馬孝松，邢攸冬

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農(nóng)村戶用可變?nèi)莘e式塑料沼氣池的設計與試驗

馬孝松，邢攸冬

（桂林電子科技大學機電工程學院，桂林 541004）

為了解決傳統(tǒng)形式的沼氣池建造周期長、運輸困難、一體化生產(chǎn)價格高的難點，結合現(xiàn)有的工藝與技術設計建造一種可變?nèi)莘e的聚氯乙烯（PVC）塑料沼氣池。該池體由PVC塑料單板與支撐件經(jīng)由膠劑粘接而成，組裝簡單，單板運輸方便；在不增加設計、加工要求的基礎上，可根據(jù)用戶要求輕松擴展容積。試驗證明設計的9 m3的池體結構，在承受豎向土層載荷作用下以及在側向土層載荷、沼氣壓力、沼液壓力共同作用下能完全滿足使用需要；膠黏劑與凹槽組裝的結構在24 h試驗下的氣體泄漏量小于國標2%，因此該結構能夠保證池體的密封性能；池體在常溫工作條件下，日產(chǎn)氣可達1.380 m3，產(chǎn)氣量可滿足一家3～5口的生活燃氣需求；池體進料容易，出渣依據(jù)壓力差作用較為方便，壓力倉的作用能更好的保證密封與防止結殼產(chǎn)生；整個池體在日常條件工作，可使用20 a。

沼氣；設計；塑料；PVC沼氣池；可變?nèi)莘e

0 引 言

近年來，中國沼氣行業(yè)蓬勃發(fā)展，沼氣作為一種優(yōu)質清潔可再生的能源，已經(jīng)得到政府部門的大力支持[1]。在農(nóng)村戶用沼氣綜合利用方面，中國一直處于領先地位，許多地方都相繼開展了各種綜合利用研究[2]。生活中可用的沼氣主要來源于沼氣池的厭氧反應。沼氣池不僅能產(chǎn)生良好的燃料，實現(xiàn)廢棄物品變廢為寶并且能緩解大氣污染問題[3-4]。

國外建造的沼氣池體是為了處理工業(yè)廢水與城市垃圾，池體類型為大中型[5-9]。中國是沼氣池建設比較早的國家，沼氣池的使用大都在農(nóng)村地區(qū)，沼氣池池體體積一般為中小型，用來滿足一個家庭需求。在中國傳統(tǒng)類型的沼氣池體有水泥混凝土型、玻璃鋼式等，這些類型的沼氣池技術成熟但也存在較多問題。玻璃鋼沼氣池結構設計緊湊，池材密封性能好，性能穩(wěn)定可靠[10-11]，缺點是運輸麻煩，運輸成本高，制作成本也高。混凝土澆灌的建池方法和技術，是在中國一直沿用的技術，但投入的人力、物力和資金較大，建池速度慢；建池技術難度大，受到技術人員的責任心、技術水平等因素的影響，容易產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，影響沼氣池的正常使用[12]，一段時間就廢棄。為解決傳統(tǒng)混凝土沼氣池存在的建池難、維護難、壽命短、占地多、不便批量化生產(chǎn)等問題，塑料沼氣池便應運而生，其具有質量輕、耐腐蝕、密封性能好的特點[13]；然而普通塑料沼氣池也有其缺點，一體式建造運輸困難、價格高，中間沒有加固件，強度低，建造后容易坍塌。罐式沼氣池制作簡單，運輸和安裝都很方便，承受沼氣壓力大[14]，但它是由鋼材料一體制作，模具價格較高，體積大比較笨重難以運輸。

