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 информатики Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, доктор технических наук О. Г. Огнев; 
ведущий научный сотрудник научно-исследовательского отдела систем автоматизированного проектирования, технико-экономического обоснования и использования 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 переработки 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 преподавателей 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 безотходной деятельности сельхозпредприятий является внедрение биогазовых 
установок, позволяющих перерабатывать органические отходы в высококачественные удобрения. При этом важным аспектом рентабельности 
использования биогазовых установок является их энергетическая эффективность. Представленная работа посвящена актуальной задаче повышения энергетической эффективности установок для анаэробной переработки органических отходов путем разработки и внедрения перспективных каталитических устройств сжигания. 

В монографии представлены теоретические и экспериментальные 

исследования в области использования каталитических устройств сжигания при анаэробной переработке органических отходов. В рамках теоретических исследований приводятся перспективные варианты конструктивного исполнения каталитических систем для анаэробной переработки органических отходов и проводится имитационное математическое моделирование особенностей их работы. В рамках экспериментальных исследований описаны разработанные и натурно реализованные 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 ре
комендации, которые были учтены при подготовке рукописи к печати. 

ВВЕДЕНИЕ 

Совершенствование методов анаэробной переработки органических от
ходов является в настоящее время важным направлением развития биогазовых 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 катализаторов, что обусловлено пределом термостойкости катализаторов и 
необходимостью поддержания оптимального для процесса катализа температурного режима во всем объеме системы.  

Предметом исследований, представленных в работе, являются особен
ности функционирования каталитических систем в технологических операциях, связанных с процессом получения биогаза. 

При использовании каталитических систем в качестве нагревательных 

элементов важными характеристиками наряду с традиционными для гетерогенного катализа (удельной каталитической активностью, селективностью, 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 существующие системы обогрева необходимо осуществлять регулирование параметров 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 активности (распределением УКА по каталитической системе в процессе функционирования), температурой процесса (распределением температур в 
каталитической системе) и эффективным  объемом (участвующим в процессе объемом, обусловленным гидравлическими и тепловыми особенностями) 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 процесс ферментации будет непродуктивным до образования нового сообщества бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное перемешивание вредно. Рекомендуется медленное перемешивание сбраживаемой в метантенке массы через каждые 4-6 ч. Оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза на 50% [9]. 

Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с 

целью обеспечения эффективного использования всего объема метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Кроме того, перемешивание должно способствовать 
выравниванию концентраций метаболитов, образующихся в процессе 

брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов 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 интенсивности 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 тесное сродство. При плохом перемешивании снижается эффективный 
объем метантенка и сокращается время пребывания в нем осадка, а следовательно, 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 особенно 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 происходит [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 рециркуляции 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 пузырьков газа. При этом происходит также механическое отделение 
мелких пузырьков газа от метаногенных микроорганизмов, что облегчает их контакт с питательным субстратом. При подаче сжатого газа в 
метантенке повышается концентрация растворенной углекислоты, которая, являясь акцептором водорода, снижает его парцианальное давление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности ацетатразлагающих 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 веществ. 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 брожения 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.)]. Повидимому, 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 являет
ся самым простым устройством для перемешивания газом. На рис. 1.3 б 
изображена схема движения потоков жидкости в этом аппарате. Газ поступает 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 перемешивания требуются горизонтальные потоки, решетки устанавливаются эксцентрично вблизи стенки сосуда. Кольцевые барботеры размещают симметрично оси аппарата [48]. 

Газовая мешалка, комбинированная с механической, имеет полые 

лопасти, снабженные несколькими отверстиями (рис. 1.3 г), через которые проходит газ, подаваемый в лопасти через полый вал. При вращении мешалки содержимое аппарата перемешивается механическим 
способом, а газовые пузырьки распределяются по всему объему сосуда. Это устройство пригодно для перемешивания маловязких суспензий [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 промежуток, 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 температурных 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 процесса сбраживания: при психрофильном температурном режиме – ±2 °С в 
час; мезофильном – ±1 °С в час; термофильный – ±0,5 °С в час. Оптимальная 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 аппаратов для подобных систем отопления, основные из них приведены на 
рис. 1.5 [47].