Использование каталитических устройств сжигания при анаэробной переработке органических отходов

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ю. Н. Сидыганов       А. А. Медяков        А. Д. Каменских 

 
 
 
 
 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ 

УСТРОЙСТВ СЖИГАНИЯ  

ПРИ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ  

ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ 

 

 

МОНОГРАФИЯ 

 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2015 

УДК 544:62 
ББК  31.3 

С 34 
 

Рецензенты:  
профессор кафедры экономико-математических методов, статистики и инфор-
матики Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, док-
тор технических наук О. Г. Огнев; 
ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела систем автома-
тизированного проектирования, технико-экономического обоснования и ис-
пользования технологий и техники ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 
доктор технических наук, профессор Н. И. Джабборов; 
профессор кафедры электроснабжения и технической диагностики Марийского 
государственного университета, доктор технических наук Л. М. Рыбаков 

 
 
 
 
Сидыганов, Ю. Н. 

С 34  Использование каталитических устройств сжигания при 

анаэробной переработке органических отходов: монография / 
Ю. Н. Сидыганов, А. А. Медяков, А. Д. Каменских. – Йошкар-Ола: 
Поволжский 
государственный 
технологический 
университет, 

2015. – 292 с. 
ISBN 978-5-8158-1493-6 

 

В монографии представлены результаты теоретических и экспериментальных 

исследований в области использования каталитических устройств сжигания при 
анаэробной переработке органических отходов. Приводятся подробное описание 
предлагаемых авторами конструкций каталитических систем для анаэробной пере-
работки органических отходов, а также методика их инженерного проектирования 
и расчета. 

Для научных работников и специалистов в области сельского хозяйства, пре-

имущественно утилизации органических отходов, нетрадиционной и возобновляемой 
энергетики (особенно биоэнергетики) и каталитического сжигания, а также препода-
вателей вузов, аспирантов и магистрантов соответствующего профиля. 

УДК 544:62 

ББК 31.3 

 

ISBN 978-5-8158-1493-6 
© Ю. Н. Сидыганов, А. А. Медяков,  
А. Д. Каменских, 2015 
© Поволжский государственный  
технологический университет, 2015 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время в сельскохозяйственной отрасли образуются зна-

чительные объемы органических отходов. Одним из способов безотход-
ной деятельности сельхозпредприятий является внедрение биогазовых 
установок, позволяющих перерабатывать органические отходы в высо-
кокачественные удобрения. При этом важным аспектом рентабельности 
использования биогазовых установок является их энергетическая эф-
фективность. Представленная работа посвящена актуальной задаче по-
вышения энергетической эффективности установок для анаэробной пе-
реработки органических отходов путем разработки и внедрения пер-
спективных каталитических устройств сжигания. 

В монографии представлены теоретические и экспериментальные 

исследования в области использования каталитических устройств сжи-
гания при анаэробной переработке органических отходов. В рамках тео-
ретических исследований приводятся перспективные варианты кон-
структивного исполнения каталитических систем для анаэробной пере-
работки органических отходов и проводится имитационное математиче-
ское моделирование особенностей их работы. В рамках эксперимен-
тальных исследований описаны разработанные и натурно реализован-
ные установки для исследования особенностей работы каталитических 
систем при анаэробной переработке, приводятся планы проведения и 
результаты натурных экспериментов. 

В первой главе представлен анализ существующих технико-

технологических решений, применяемых для анаэробной переработки 
органических отходов, и современных вариантов исполнения каталитических 
устройств сжигания. При этом делается акцент на необходимости 
учета особенностей процесса анаэробной переработки органических 
отходов при разработке и внедрении схемно-конструктивных решений 
каталитических устройств сжигания. Вторая и третья главы посвящены 
описанию комплекса теоретических и экспериментальных исследований, 
проведенных авторами с целью разработки и обоснования новых 
конструктивных решений каталитических систем для биогазовых установок. 
В четвертой главе приведена методика инженерного проектирования 
и расчёта каталитических систем для анаэробной переработки 
органических отходов, которая позволяет использовать результаты исследований 
в практической области. 

Авторы благодарят рецензентов за замечания, ценные советы и рекомендации, 
которые были учтены при подготовке рукописи к печати. 

