大中型沼气工程厌氧罐建造方式及特点

大中型沼气工程厌氧罐建造方式及特点

蒋宜涛

蒋宜涛

中节能（西安）生态环保有限公司陕西西安710018

摘要：中国已建成上万个大中型沼气工程，完全混合式厌氧反应器目前在大中型沼气工程中应用最为广泛，其功能性要求主要包括：稳固性、抗渗性、气密性和防腐性。本文以完全混合式厌氧反应器为例，详细分析和比较了钢筋混凝土罐、碳钢焊接罐、利浦罐和搪瓷钢板拼装罐等四种建罐方式和特点。

关键词：大中型沼气工程，碳钢焊接罐，利浦罐，搪瓷拼装罐

近年来，大中型沼气工程在中国发展迅速，在市政、工业、农业等领域已累计建设各类沼气工程成千上万[1]。厌氧罐是整个沼气工程的基础，也是最核心的部分[2]。完全混合式厌氧反应器（CSTR）是目前大中型沼气工程中应用最为广泛的一种厌氧消化反应器。传统的厌氧罐建造方式包括钢筋混凝土浇筑和碳钢板焊接，新型的厌氧罐如利浦罐和搪瓷拼装罐，由于设备化和标准化程度高、防腐性能好等优点，越来越多地应用在大中型沼气工程厌氧罐建设中。本文主要以CSTR为例，全面的分析了厌氧罐的功能要求，详细的介绍了厌氧罐的建造方式和特点，并系统的比较各种建造方式。

1厌氧罐功能要求

1．1稳固性

CSTR厌氧罐一般可分成三大部分：底板、池壁和集气室。在正常运行的发酵罐内，料液一般占发酵罐总体积的90%左右，其余部分都是沼气。厌氧罐的各个部分受力有所不同：底板主要受到池壁和料液产生的竖向压力，池壁受到料液产生的竖向压力和环向拉力，集气室受到沼气产生的压力。厌氧罐在设计时，需根据不同部位的受力情况合理设计厌氧罐，既要各部分能满足受力要求保证厌氧罐的稳固性，又要考虑到经济性。

1．2抗渗性

厌氧罐里面的料液都是高浓度的污染物，如有渗漏不仅影响厌氧罐的正常运行，而且还会造成地下水的污染。因此，厌氧罐的底板和池壁不仅要保证受力，还要抗渗。厌氧罐抗渗主要是指底板、底板和罐体连接处、罐体、施工缝和各种连接部位的抗渗。对厌氧罐试水试漏是其竣工验收的必要步骤。

1．3气密性

沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷和二氧化碳。甲烷是高热值的清洁能源，沼气主要是利用甲烷获取能量。甲烷的分子直径为3.76×10-10m，约为水泥砂浆空隙的1/4，极易泄漏。为了提高集气室的气密性，需要采取各种措施，如使用复合涂料或采用新的建造材料等。集气室漏气严重时，沼气无法进入储气柜，影响工程的后续运行管理。此外，甲烷是一种强烈的温室气体，其温室效应为二氧化碳的21倍。因此，沼气的泄露还会对环境造成危害。

1．4防腐性

厌氧罐长期处于高浓度有机物环境下，会受到各种各样的腐蚀：料液中的酸碱盐和有机物的腐蚀；微生物生长代谢过程中产生的腐蚀性物质的腐蚀；气液接触面的电化学腐蚀等。沼气除含甲烷和二氧化碳之外，还含有少量的硫化氢、氢、一氧化碳、氮、氨气和水蒸气等气体。硫化氢是一种有毒有害气体，在潮湿的条件下有强烈的腐蚀性；氨气也是强腐蚀气体。

2厌氧罐建造方式

2．1钢筋混凝土罐

钢筋混凝土具有很高的抗压和抗拉强度，它作为一种广泛使用的工程材料被用在大中型沼气工程厌氧罐建设中。钢筋混凝土厌氧罐的底板厚度一般为350～600mm，池壁厚度一般为200～600mm，池顶厚度一般为100～200mm。钢筋混凝土成型方便，它可以建造成多种形状。矩形发酵罐相对圆柱形发酵罐施工简单。圆柱形发酵罐具有良好的受力性能，在相同的容积下表面积小节省材料，同时预加应力方便。对于容量大于3000m³的厌氧罐，由于环向拉力大容易导致池壁开裂，一般采用预应力钢筋混凝土罐。卵形发酵罐因形状类似鸡蛋而得名，一般建造体积较大，比较适合大型城镇污水处理厂的污泥消化。如上海市白龙港污水处理厂污泥污泥厌氧消化工程建有8座单体容积为12400m³的卵形厌氧罐，总高46.6m，埋深13.3m，最大内径25m[3]。卵形发酵罐的缺点是结构较为复杂，投资费用高。

2．2碳钢焊接罐

在大中型沼气工程中，有许多厌氧罐采用普通碳钢焊接而成，钢板的厚度一般为6～15mm。碳钢焊接罐可以加工成矩形、圆柱形和卵形，因圆形结构的受力较好，大中型沼气工程中的碳钢焊接罐以圆柱形结构为主。由于受加工方式和材质等因素的限制，碳钢焊接罐的体积不能过大，厌氧罐的体积超过2000m³时就需要采取相应的措施来保证罐体的结构稳定性。普通碳钢的防腐性能很差，碳钢罐焊接完成后，需要对钢板表面进行专业的防腐处理，例如涂抹环氧树脂防腐层。尽管如此，碳钢焊接罐防腐寿命比较短，一般仅为4～5年，之后需要重新进行防腐维护。