為應對以上各類沼氣池的不足之處，結合已有的工藝技術，農(nóng)村家庭戶用的可變?nèi)莘e式PVC塑料沼氣池的想法便應運而生[15]。

1 PVC塑料沼氣池的設計與組裝

1.1 池體結構設計

1.1.1 池體板材材料的選擇

1.1.2 池體板材的設計

在農(nóng)村3口之家，沼氣池體容積通常為8～10 m3，以組裝一套9 m3的沼氣發(fā)生系統(tǒng)為例，整體的組裝為板材、支撐件、膠黏劑的結合，由31塊板材與2塊支撐件組裝而成。沼氣池的主池體包括左池體（進料部分）、右池體（出料部分）、中間體以及壓力倉4部分，其中中間池體為可變?nèi)莘e部分，可以在不增加任何設計的基礎上按照用戶需求擴大池體容積；壓力倉部分設計到發(fā)生器的頂端，它可多容納沼液、擴大沼氣的壓力，覆蓋沼液，以免沼液外露；所設計的零部件必須滿足塑料件的加工工藝要求。左/右端蓋為正六邊形柱體，柱體上帶有環(huán)形凹槽，槽深度為5 mm，寬度為10 mm，池體結構如圖1所示，各部分尺寸如表1。池體頂部為壓力倉部分，壓力倉的大小是依據(jù)池體內(nèi)壓力來設計的。壓力倉設計到頂部的目的是依靠壓力差原理阻止結殼現(xiàn)象的發(fā)生以及作為沼氣進入管道的動力；另外壓力倉部分還作為沼液和沼渣的排放口。以上所有板材都是規(guī)則形狀，可以做到批量生產(chǎn)。

1.壓力倉 2.進料管 3.出氣管 4.壓力倉-主池體連接管 5.排渣管 6.支撐件 7.可變?nèi)莘e池體 8.邊槽 9.端蓋

表1 各部分尺寸

1.1.3 可變?nèi)莘e的構想

PVC可變?nèi)莘e沼氣發(fā)生系統(tǒng)，可按照客戶的需求，在不增加任何工藝設計與復雜結構的基礎上，改變池體的容積。具體的方法就是再增加若干個標準的中間體以達到可變?nèi)莘e體。理論上池體容積可以做到無限大，但是實際中，由于地形等的限制，池體容積一般不會超過20 m3。

1.1.4 支撐件的設計

支撐件為中空的六邊形柱體，外形尺寸與端蓋相同。支撐件的六邊形兩面均加工有凹槽。支撐件中間孔洞大小的設計依賴于沼液的流通量與池體的強度，設計時要滿足底部沼液流通和頂部沼氣流動；為保證支撐件能有更好的強度，切去的材料不宜過大，支撐件中間孔的加工要盡可能簡單、容易。綜上，結合池體的受力情況，經(jīng)仿真試驗，可得切去板材總量的1/3較為適合，如圖2、圖3所示。另外，支撐件的個數(shù)依賴于池體的強度，加入支撐件的目的就是為了增強池體的抗壓性能，防止池體塌陷。因此，只要池體強度符合使用性能，就可以盡量減少支撐件個數(shù)。

1. 通孔 2.邊槽

1.1.5 凹槽加膠劑的連接方式

左右端蓋的邊緣部位，均設計有凹槽，設計凹槽的目的就是為了便于板材件之間的相互組裝，凹槽能提供更好的支持與固定作用；涂抹膠劑有更好的密封性能與連接性。

1.2 壓力倉的設計

壓力倉設計在主池體的頂端，它的主要作用是用來盛納厭氧反應后的廢棄沼液和調(diào)節(jié)池體內(nèi)部的壓強，即當厭氧反應開始后，生成的沼氣擠壓池體內(nèi)部的沼液沼渣，通過壓力倉-主池體連接管在內(nèi)部壓力的作用下壓入壓力倉內(nèi)，之后打開排渣管就可以把沼液沼渣排除；此外當用戶使用沼氣時，池體內(nèi)部壓力減小，此時壓力倉內(nèi)的液體回流至主池體內(nèi)，起到了一定的攪拌作用，防止結殼的產(chǎn)生，壓力倉能增加沼氣的密度，進而增加儲氣量。此外，壓力倉部分的體積較小，中間處可以不設置支撐件。