ВВЕДЕНИЕ 

Совершенствование методов анаэробной переработки органических отходов 
является в настоящее время важным направлением развития биогазо-
вых технологий. Существенный фактор, влияющий на экономическую эффективность 
процессов анаэробной переработки, – обеспечение его энергетической 
эффективности. Весьма перспективно в этом направлении использование 
достижений в области каталитических устройств и систем. 

Объектом исследований, представленных в настоящей монографии, 

служат каталитические системы, которые могут быть непосредственно использованы 
для процессов получения биогаза из органических отходов. 
В сфере гетерогенного катализа имеется обширный задел в области каталитических 
нагревательных элементов, представляющих собой каталитические 
системы, состоящие из непосредственно катализаторов полного окисления 
углеводородов и технических устройств, в рамках которых они используются.  


Необходимость использования специальных технических устройств 

обусловлена особенностями протекания каталитических реакций полного 
окисления и применения каталитических систем. Высокая экзотермичность 
реакций полного окисления вызывает необходимость отвода тепла от ката-
лизаторов, что обусловлено пределом термостойкости катализаторов и 
необходимостью поддержания оптимального для процесса катализа темпе-
ратурного режима во всем объеме системы.  

Предметом исследований, представленных в работе, являются особен-

ности функционирования каталитических систем в технологических опера-
циях, связанных с процессом получения биогаза. 

При использовании каталитических систем в качестве нагревательных 

элементов важными характеристиками наряду с традиционными для гете-
рогенного катализа (удельной каталитической активностью, селективно-
стью, производительностью) необходимо использовать характеристики 
процессов утилизации органических топлив: полноту сгорания топлива, 
тепловую мощность, коэффициент полезного действия, расход топлива и 
др. Также в процессе функционирования для успешной интеграции в суще-
ствующие системы обогрева необходимо осуществлять регулирование па-
раметров аналогично традиционным техническим устройствам нагрева. 

В процессе функционирования каталитических систем важным момен-

том является соотнесение оптимальных параметров конструкции систем, 
оптимальных режимов работы катализаторов полного окисления биогаза и 
режимов работы системы в качестве нагревательного устройства. Это 
обусловлено явной зависимостью между удельной каталитической актив-
ности (распределением УКА по каталитической системе в процессе функ-
ционирования), температурой процесса (распределением температур в 
каталитической системе) и эффективным  объемом (участвующим в про-
цессе объемом, обусловленным гидравлическими и тепловыми особенно-
стями) системы. 
 

1 

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ 
РЕШЕНИЙ И НАУЧНЫХ ПОДХОДОВ  
В ОБЛАСТЯХ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ 
ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ  
И КАТАЛИТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ СЖИГАНИЯ 
 

1.1. Технические решения и научные подходы  

в области систем, обеспечивающих анаэробную 
переработку в биогазовых установках 

В метантенке биогазовой установки необходимо периодическое пе-

ремешивание сбраживаемой массы, поддерживающее эффективную и 
стабильную работу биогазовой установки [9]. 

Целью перемешивания являются высвобождение образованного 

биогаза, перемешивание свежего субстрата и бактерий (прививка), 
предотвращение образования корки и осадка, предотвращение участков 
разной температуры внутри метантенка, обеспечение равномерного 
распределения популяции бактерий, предотвращение формирования 
пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора. 
При выборе метода перемешивания следует учитывать, что процесс 
сбраживания представляет собой процесс жизнедеятельности симбиоза 
различных штаммов бактерий и при разрушении этого сообщества про-
цесс ферментации будет непродуктивным до образования нового сооб-
щества бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное пере-
мешивание вредно. Рекомендуется медленное перемешивание сбражи-
ваемой в метантенке массы через каждые 4-6 ч. Оптимальное переме-
шивание сырья повышает выход биогаза на 50% [9]. 

Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с 

целью обеспечения эффективного использования всего объема метан-
тенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслое-
ния осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания тем-
пературного поля. Кроме того, перемешивание должно способствовать 
выравниванию концентраций метаболитов, образующихся в процессе 

брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорга-
низмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также концентрации 
токсичных веществ, содержащихся в загружаемом осадке, поддержанию 
тесного контакта между бактериальными ферментами и их субстратами 
и т.д.  

