1、沼气大型沼气工程项目初步设计 讷河市北方食品有限责任公司 大型沼气工程项目 初 步 设 计 第一部分：初步设计说明书 第二部分：初步设计图纸 第三部分：初步设计概算书 第四部分：初步设计附件 第一章 工程概况 第一章 工程概况 1.1 项目概况 1.1.1 项目名称 讷河市北方食品有限责任公司大型沼气工程项目 1.1.2 项目建设单位 讷河市北方食品有限责任公司 1.1.3 项目建设地址 讷河市六合镇灯塔村 1.1.4 建设目标 33，发电936kwh，日处理鲜粪24t项目达产后日生产沼气864 m。，供气240 m该项目以沼气为核心，通过利用养殖场固体粪便生产沼气和有机肥，并利用沼气发电；沼
2、渣，沼液用于有机作物种植。该项目将环境保护和养殖业、种植业有机结合起来，达到养殖场废弃物的无害化、资源化、减量化的目标；通过生产可再生能源缓解农村能源供需矛盾，降低不可再生能源的消耗；使项目区走上能源生态可持续发展的良性循环轨道，极大的促进了农村经济的可持续发展。沼气工程从根本上改变传统的粪便利用方式，促进物质高效转化和能源高效循环，提高资源利用率。并使其上连养殖业、下承种植业，促进农业种养一体化。通过沼气工程的建设，形成以沼气为纽带发展循环经济，建立节约型社会的有效途径。 1.1.5 建设标准 本工程所依据的建设标准主要为农业部发布的沼气工程建设8项农业行业标准及大中型沼气工程技术标准汇编（
3、黑龙江省人民政府农村能源办公室）。 8项标准分别为：沼气工程技术规范第3部分：施工及验收、沼气工程技术规范第4部分：运行管理、沼气工程技术规范第5部分：质量评价、规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程、规模化畜禽养殖场沼1 第一章 工程概况 气工程设计规范和沼气发电机组。 大中型沼气工程技术标准汇编包括：沼气工程工艺设计规范、沼气工程供气设计规范、沼气工程施工及验收规范、沼气工程运行管理规范、沼气工程质量评价规范、规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程、规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范、沼气发电机组技术规范、沼气工程规模分类。 1.1.6 项目工艺技术方案 该项目以处理
4、粪污为主，采用以“高浓度CSTR厌氧反应器”为核心的处理工艺。在工艺选择和方案设计中，采用全混式机械搅拌、高浓度的消化工艺，沼气经过净化后发电及供气。同时该工程配置有贮气柜，辅助用房等辅助设施，该养殖小区采用人工干清粪方式，养殖小区每日产生30t粪便（主要为牛粪），其中80%即24t可收集起来作为CSTR厌氧反应器的原料，GSTR厌氧反应器浓度为10%。 1.1.7 建设内容及规模 33；864m/T，36m）日处理粪便24T，牛粪的单位产气量为项目区日产沼气（133贮液池，辅助用房5000m反应器22）500m座，输气工程一处，CSTR（3的贮气柜1座用于供气及发电。 及配套脱硫、脱水等设备
5、；450m33，日产沼气万m864m，厌氧反应器年产沼气量（3）项目投产后，CSTR31.54333沼气日发电936kwh，剩余624m年供气，8.76万m，年发户供气向200240m电34.16万kwh，年产沼渣1577吨，沼液14190吨。 1.1.8 投资估算和资金筹措 项目总投资456万元。其主要资金来源有：申请国家资金150万元，地方投资68万元，企业自筹资金238万元。 1.1.9 建设期限 项目获国家批准立项后1年。 1.1.10 市场预测及效益分析 根据确定的产品方案和建设规模及预测的产品价格，达产期内年均销售收入2 第一章 工程概况 86.1万元，年均总成本72.94万元，利