2．3利浦罐

利浦制罐技术应用金属塑性加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备将2～4mm厚495mm宽的镀锌钢板或不锈钢复合板，按“螺旋、双折边、咬合”工艺建造体积为100～3000m³的利浦罐[4]。利浦罐制作时，将卷板送入成型机，钢板上部被折成h型，下部被折成n型，在咬合机上薄钢板上部与下部上一层薄钢板的下部咬合在一起，成型过程和截面形状见图1。为避免咬合部位漏水，钢板咬合时在上部型槽内注入专用密封胶。镀锌钢板不能完全满足罐体的防腐要求，全部用不锈钢板制作罐体成本太高，因此，制作利浦罐时，常常通过复合机械将镀锌卷板与0.3～0.5mm厚度的不锈钢薄膜复合在一起，增强其防腐性能。

图1利浦罐咬合成型过程示意图

1.上层钢板，2.专用密封胶，3.下层钢板

利浦罐基础底板为钢筋混凝土结构，利浦罐体自重仅为钢筋混凝土罐体的10%左右，因而相对钢筋混凝土池体来讲，利浦基础底板厚度可以薄得多，只要满足弹性地基圆形板的设计要求即可。由于利浦罐体材质同钢筋混凝土底板完全不同，不能一次性完好的整体连接，通常采用预留槽定位密封。

利浦罐集气室可分为刚性集气室和柔性集气室。刚性集气室就是将0.6～0.8mm厚的不锈钢薄板夹在上下两块压顶槽钢之间加橡皮密封圈，以螺栓固定在罐顶，并在螺栓孔和联结处涂上专用密封胶。柔性集气室就是采用膜结构。

2．3搪瓷拼装罐

拼装罐技术是德国Farmetic公司开发的制罐高新技术，它应用薄壳结构原理，采用预制柔性搪瓷钢板或其它防腐形式的钢板，将长2.0～2.8m，宽1.0～2.0m，厚4～20mm的搪瓷钢板拼装制成体积为20～3000m³的罐体[5]。搪瓷用钢板为钛合金专用钢板，强度为普通钢板的两倍。通常采用2～4mm的钢板，按要求加工后，在钢板的内外两面喷上底釉和面釉，烘干后经过900℃高温加热，使钢板表面形成0.15～0.8mm厚的搪瓷涂层。搪瓷涂层不仅能阻止罐体钢板腐蚀，而且具有抗强酸，强碱的功能，并具有极强的抗磨损性。搪瓷钢板拼接时，钢板和螺栓之间涂抹特制密封胶。密封胶沿着结构缝连续注压成直线，内外板竖缝处抹胶宽度为1.5～2.0cm，板缝处抹胶厚度不小于8mm，内外横缝抹胶宽度约为1cm。

搪瓷拼装罐底板通常采用混凝土结构，在基础底板浇筑时均布预埋件。搪瓷拼装罐组装完毕后，将罐体底部箍筋用膨胀螺栓与基础固定，清理罐体基础二次密封部位，然后用普通硅酸盐水泥和HE-D膨胀水泥来密封，用聚氨酯密封胶对罐体底部进行防水施工，最后覆细石混凝土保护层。

搪瓷拼装罐的集气室有的采用玻璃钢，有的采用搪瓷钢板，也可以用膜结构。

3不同建罐方式的比较

钢筋混凝土罐结构稳定、持久耐用、防腐和保温性能好，可以建设地下罐、半地下罐和地上罐，也可建设体积小至几立方米大至上万立方米的厌氧罐，但是结构设计繁琐、施工较为复杂、建设周期较长，难于设备化和标准化。与混凝土发酵罐相比，碳钢焊接罐的设计相对简单，施工周期短，但是钢材耗量较大，最主要的问题防腐处理不耐久。由于制罐机械在机械压紧强度、咬口紧密度等方面的限制，利浦罐罐体的选用材料壁厚一般不超过4mm，制作罐体最大直径在30～40m。由于成本和池形的限制，利浦罐不适用于容积小于100m³和直径小于5m的发酵罐。从结构上考虑，利浦罐不适用于建地下罐和方形罐。搪瓷拼装罐设备化、标准化程度高，防腐性能优越，维护量小而简单，可实现搬迁、扩容及回收利用。从成本上考虑，搪瓷拼装罐不适用于容积小于100m³和直径小于5m的发酵罐；从结构上考虑，不适用于建地下罐和方形罐。各种厌氧罐的比较见表1。

4.结论与展望

由于在可再生能源开发、废弃物资源循环利用、温室气体减排等方面所发挥的独特作用，集能源、生态和环境效应为一体的沼气工程近年来也得到了极大地发展。目前这四种建罐方式（钢筋混凝土、焊接罐、利浦罐和搪瓷钢板拼装罐）在大中型沼气工程都有应用，在具体工程建设过程中，厌氧罐的建造方式应综合考虑来选择合适的建造方式。随着技术的不断发展，期待有新材料、新技术应用于大中型沼气工程厌氧罐的建造。

参考文献：

[1]全国农村沼气发展“十三五”规划.http：//www.gov.cn/xinwen/2017-02/10/content_5167076.htm.2017.

[2]中华人民共和国国家标准（GB/T51063-2014）.大中型沼气工程技术规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]王建华，耿文泽.污泥厌氧消化系统的启动与调试[J].净水技术，2013，32（5）：58-62.

[4]林伟华.利浦制罐技术在大中型沼气工程中的建筑设计与施工[J].中国沼气，2000，18（2）：24-26，28.

[5]周梦津，张榕林，蔺金印.沼气实用技术.北京：化学工业出版社，2005.