Таким образом, перемешивание предназначено для поддерживания 

однородности среды. Вместе с тем существует некоторый предел ин-
тенсивности перемешивания, превышение которого может привести к 
недопустимому физическому отрыву отдельных групп бактерий друг от 
друга, а также от частиц субстрата, с которыми у бактерий имеется тес-
ное сродство. При плохом перемешивании снижается эффективный 
объем метантенка и сокращается время пребывания в нем осадка, а сле-
довательно, распад органического вещества и выход биогаза. Известны 
случаи сокращения полезного объема метантенка на 70 %.  

Более значительно влияние неэффективного перемешивания в соче-

тании с понижением температуры (рис. 1.1). Снижение эффективного 
объема метантенка на 50 % за счет плохого перемешивания при 
t = 35 °С уменьшает эффективность сбраживания при большом времени 
пребывания (более 30 сут.) на 5 %, а при t = 30 °С – на 16 %. Но особен-
но большое влияние оказывает перемешивание при коротком времени 
пребывания осадка в метантенке. На рис. 1 видно, что при Т = 10 сут. 
эффективность удаления БПК снижается в 2 раза, а при понижении 
температуры процесса до 30 °С сбраживания вообще не происхо-
дит [11]. 

 

 

Рис. 1.1. Влияние перемешивания и температуры на эффективность 

сбраживания ( τ  – продолжителность сбраживания): 1 – при эффективном 
перемешивании, 35°С; 2 – без перемешивания, 35 °С; 3 – то же, при 30 °С 

Перемешивание осадка в метантенках осуществляется с помощью 

механических мешалок, а также путем циркуляции осадка и рециркуля-
ции газа. Последний способ реже применяется на практике, однако он 
более эффективен, чем применение механических мешалок.  

Благоприятное воздействие перемешивания газом на процесс бро-

жения объясняется несколькими причинами. При подаче сжатого газа 
хорошее перемешивание создается за счет интенсивного подъема пу-
зырьков газа. При этом происходит также механическое отделение 
мелких пузырьков газа от метаногенных микроорганизмов, что облег-
чает их контакт с питательным субстратом. При подаче сжатого газа в 
метантенке повышается концентрация растворенной углекислоты, ко-
торая, являясь акцептором водорода, снижает его парцианальное дав-
ление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности ацетатразла-
гающих метаногенов, в результате чего повышается выход метана. 
При повышении концентрации CO2 может быть увеличена нагрузка на 
метантенк [11]. 

Практический опыт перемешивания осадка в метантенке путем ре-

циркуляции сжатого газа имеет фирма Родигера (ФРГ), при этом 
наилучшие результаты получены при наличии в осадке токсичных ве-
ществ. В нашей стране этот метод использовался при сбраживании 
навоза. Повышение концентрации углекислоты может быть достигнуто 
введением топочных газов, а также повышением давления в метантенке. 
В ряде работ показано, что для эффективного протекания процесса бро-
жения необходимо поддерживать некоторое предельное минимальное 
соотношение между общим количеством растворенной углекислоты и 
массой органического вещества загружаемого осадка, равное 1:40. Для 
этого необходимо уменьшить отток газообразной углекислоты и повысить 
количество растворенной углекислоты одним из указанных выше 
методов. Поднимая давление в метантенке до 0,15 МПа (1,5 атм), можно 
обеспечить хорошие показатели термофильного сбраживания при более 
высоких (в 2-3 раза) нагрузках [13,5-18 вместо 6 кг/(м3×сут.)]. По-
видимому, этот прием может оказаться эффективным при сбраживании 
высококонцентрированных осадков [11]. 

Вместе с тем имеется точка зрения, что рециркуляция неочищенного 

газа может отрицательно сказаться на газообразовании, так как диффузия 
CO2 способствует повышению кислотности среды, ингибирующей 
метаногенез [11]. 

Для перемешивания субстрата в биогазовых установках в настоящее 

время преимущественно используются механические перемешивающие 
устройства, основные из них представлены на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Механические перемешивающие устройства: а – турбинное,  
б – лопастное, в – рамное, г – якорное, д – специальное; е – пропеллерное 
 
Применение механических перемешивающих устройств предъявляет 

высокие требования к форме реактора, если должны быть обеспечены 
необходимая для уменьшения образования осадка и плавающей корки 
скорость перемешивания и требующаяся для интенсивного перемешивания 
субстрата турбулентность во всех зонах реактора. Поэтому такие 
мешалки могут эффективно использоваться лишь в небольших реакторах [
2]. 