1.3 池體進排料

沼料通過進料管進入沼氣池內(nèi)部，進料量為池體總容量的50%～80%，進料前沼料應該切碎切細，這樣便于池體的發(fā)酵和排渣；池體排料依據(jù)壓力差原理，當池體內(nèi)部的壓力增大時，沼氣把發(fā)酵的沼液沼渣壓入壓力倉內(nèi)，通過壓力倉的排渣口即可排除沼液沼渣，依據(jù)壓力差的作用，池內(nèi)壓力降低，壓力倉的液體回流起到攪拌作用，池體可省去攪拌除結殼的裝置。

1.4 池體整體組裝方式的選擇

常用的連接方式包括焊接、機械連接以及膠接形式。可變?nèi)莘e塑料沼氣池的組裝方式本著方便、容易的原則，選用膠接的形式。相較于其他形式：1）焊接對技術要求較高，容易造成池體的破壞；機械連接應力集中現(xiàn)象嚴重且密封效果較差。2）膠接技術要求不高，且密封性能較好，應力集中現(xiàn)象較少。膠體的選擇本著容易購買，粘結強度符合使用要求，粘結固化時間適中這3點綜合考慮，選用704硅橡膠[17-18]。

1.5 池體的組裝

池體的組裝過程十分簡單，就是把加工好的板材組裝成完整池體之后涂膠密封即可。步驟包括①先將左端蓋凹槽處與支撐件凹槽處均勻涂抹膠黏劑，之后把標準的中間體板材件一端插入端蓋的凹槽內(nèi)，另一端插入支撐件的凹槽內(nèi)；這樣可把6塊中間板全部插入，組裝成進料池體。之后再用膠黏劑涂抹表面進行密封。②中間池體與出料池體的組裝方式完全同于進料池體，只要注意開孔的板材位置安放正確即可。③之后是壓力倉部分的安裝，只需要把設計好的板材按照相應位置組裝后，涂抹膠體密封即可。④池體安裝完成后，按照對應的開口位置安裝進出料管與出氣管，為保證密封性能，先在接口處涂抹膠劑，為保障管材不會脫落，可以選用點焊加固。⑤沼氣系統(tǒng)組裝完成后，靜置24 h等待膠體固化，之后可以投入使用。

圖3 中間體受土壓載荷仿真

2 池體受力分析

在系統(tǒng)組裝前，為檢驗設計的可靠性，利用SolidWorks建立模型，并通過有限元軟件對池體進行受力分析。

2.1 池體受力來源

池體組裝完成后主池體埋入地下，壓力倉暴露于大氣中，以便于沼液排出。主池體上部的覆土高度不應低于20 cm。因此沼氣池在工作狀態(tài)下所受到的載荷主要來源于3個方面，即內(nèi)部沼氣壓力，外部土壤質量以及池體內(nèi)部沼液的壓力。沼氣池內(nèi)部氣壓是一個慢慢變化的過程[19]，沼氣池進、出料口下端的上沿至進出料口上端最低處邊沿的高度，決定沼氣池所承受最大壓力的大小[20]，所以池體壓強不會高于10 kPa。外部土壤的質量可以考慮為一個恒定的載荷。池體內(nèi)部沼液的壓力依據(jù)高度來計算。

2.2 土層豎向土壓力學計算

池體組裝完成后，由于池體體積較大，跨度廣，有一定的自重加之池體兩側有土層的覆蓋，池體能否滿足強度是要考慮的重要問題之一。結合實際情況與有限元方法，進行驗證。

以一個9 m3的池體為例，在同等條件下中間體部位是強度最弱區(qū)，因此只要中間體部分滿足強度要求，整個池體強度就滿足要求。

池體在工作時要承受土壤的質量，包括作用在頂部的豎向壓力，兩側土壤的側壓力等[21]，單位長度的豎向土壓力F按照下式計算：

式中γ為回填土的重力，取18 kN/m3；H為池體頂部至土表的高度，m；為池體頂部的外徑，m。

用Solidworks自帶的simulation進行受力分析，以池體的底部作為固定端，網(wǎng)格劃分采用最密網(wǎng)格，受力面為池體的左右2個上端面，做靜應力分析。得出池體的應力與位移情況，得到最大米瑟斯應力值遠小于板材的彎曲強度，最大位移量在中間處與端部皆在容許范圍內(nèi)，如圖4所示。網(wǎng)格劃分采用最密網(wǎng)格得出結果后，又采用基于曲率的網(wǎng)格進行驗證，兩者之間的誤差在10%以內(nèi)，可認定最密網(wǎng)格劃分的準確性。