6、润13.16万元；项目财务内部收益率（FIRR）为6.49%，项目财务净现值（ic=6%时）为14.46万元。以上部分说明盈利能力满足了行业最低要求，财务净现值均大于零，该项目在财务上是可以接受的。 项目的投资回收期为9.23年（含建设期），小于行业基准投资回收期，表明项目投资能按时收回。 1.2 设计依据 1.2.1 总体依据 审批的讷河市北方食品有限责任公司大型沼气工程项目可行性研究报告 关于讷河市北方食品有限责任公司大型沼气工程建设项目可行性研究报告的批复 关于做好养殖业大中型沼气工程可行性研究报告和初步设计文件编制及审核工作的通知农办科200866号 建设工程勘察设计管理条例 沼气工程
7、技术规范 规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范 大中型沼气工程技术标准汇编黑龙江省人民政府农村能源办公室 农业部发布的沼气工程建设8项农业行业标准 1.2.2 相关国家法律、法规和政策 （1）中华人民共和国环境保护法 （2）中华人民共和国农业法 （3）中华人民共和国可再生能源法 （4）中华人民共和国畜牧法 （5）中华人民共和国水污染防治法 （6）中华人民共和国节约能源法 （7）畜禽养殖污染物防治管理办法 （8）中共中央国务院关于推进社会主义新农村建设的若干意见 （9）中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议 （10）全国农村沼气工程建设规划（2006-2010） 3 第一章 工程概
8、况 （11）可再生能源中长期发展规划（2006-2020） （12）现代农业示范项目建设规划（2007-2010） 1.2.3 相关规范与标准 （1）沼气工程技术规范（NY/T1220-2006） （2）室外排水设计规范（GB50014-2006） （3）环境工程设计手册（水污染防治卷） （4）建筑设计防火规范（GB50016-2006） （5）畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596-2001） （6）建筑结构荷载规范（GB50009-2001） （7）钢结构设计规范（GB50017-2003） （8）混凝土结构设计规范（GB50010-2002） （9）建筑抗震设计规范（GB50011-2
9、001） （10）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002） （11）工业与民用建筑供配电系统设计规范（GB50007-2002） （12）砌体结构设计规范（GB50003-2001） （13）城镇燃气输配工程施工及验收规范（CJJ33-89） （14）有机肥料标准（NY525-2002） （15）建设项目经济评价方法与参数（第三版） （16）投资商项目可行性研究指南 （17）建筑安装工程间接费用定额（2001） （18）工程勘察设计收费管理规定 （19）畜禽养殖场大中型沼气工程建设项目可行性研究报告编写指南 （20）Anaerobic Digestion Feasibility Stu
10、dy for the Bluestem Solid Waste Agency and lowa Department of Natural Resources （21）PEP-Biogas Project in China Technical Feasibility Study 1.3 设计指导思想 设计以提高浓度厌氧消化工艺规模为重点，沼气不直接排空，沼肥不直排，尽最大努力扩大为农户供气、供肥范围，确保沼气充分利用，沼渣沼液充分还田，4 第一章 工程概况 沼气沼肥利用率达到100%为指导思想。 1.4 主要技术经济指标 表1-1 项目主要技术经济指标 序号 名称 单位 指标值 1 产品品种与