На фоне механических способов перемешивания выделяется более 

простой и надежный способ – барботажное перемешивание. Схема процесса 
барботажного перемешивания показана на рис. 1.3 а. Оно осуществляется 
за счет отбора из верхней части биореактора выделяющегося 
биогаза и барботирования его через толщу сбраживаемого субстрата. 
Достоинствами барботажного перемешивания являются простота 
устройства ввиду отсутствия движущихся частей, к которой также относятся 
простота проектирования и высокая надежность в эксплуатации, 
а кроме того, легкость поддержания нерастворенной фазы субстрата 
во взвешенном состоянии [38]. 

Существуют различные конструкции устройств для барботажного 

перемешивания.  

Вертикальная газовая мешалка со свободным подъемом газа является 
самым простым устройством для перемешивания газом. На рис. 1.3 б 
изображена схема движения потоков жидкости в этом аппарате. Газ по-
ступает с самого низа конического дна сосуда. Вертикальные газовые 
мешалки применяются в основном для глубоких сосудов [48]. 

а)
б)
в)

г)
д)
е)

Рис. 1.3. Типы и устройства для барботажного перемешивания: 

а – схема процесса барботажного перемешивания; б – схема свободного 

барботирования; в – горизонтальная газовая мешалка. 1 – бак; 2 – барботер;  

г – вращающийся барботер, выполненный по типу лопастной мешалки;  

д – схема циркуляционного перемешивающего устройства 

 
Горизонтальные газовые мешалки представляют собой решетки или 

кольцевые трубки с отверстиями (барботеры) (рис. 1.3 в [46]). Решетки 
обычно помещают в центре аппарата. Кольцевые барботеры размещают 
симметрично оси аппарата. В тех случаях, когда отверстия для выхода 
газа в решетке находятся на боковой поверхности, а также если для пе-
ремешивания требуются горизонтальные потоки, решетки устанавли-
ваются эксцентрично вблизи стенки сосуда. Кольцевые барботеры раз-
мещают симметрично оси аппарата [48]. 

Газовая мешалка, комбинированная с механической, имеет полые 

лопасти, снабженные несколькими отверстиями (рис. 1.3 г), через ко-
торые проходит газ, подаваемый в лопасти через полый вал. При вра-
щении мешалки содержимое аппарата перемешивается механическим 
способом, а газовые пузырьки распределяются по всему объему сосу-
да. Это устройство пригодно для перемешивания маловязких суспен-
зий [48]. 

Воздушная мешалка с направляющим цилиндром (циркуляционная) 

может быть нескольких конструктивных вариантов. Самое простое 
устройство показано на рис. 1.3 д. Направляющий цилиндр помещен в 
центр сосуда. Между дном и нижним краем цилиндра имеется проме-
жуток, через который засасывается жидкость из окружающей среды. 
Подача воздуха осуществляется с низа конического дна. Биореактор с 
аналогичной конструкцией мешалки исследуется в работе [23]. 

В биогазовой установке должен поддерживаться оптимальный для 

данной установки температурный режим – важнейший фактор процесса 
сбраживания. Для оптимизации процесса переработки органических 
отходов с целью получения биогаза и биоудобрений выделяют три тем-
пературных режима по ГОСТ Р 52808 [8]: 

1) психрофильный – до 20-25 °С; 
2) мезофильный – 25-40 °С; 
3) термофильный – свыше 40 °С [9]. 
Требования к допустимым пределам колебания температуры для оп-

тимального газообразования тем жестче, чем выше температура процес-
са сбраживания: при психрофильном температурном режиме – ±2 °С в 
час; мезофильном – ±1 °С в час; термофильный – ±0,5 °С в час. Опти-
мальная температура метаногенеза зависит от вида перерабатываемого 
установкой сырья – органических отходов [9]. Зависимость скорости 
роста бактерий от температуры сбраживания приведена на рис. 1.4. 

 

 

Рис. 1.4. Зависимость скорости роста психрофильных (I), мезофильных (II) 

 и термофильных (III) бактерий от температуры сбраживания [2] 

 
Традиционно в биогазовых установках применяются системы водя-

ного отопления. Существует множество различных теплообменных ап-
паратов для подобных систем отопления, основные из них приведены на 
рис. 1.5 [47].