圖4 中間體受土壓載荷仿真

2.3 土層側向壓力、沼液壓力與沼氣壓力的力學計算

沼氣池在工作情況下，還會受到側向土層載荷、沼液的壓力與沼氣的壓力三者的共同作用。其中側向土壓的壓力方向由外指向池體，沼液的壓力與沼氣的壓力由池體內(nèi)部指向土層。

側向壓力可以表達為F，其表達式為：

式中K為主動土壓力系數(shù)，沙土或者黏土可取1/4～1/3；為自地面至計算截面處的深度，m[22]。

沼氣池內(nèi)部氣體壓強不會高于10 kPa，在此選用極值下的載荷。沼液壓力與高度有關，池體內(nèi)滿液體時對池體內(nèi)壁的壓力最大，沼液對池體內(nèi)壁的壓力沿著池壁的高度線性降低，沼液最大高度以1 300 mm計算。以進料池體為例受力分析如圖5所示。由受力分析可得，池體最大應力與位移量皆在允許范圍內(nèi)，可認為池體有較好的強度。

圖5 土層側向壓力、沼液壓力與沼氣壓力共同作用下的載荷仿真

2.4 可變?nèi)莘e池體與支撐件的關系

以建造一個9 m3的池體為例。池體的建造方式除建設成3個池體組合的方式外（即左池體，右池體，中間體各3 m3），還可以根據(jù)當?shù)氐木唧w條件，減小池體的高度，增加池體的長度，此時占用地面面積較大，適合于地面土壤比較難深度挖掘的情況。

沼氣池體支撐件的數(shù)量應該隨著沼氣池長度的增加而增加，得出當中間體部分長度每增長1 m，支撐件的數(shù)目最少要增加一個以保證結構的強度。為保證池體的直線度，池體總體積不宜超過20 m3，長度不應長于10 m。

3 池體密封性檢驗

池體組裝完成后應該靜置1～2 d，池體工作時應該保證漏氣漏水在國標范圍以內(nèi)。由PVC板材的性能可知，PVC有良好的防水性，硅橡膠的密封性能也較好。因此若池體出現(xiàn)泄漏，很大原因就發(fā)生在組裝搭接處。為驗證凹槽加膠黏劑結構防漏水氣的可行性，用部分含有凹槽結構的池體完全密封用來做試驗，只要在凹槽密封處沒有漏水漏氣，就可說明池體有很好的密封性能。將池體緩慢充入空氣至10 kPa，對池體密封性進行驗證，如圖6所示。

1. 氣嘴 2.氣體壓入口 3.氣壓表

用圖6所設計的池體做密封試驗。池體外部有明顯的膠瘤痕跡。膠瘤的存在能有更好的防漏性和強度。將水充入池體后每隔相同時間再次測量；向池內(nèi)充入氣壓為10 kPa的氣體，測量24 h氣壓泄漏量（國家規(guī)定池體泄漏量低于2%）[23]。以池體的累積泄漏量為指標，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 池體內(nèi)氣壓變化

由表2可知，池體的累積漏氣率隨著時間的增加逐漸減小但是減小梯度不大，主要原因就是隨著氣體的泄漏，池體內(nèi)部的壓力也逐漸減小，反過來池體氣體泄漏速度就變慢。在24 h內(nèi)，池體的漏氣率合計在1.2%，小于國標的2%，池體有較好的防漏氣性。

4 沼氣池產(chǎn)氣量計算

PVC塑料沼氣池在組裝完成、試驗密封性能合格后便可投入使用。

4.1 試驗原料

本池體用來發(fā)酵的原料為豬糞、草樹葉以及廚余垃圾[23]。接種物為下水道污水與污泥。各原料的配比為：豬糞為4 m3，廚余垃圾以及爛草樹葉400 kg，接種物3 m3，之后填入廢水直至整個池體體積90%左右。