11、年均产量 沼气发电 万kwh 34.16 沼气供气 3 万m8.76 沼渣 t 1577 沼液 t 14190 2 投资 基本建设投资 万元 456 建设期利息万元 0 总投资 万元 456 3 资金筹措 申请国家资金万元 150 地方配套资金 万元68 企业自筹 万元238 4 财务效益 年均销售收入（达产年）万元 86.1 年均总成本（达产年） 万元 72.94 年均利润（达产年） 万元13.16 内部收益率（所得税后） % 6.49 财务净现值（所得税后）万元 14.46 投资回收期（所得税后）年 9.23 5 第二章 总图设计说明 第二章 总图设计说明 2.1 设计依据 依据项目建设规
12、模，结合场地、物流、环境、安全、美学等条件和要求对工程总体空间和设施进行合理布置。 2.2 项目区概述 2.2.1 地理位置及区域范围 本项目建设在黑龙江省讷河市六合镇灯塔村北纬48315100，东经1241512615，位于黑龙江省西北部，嫩江上游东岸。养殖场年存栏肉牛2000头，每天可提供24t鲜粪，有充足的沼气发酵原料，养殖场有预留建设用地，并且紧临6.1万亩的有机作物种植，保证了该沼气工程产生的沼渣沼液有充足消纳市场。 2.2.2 气候条件 讷河市地处中温带大陆性季风气候区内，气候特点为：冬长夏短，年平均气温为3.7。 年平均气温 0.32 月平均最低气温 -23 月平均最高气温 21
13、.03 极端最高气温 37 极端最低气温 -39.5 年平均风速 4.2m/s 年平均相对湿度 67% 年平均总降水量 471.74mm 年平均无霜期 120d 最大冻土深度 195cm 2.2.3 社会条件 （1）基本资料 讷河市位于黑龙江省西北部，北依伊勒呼里山，东接小兴安岭，西临嫩江，6 第二章 总图设计说明 南联松嫩平原，总面积1.51万平方公里，生活着汉、满、回、蒙古、达斡尔、朝鲜、鄂伦春、鄂温克等17个民族，总人口50万。讷河市辖14个乡镇厂，驻有中储粮北方农业开发有限责任公司及所辖农厂、东北航空护林中心和黑龙江省九三农厂管理局及11个国营农厂。讷河市是全国著名的麦豆生产基地、马铃
14、薯生产基地、甜菜生产基地，素有北国粮仓之美誉，1997年被评为“中国大豆之乡”，是沟通黑河口岸、辐射大兴安岭和内蒙古东部的交通要道和商品集散地。讷河市自然资源极为丰富。耕地面积在省内居第二位；森林资源居第九位；草原资源居第二位；矿产资源十分丰富（现已发现铜、金、铝、铁、钨、锌、镍等金属矿产62种，其中铜的储量占全省首位，（全国第三）；非金属矿产有30多种，其中大理石的储量居全省之首，被誉为“地质摇篮，矿产之乡”。 （2）地理位置 北纬48315100，东经1241512615，位于黑龙江省西北部，嫩江上游东岸。 （3）交通条件 讷河市地理位置优越，交通便利，四通八达。 （4）供水条件 本项目用
15、水由屠宰厂供水系统供给，能够满足项目生产用水的需要。 （5）供电条件 讷河市工业基础较好、煤炭及电力资源充足，电价便宜，供电有保障。屠宰厂供电设施齐备，项目用电可利用屠宰厂的供电设施。 2.2.4 农业经济发展状况 讷河市土地辽阔，气候稳定，年积温2，600度以上，生产条件好，盛产水稻、大豆、小麦。玉米等农作物，还有蔬菜、西瓜、大蒜、烤烟、甜菜、药材、油料等经济作物。在12.1万公顷的耕地中，旱地和水田各占84.5%和15.5%，农业综合开发的潜力很大。 可养鱼面积0.4万公顷，40多个鱼种中的镜泊湖鲤、湖鲫、红尾在省内享有声誉。天然无污染的钻心湖区域为世界名贵冷水鱼虹鳟鱼养殖场，是全国最大的
