SPOLUPRACE.ORG

Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší na VŠCHT Praha se mimo jiné zabývá také problematikou výroby aktivního uhlí a jeho použití k různým účelům, zejména k čištění plynů. Byli jsme v této fázi kontaktování firmou SCHB Praha s prosbou prozkoumání eventuálních možností využití aktivního uhlí z dýchacích masek. Byly vytipovány případné možnosti využití tohoto aktivního uhlí, které byly následně ověřovány laboratorními experimenty. Ukázalo se, že patrně nejvýhodnější využití tohoto aktivního uhlí je k odsíření bioplynu produkovaného anaerobním rozkladem organické hmoty.

Bioplynové stanice začaly být ve velkém počtu budovány v posledních zhruba deseti letech zejména na čistírnách odpadních vod. Umožňují snížení produkce čistírenského kalu jeho tzv. anaerobním rozkladem, pomocí kterého se část hmoty čistírenského kalu přemění na bioplyn obsahující vysoký podíl methanu, který je energeticky využitelný. Součástí bioplynové stanice je obvykle také kogenerační jednotka, která spaluje produkovaný bioplyn a vyrábí elektrickou energii a teplo, obojí využitelné přímo v provozu čistírny. Tato kogenerační jednotka slouží často také jako tzv. náhradní zdroj elektrické energie pro čistírnu v případě výpadku elektrické sítě.

Nežádoucí součástí bioplynu je sulfan, látka vznikající degradací sirných sloučenin obsažených ve zpracovávané biomase. Při spalování bioplynu je sulfan přeměňován na oxid siřičitý a následně oxid sírový, který se ochotně slučuje s vodní parou za vzniku kyseliny sírové. Jak je obecně známo, kyselina sírová je silná žíravina způsobující rozpouštění běžných kovů, narušuje také materiály motoru kogenerační jednotky a prostředí spalinového traktu, se  kterým přichází do styku. Bioplyn spalovaný v kogeneračních jednotkách je proto vhodné před spálením zbavit sirných látek, zejména sulfanu. Ušetří se tak nejen problémy spojené s korozí zařízení, ale dojde také k podstatnému snížení emisí sloučenin síry ve spalinách vypouštěných do ovzduší. K odsiřování bioplynu se využívá řada metod pracujících především na principu adsorpce (záchyt sirných sloučenin na pevném adsorbentu), nebo na principu absorpce (odstraňování sirných látek jejich vymýváním z plynu vhodnými pracími roztoky). Adsorpční metody odsíření plynu pracují někdy také s použitím aktivního uhlí jako adsorbentu. Zdálo by se tedy, že použití aktivního uhlí z dýchacích masek k odsíření plynu tedy není nic nového. Opak je však pravdou. Výsledky laboratorních testů provedených na ústavu ukázaly, že impregnační přísady v aktivním uhlí z dýchacích masek poskytují tomuto adsorbentu oproti běžnému aktivnímu uhlí bez impregnace řadu výhod. Při použití běžného aktivního uhlí k odsíření plynu je nutné k plynu přidávat vzduch nebo kyslík, aby sulfan adsorbovaný na aktivním uhlí mohl být následně oxidován na elementární síru. Množství přidávaného kyslíku musí být pečlivě regulováno v závislosti na obsahu sulfanu v plynu, jinak hrozí při předávkování nebezpečí vytvoření výbušné směsi. Při nedostatku kyslíku v odsiřovaném plynu naopak klesá účinnost odsiřovacího procesu, protože na elementární síru je přeměněna jenom část adsorbovaného sulfanu. Adsorpční kapacity běžného aktivního uhlí v provozní praxi dosahují obvykle hodnot do 10 % obsahu síry, poté je nutné adsorbent vyměnit za nový, protože účinnost odsíření plynu je již nízká. Všechny tyto nedostatky odstraňuje použití aktivního uhlí z dýchacích masek k odsíření plynu. Toto aktivní uhlí obsahuje vysoké koncentrace oxidu chromového, který zajišťuje okamžitou přeměnu adsorbovaného sulfanu i dalších sirných sloučenin na elementární síru i bez přítomnosti kyslíku, není tedy nutné k plynu přisávat žádný vzduch. Je-li přece jenom v plynu přítomen nějaký malý obsah kyslíku, i ten se dá velice dobře využít k oxidaci sirných sloučenin na elementární síru, protože aktivní uhlí z dýchacích masek obsahuje další impregnační přísady katalyzující tento oxidační proces, např. stříbro. Při použití aktivního uhlí z dýchacích masek k odsíření plynu se vysoce toxický oxid chromový přeměňuje na sloučeniny chrómu v nižších oxidačních stupních, které jsou daleko méně toxické. V laboratorních podmínkách byla při testování tohoto aktivního uhlí zjištěna téměř trojnásobná adsorpční kapacita pro sirné sloučeniny ve srovnání s běžným aktivním uhlím a zhruba dvojnásobná kapacita ve srovnání se speciálním aktivním uhlím Centaur, které vyrábí pro účely odsíření plynu jeden z největších světových výrobců aktivního uhlí, firma Chemviron Carbon. Proto byla na Úřad průmyslového vlastnictví podána přihláška užitného vzoru týkajícího se použití speciálního aktivního impregnovaného uhlí k odsíření plynu a Úřad průmyslového vlastnictví tento užitný vzor následně zapsal k ochraně.