4.2 試驗方案

以6月1日至6月30日為例，研究農(nóng)村戶用可變?nèi)莘e式PVC塑料沼氣池的產(chǎn)氣性能。將沼料填入沼氣池，約占池體容積90%，首次入料充分攪拌。試驗期間每天19:00點記錄試驗值。

4.2.1 單位池容產(chǎn)氣率

日均產(chǎn)氣率：發(fā)酵裝置單位容積每天產(chǎn)生的沼氣體積[24]，表達式如下

式中為單位池容，m3/(m3·d)；為產(chǎn)氣量，m3；為發(fā)酵天數(shù)，d；為沼氣池容積，m3。

4.2.2 料液質量分數(shù)

料液質量分數(shù)的計算公式為[25]

式中為料液質量分數(shù)，%；m為總固體質量分數(shù)（TS），%；M為物料質量，kg；為水的質量，kg。

池體日產(chǎn)氣量如圖7所示。第1天產(chǎn)沼氣1.23 m3，從第3天開始，隨著沼氣池內(nèi)發(fā)酵反應的進行，池內(nèi)溫度逐漸上升，沼氣日產(chǎn)量逐漸增加，到第7天達到了最大值2.07 m3；隨后產(chǎn)氣量有所下降，并在16 d內(nèi)維持在1.56 m3/d附近；從第24天開始，隨著料液質量分數(shù)的減小，沼氣日產(chǎn)量逐漸減少，第30天試驗結束。累計產(chǎn)氣共38.06 m3，沼氣池平均日產(chǎn)沼氣1.38 m3，有效池容積產(chǎn)氣率為0.22 m3/(m3·d)。

圖7 沼氣池日產(chǎn)氣量曲線圖

5 池體壽命分析

池體在自然環(huán)境下工作，溫度、空氣、水分等因素對壽命會有一定的影響。為驗證自然條件下環(huán)境對池體的老化破壞情況，采用與組裝池體相同的搭接形式，制作搭接件做老化試驗分析，結果如圖8所示。試驗發(fā)現(xiàn)，老化后的搭接件破壞全部發(fā)生在膠結處，因此池體的整體壽命由膠黏劑的使用年限決定。

圖8 凹槽搭接件拉伸試驗

為進一步研究膠黏劑使用壽命，采用硬質PVC與硅橡膠的搭接件進行老化分析做恒溫水浴老化加速試驗。以拉伸強度作為判斷失效準則，由于池體埋在地下，因此可把搭接強度下降50%作為極限標準。

硅橡膠的工作范圍在?60～200 ℃，使用時的最高溫度在60 ℃，因此老化試驗溫度盡量不要高于200 ℃，否則膠劑可能會出現(xiàn)嚴重劣化，也不應該低于使用時的最高溫度60 ℃，否則老化過程會非常緩慢，甚至可能不會出現(xiàn)任何的退化效果[26]。選擇70、80、90 ℃為老化溫度，用恒溫水浴鍋加熱分別老化不同時間。對老化后的搭接件進行拉伸試驗，試驗結果如表3所示。

表3 拉伸力測量結果

試驗得出在70，80，90 ℃溫度下水體老化后的拉伸力值，之后運用阿倫尼茲模型，利用高應力水平下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征[27]。由于沼氣池內(nèi)部的產(chǎn)氣溫度一般為10～50 ℃，在10～20 ℃溫度下池體平均工作2個月，在40～50 ℃溫度下池體平均工作2個月，在20～30 ℃溫度下平均工作8個月，以平均溫度30 ℃作為池體工作時的溫度，外推池體的壽命，池體使用壽命可達20.9 a。

6 總 結

1）可變?nèi)莘e式PVC塑料沼氣池由板材組裝而成便于運輸、組裝快速、可批量化生產(chǎn)、無需模具、壽命高、價格低廉，解決了傳統(tǒng)戶用沼氣池的種種不便。