16、虹鳟鱼系列基地。 7 第二章 总图设计说明 烤烟种植面积达3，030公顷，总产量达到6，239吨；甜菜种植面积1，938公顷，实现了原料、生产、销售一条龙，总产量达到4.0万吨；生产加工的响水大米闻名国内外，是我市粮食作物中优势产品，已经形成相当的规模；蔬菜种植面积达到7，101公顷，总产量24万吨。 2.3 总平面布置 沼气工程的总体布置紧凑，便于施工、运行和管理；并结合地形、气象和地质条件等因素，经过技术经济分析确定；竖向设计应充分利用地形、设施高度，达到排水畅通、降低能耗、土方平衡的要求；构筑物的间距应紧凑、合理，并应满足施工、设备安装与维护、安全的要求；附属建筑物宜集中布置，并应与生产
17、设备和处理构筑物保持一定距离；各种管线应全面安排，避免迂回曲折和相互干扰，输送污水、污泥和沼气管线布置应尽量减少管道弯头以减少能量损耗和便于清通；各种管线应用不同颜色加以区别。 2.4 竖向设计 1）竖向布置应与总体布置和平面布置相协调 2）满足生产工艺、场外运输装卸、管道敷设对坡度、坡向、高程的要求 3）充分利用原有地形坡度，达到排水畅通、降低能耗、土方平衡的要求。 2.5 交通组织 1）主要车行道的宽度：单车道为3米，双车道为5米，并应有回车道。车行道转弯半径不小于6米。 2）人行道的宽度为1米-1.5米。 8 第三章 工艺设计说明 第三章 工艺设计说明 3.1 工艺确定原则 1、采用先进
18、、成熟、运行可靠的工艺技术； 2、在确保沼气产量的前提下，尽量减少投资和运行成本； 3、设备质量优良可靠，确保运行稳定，具有良好的性价比，创建“放心工程”； 4、工程力求操作管理简便，降低劳动强度。 3.2 项目资源/产物计算 3.2.1 粪污产量 业主提供的实测数据污染物量见表3-1。 表3-1 污染物量表 项目 粪量 养殖量 粪量小计 肉牛 d.12kg/（头）头2000 24t/d 3.2.2产量估算 沼渣沼液产量估算3.2.2.1年后投产，建设沼气池容积每日沼液产量38.88t，项目立项后，预计133；每日沼液产200，供气户；每日沼渣的产量4.32t1000m，日生产沼气864m 3
19、8.88t。量每亩有机项目达产后，沼渣及沼液主要供果园菜地和农田作为有机肥使用。 作物种植基地使用沼渣、沼液约年。0.5t/0.51沼气工程产品的定价是由市场定价，沼气发电按照其替代产品价格定，3价格定价；沼渣的价格基本按照有机肥的价格的/kwh元；沼气供气按照元1/m ，沼液/t元计，50%20020/t元。9 第三章 工艺设计说明 3.2.2.2 沼气产量和发电量估算 综合考虑各种限制条件和可能产生的损耗，本项目沼气产量确定为项目投产33，向200户供气，日产沼气864m后，CSTR厌氧反应器年产沼气量31.54万m333日发电936kwh，年发电34.16剩余沼气624 m万kwh。24
20、0m年供气，8.76万m ，3.3 处理工艺选择 3.3.1 粪污前处理系统 粪污前处理系统包括进料间和平板滤池等。粪污水由汇集管网运送至预处理单元，经过一系列前处理后进行厌氧处理。 3.3.2 厌氧消化系统 厌氧工艺不仅可大量去除可溶性有机物（去除率可达85%-90%），还可杀死传染病菌、有利防疫；厌氧工艺可产生沼气、沼渣、沼液，是养殖场粪污得以综合利用的重要手段。 厌氧消化工艺包括进料单元、厌氧消化单元、保温增温单元、以及沼液、沼渣输送管网等构成。 3.3.2.1 进料方式选择 调节池内粪污由螺杆泵向厌氧消化单元进料。由于粪污浓度高，提升泵采用单螺杆泵。进料方式有若干种选择，可以采用一次进