O využití tohoto užitného vzoru projevila zájem firma KS Klima-Service Dobříš, která vyrábí a dodává zařízení při filtraci plynů a zařízení pro odstraňování par organických látek z plynů pracující na principu adsorpce na aktivním uhlí. VŠCHT Praha následně uzavřela s touto firmou licenční smlouvu na využití tohoto užitného vzoru a zavázala se s firmou spolupracovat při návrhu konkrétního řešení adsorpčního zařízení určeného k odsíření bioplynu produkovaného na čistírnách odpadních vod a uvádění tohoto zařízení do provozu. Byly vypracovány projektové podklady pro adsorpční zařízení určené k odsíření bioplynu používající aktivní uhlí z dýchacích masek. Podklady byly připraveny pro dvě adsorpční zařízení lišící se velikostí. První z nich bylo určeno pro odsiřování max. 100 m3/hod. bioplynu, druhé pak pro odsiřování max. 500 m3/hod. bioplynu. Odsiřovací adsorbér je určen pro instalaci do venkovního prostředí a má elektricky vytápěný izolovaný plášť. Topení zajišťuje teplotu adsorbentu o několik °C vyšší, než je teplota odsiřovaného plynu. Zamezí se tím kondenzaci vodní páry ve vrstvě adsorbentu, její zahlcení vodou a tím způsobené snížení účinnosti odstraňování sirných sloučenin z plynu. O instalaci odsiřovacího zařízení projevily zájem především čistírny odpadních vod střední velikosti, které pracují ve městech o počtu několika desítek tisíc obyvatel. Postupně byla menší varianta odsiřovacího zařízení o max. výkonu 100 m3/hod. bioplynu instalována na ČOV Znojmo, ČOV Prostějov, ČOV Kroměříž a ČOV Kralupy nad Vltavou. Všechna odsiřovací zařízení pracují k plné spokojenosti jejich provozovatelů. Interval výměny adsorbentu po nasycení sírou je závislý na průtoku odsiřovaného bioplynu a koncentraci sirných sloučenin v plynu. Na městských čistírnách odpadních vod dosahuje několika let. Firma KS Klima-Service Dobříš zajišťuje na požádání servisním způsobem výměnu použitého adsorbentu za nový a ekologickou likvidaci použitého adsorbentu ve spalovně nebezpečného odpadu. O větší variantu adsorpčního zařízení určenou pro velká města nebyl zájem, proto se firma KS Klima-Service rozhodla stáhnout ji z nabídky a místo toho eventuálně používat několik adsorbérů menší velikosti zapojených vedle sebe.

Adsorpční materiál na bázi aktivního uhlí z dýchacích masek byl dále uplatněn pro odsíření zemního plynu těženého z podzemního zásobníku plynu v německém Kirchheilingenu, který patří firmě Verbundnetzgas AG Leipzig. Tento podzemní zásobník byl kdysi využíván ke skladování svítiplynu a je značně znečištěn sirnými sloučeninami. Z toho důvodu je nutné zemní plyn, který se v tomto zásobníku dnes skladuje, před zavedením do rozvodné sítě zbavit sirných sloučenin. Firma k tomuto účelu v minulosti používala adsorpční zařízení s německým aktivním uhlím Precolith. Odsiřovací technologie zápasila s řadou obvyklých problémů (viz. výše), proto se firma rozhodla přejít na sorbent na bázi aktivního uhlí z dýchacích masek. Tento sorbent byl důsledně testován v adsorpčním zařízení Kirchheilingen za provozních podmínek po dobu několika let; první testy byly provedeny s adsorbentem v množství několika kg, následovaly testy s množstvím adsorbentu přesahujícím 2 tuny. Výsledky všech testů prokázaly, že adsorbent na bázi aktivního uhlí z dýchacích masek má ve srovnání s německým aktivním uhlím vyšší účinnost odsíření a více, než trojnásobnou adsorpční kapacitu pro sirné sloučeniny. Od roku 2003 proto firma plně přešla na používání aktivního uhlí z dýchacích masek. Tato změna pro ní představuje nemalé úspory provozních prostředků. V provozních podmínkách podzemního zásobníku Kirchheiligen je dosahováno sorpčních kapacit aktivního uhlí pro sirné sloučeniny převyšujících 30 %. Navíc mohlo být zastaveno problematické dávkování vzduchu k čištěném, u plynu, které bylo nutné při provozu odsíření s německým aktivním uhlím.

Chcete vědět více o této technologii?  

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší
kontaktní osoba:  Karel Ciahotný
tel.: 220 444 228
fax: 220 445 010
e-mail: Karel.Ciahotny@vscht.cz