2）可變?nèi)莘e的構想，可在不增加任何工藝的基礎上增加池體的體積，滿足了不同客戶的使用要求。

3）膠黏劑的使用能使池體有更好的密封性能，使材料表面無損傷，24 h內(nèi)的氣體泄漏量在國家規(guī)定范圍內(nèi)；設計的凹槽能使池體結構有更高的強度；池體結構能夠完全承受土層壓力與各種載荷的共同作用。

4）池體在常溫條件，投料容積為80%池體容積的情況下進行為期一月的產(chǎn)氣測量，結果得出有效容積日產(chǎn)氣可達1.380 m3，有效池容積產(chǎn)氣率為0.22 m3/(m3·d)，產(chǎn)氣量可滿足一家3～5口的生活燃氣需求。

5）池體在水浸環(huán)境下工作溫度為30 ℃，在正常使用條件下，池體壽命可達20.9 a。

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Design and experiment of variable volume plastic biogas digester for rural households

Ma Xiaosong, Xing Youdong

(541004,)

In order to solve the problems of the traditional form of rural household biogas digesters such as long construction cycle, short life, poor sealing, integrated production prices, and hard transportation, in this study we combined with the existing technology and technologic design to build a variable volume of polyvinyl chloride (PVC) plastic biogas digesters. The cell body from the PVC veneer and the support were made through the silicone rubber paste in accordance with the processing of a good groove bonding. Silicone rubber has good adhesion and waterproof sealing. The presence of the groove can provide a certain degree of reference, but also increase the bond strength and sealing. The tank body structure was simple, easy to assemble, and the assembly cycle was 1-2 days. Veneer can be stacked transport to save the overall delivery of high freight and inconvenience. Without increasing the design, processing requirements, users can easily expand the volume based on their requirement, the volume of the pool can be variable in the 3-20 m3. Design and processing of biogas digesters mainly consisted of four parts, the left pool body, from which its main role was to feed, the middle pool body, which mainly played a connection role and the use of Sheng satisfied biogas, right pool body, the main role of which was to discharge biogas slurry, and the pressure chamber, mainly used to contain excess liquid and to ensure the pressure inside the pool body. The tank body was easy to feed, the slag was more convenient according to the pressure difference effect. The pressure of soil layer was 1 800 N. When the gas pool was in work situation, it also would be affected by lateral soil load and biogas slurry pressure and the pressure of the gas. The 9 m3 cell structure designed by finite element verification was able to withstand the soil pressure and the external force. To the biogas digesters filled with sufficient water and gas, the barometer and scale were used to check the pool of internal pressure and water. Verification of adhesive and groove assembly structure was conducted in the 24 h experiment to test water and gas leakage. The gas pressure inside the cell body decreased from 10 kPa to 9.88 kPa, and the leakage rate of the cell body was 1.2%. For pool body leakage steam was less than 2% of national standard, so the structure can ensure the sealing performance of the pool. The cell body was measured at room temperature for 1 month of production at room temperature and 90% of the volume of the container. The results showed that the daily production of gas up to 1.380 m3, the effective pool volume gas production rate of 0.22 m3/(m3·d), gas production to meet a 3-5 mouth of life gas demand. The water temperature aging experiment was made for the pool parts under 70, 80, 90 ℃. With the cell body strength decreased by 50% as the standard, through the Allenitz formula extrapolation pool body in the flooding environment operating temperature of 30 ℃ service life. The results showed that the whole cell body under normal conditions of use, the cell life can up to 20.9 years.

biogas; design; plastics; PVC biogas digesters; variable volume

2017-08-01

2018-01-10

國家級星火計劃項目（2015GA790015）

馬孝松，教授，主要從事材料工程和生物質新能源方面研究。Email：13205342370@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.031

S216.4

A

1002-6819(2018)-04-0255-06

馬孝松，邢攸冬. 農(nóng)村戶用可變?nèi)莘e式塑料沼氣池的設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(4)：255－260.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.031 http://www.tcsae.org

Ma Xiaosong, Xing Youdong. Design and experiment of variable volume plastic biogas digester for rural households[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 255－260. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.04.031 http://www.tcsae.org