21、料，也可采用分批进料方式。本工程设计采取一次进料的方式。 3.3.2.2 厌氧处理工艺选择 根据本项目的具体情况选用CSTR全混式工艺即完全混合厌氧工艺。CSTR全混式工艺需要有足够的搅拌，相对能耗较高，但CSTR属于高浓度发酵工艺，3（/md），高温发酵产气率可达中温发酵产气率可达到产气率较高，0.8-1.5 m1.5-2 3/（md）m，该工艺适用于中国所有区域和所有养殖品种。 3.3.2.3 反应器结构 本工程拟选用一体化厌氧发酵装置，即沼气发酵与沼气储存于一体的反应器。沼气发酵装置仍采用带搅拌的CSTR装置，但在反应器顶部并不是通常看到的钢板顶盖，而是采用了国外先进的双膜储存技术，这样
22、就具有外形美观、造价10 第三章 工艺设计说明 低廉和操作简单等多种优点。 3.3.2.4 搪瓷拼装罐说明 普通的厌氧反应器均采用钢筋混凝土结构。近年为了缩短施工周期，节省建筑材料，提高反应池的施工质量，建设美观大方的能环工程处理装置，也多采用新材料、新技术建造的厌氧反应器。典型的有德国的利普（LIPP）公司的利普罐和德国Farmetic公司的拼装罐。这些技术应用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备将镀锌或镀搪瓷钢板建造成体积为100-3000m3的反应器。 拼装式反应器利用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳技术结构原理，将经过处理的模块（搪瓷材料）通过栓接的方式现场
23、拼接成圆形反应器。模块经过特殊的工艺处理，在标准钢板的内外两面涂上搪瓷涂层（或其它防腐形式）。预处理板形成的保护层不仅能阻止简体腐蚀，而且抗强酸、强碱，同时还具有极强的抗磨损性。 拼装式反应器的设计包括反应器罐体结构设计、反应器基础设计和配套产品的嵌接设计。在反应器容积确定后，反应器罐体结构设计涵盖模块计算、装配设计、拼装设备模块强度设计计算及连接材料（螺栓）的设计计算，各个环节参数的合理选择是反应器经济性的保障。反应器基础设计包括基础形式的确定和基础的密封两个部分。拼装式反应器的配套产品与罐体的合理嵌接是反应器功能扩展的必要条件。在开发拼装式反应器过程中，除了罐体采用拼装式结构，其配套的设备
24、也可采用拼装式的搪瓷结构。 3.3.2.5 厌氧反应器配置选择 每座厌氧反应器内设置二台罐内搅拌器，用于使进料均匀分布于罐体并充分与厌氧微生物接触混合。 厌氧罐底另设有排渣系统，定期将罐底惰性污泥排出。排出的污泥进入沼渣储存池，然后运送到下一个处理单元。 3.3.2.6 保温与增温选择 厌氧消化反应过程受温度影响很大，本项目厌氧处理单元设计为高温，其最佳温度范围为53-58。为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，必须对系统实11 第三章 工艺设计说明 施整体保温措施，同时还需要对厌氧消化罐进水进行增温处理。 1、保温 系统整体保温包括管道、阀门保温；厌氧消化罐的保温；沼气储柜水封池的保温。 对于
25、各种管路能地埋的则地埋，地上管路采用北方地区常规高温方式实现；对厌氧消化罐、沼气存储池，采用聚苯乙烯和聚氨酯等材料进行强化保温。另外，在六个罐之间设置一个操作间，尽可能地将靠近的管路、阀门设置在该房间内，起到保温防冰冻作用，以确保各种工艺设施在冬季仍能正常运行。 2、增温 增温主要包括厌氧消化罐增温和调节池的增温。 (1)增温的主要热源来自两个热电联供发电组所产生的余热和辅助增温系统；在罐体与罐外保温层之间设置余热交换管网，发电机组余热通过罐壁外交换管网交换热量，实现对罐体的增温， (2)罐体入地下6米，地上3米,全部用阳光扳罩上，利用太阳能保证罐体温度。阴雨天辅助秸秆气化炉供热系统。 3.4
