%，即6—10h的平均产气量计算。大型污水处理厂取小值，故
贮气柜的容积V=13046.4×25%=3261.6 m3
选用5000m3的单级低压浮盖式湿式贮气柜。