26、 沼气净化与存储工艺选择 3.4.1 沼气净化工艺选择 沼气工程中产生的沼气用于发电、发电余热用于加温沼气反应器。每天产沼气量864m3，用于供气240m3，用于发电沼气量624m3，按照济柴沼气发电机每立方米沼气发电量1.5千瓦时计算，则整个项目每天的发电量应在936千瓦时。 厌氧消化产生的沼气应经过脱水、脱硫处理后进入沼气储存和输配系统，然后输送至沼气发电机组发电。经过净化处理后的沼气质量指标，应符合下列要求：沼气低位发热值大于18MJ/m3；沼气中硫化氢含量小于20mg/m3；沼气温度低于60. 1.沼气脱水。沼气中水分宜采用重力法脱除。进入沼气气水分离器的沼气量应按平均日产气量864m
27、3计算；分离器内的沼气供应压力应大于2000帕；分离器的压力损失应小于100帕。 采用重力法沼气气水分离器空塔流速宜为0.21m/s0.23m/s。沼气气水分离12 第三章 工艺设计说明 器的入口管内流速宜为15m/s，沼气出口管内流速宜为10m/s。沼气气水分离器内宜装入填料，填料可选用不锈钢丝网、紫铜丝网、聚乙烯丝网等。沼气管道的最低点必须设置沼气凝水器，定期或自动排放管道中的冷凝水。沼气凝水器直径宜为进气管的3倍5倍，高度宜为直径的1.5倍2.0倍。 2.沼气脱硫，沼气中含有少量硫化氢气体，脱除沼气中硫化氢可采用干法与湿法及生物脱硫；根据测算，利用牛场粪水生产沼气，沼气H2含量应该在0.
28、52.0g/m3之间，本工程采用世界最先进的网状生物脱硫法。 沼气通过网状的线速度宜控制在7mm/s11mm/s；沼气通过颗粒状脱硫剂的线速度宜控制在20mm/s25mm/s，通过在穹顶布置网状脱硫器，把硫留在沼液里，增加沼肥的肥力。 3.4.2 沼气储存工艺选择 由于产气量和用气量之间存在不平衡，因此需设储气柜进行调节。沼气储气柜有多种结构形式，本工程选择双模式沼气储存器。 3.5 热电联供发电机配置选择 沼气利用有三种选择：第一种是沼气全部用于燃气使用；第二种是沼气全部用于发电；第三种是沼气部分用于发电部分用于燃气。本工程选择第三种沼气部分用于发电部分用于燃气。 3.5.1 热电联供发电机
29、能量转换关系分析 由粪污水厌氧消化处理后所产生的沼气是一种优质的生物体能源。在标准状态下（0，101.325kpa），每立方米沼气可产生热量约为5500kcal(23.1MJ),理论上相当于电量6.4kw.h(1kw.h=3.6MJ)。 效率较高的沼气发电机可把沼气中总含能量的35-40%左右的能量转化成电能，45%左右可以以余热的形式回收，总效率最高可达86%。 沼气发电机组所发出的电力可自用，可以上网销售。余热回收换热器回收的余热可以用于厌氧消化罐的增温和物料预热、蔬菜大棚的取暖和办公室夏季空调制冷。 目前用于沼气发电的发电机组共有以下三种类型，一是通过普通柴油内燃机组改装后的柴油沼气双燃料发电机组，是以沼气为主，柴油为辅的一种发电13 第三章 工艺设计说明 机组，主要用于小规模的沼气发电项目。目前比较常见的是纯沼气内燃机组，通过专门设计的燃烧沼气的内燃机做工后生产电力。另一种是沼气燃汽轮机式的沼气发电机组，沼气燃烧后直接推动燃气轮机的叶轮带动发电机生产电力。这三种形式各有优点与适用范围，其性能比较见下表3-2 表3-2 三种形式沼气发电机组的比较 发电机组形式双燃料沼气 发电机组 纯沼气内燃机 发电机组 纯沼气燃气轮机 发电机组 经济性 价格低 价格较高 价格高 效率 低 较高
