Биогаз — возобновляемый энергоноситель, получаемый при анаэробном сбраживании органических отходов: сельскохозяйственных, коммунальных, осадка сточных вод. Без очистки биогаз непригоден для прямого использования в двигателях или турбинах: помимо метана и углекислого газа, в нём содержатся примеси, способные вывести оборудование из строя за считаные месяцы. Активированный уголь стал одним из наиболее распространённых и универсальных инструментов для решения этой проблемы.
Почему биогаз требует очистки
Сероводород (H₂S)
Сероводород образуется при разложении серосодержащих органических веществ. Его концентрация в биогазе варьируется в широких пределах — от десятков до нескольких тысяч миллиграммов на кубометр. Даже небольшие количества H₂S вызывают электрохимическую коррозию металлических деталей двигателей, компрессоров и теплообменников. При сгорании сероводород превращается в диоксид серы (SO₂) — токсичный газ, загрязняющий атмосферу и требующий дорогостоящей доочистки дымовых газов.
Силоксаны
Силоксаны — кремнийорганические соединения, широко используемые в косметике, средствах личной гигиены (мыло, шампуни) и промышленных материалах. Попадая в канализацию или на полигоны твёрдых отходов, они в итоге оказываются в биогазе.
При сгорании силоксаны окисляются до твёрдого диоксида кремния (SiO₂) — вещества, по свойствам напоминающего мелкозернистое стекло. Этот абразивный осадок накапливается на свечах зажигания, клапанах, лопатках турбин и поверхностях катализаторов, что приводит к снижению КПД и дорогостоящим поломкам.
Прочие примеси
Летучие органические соединения (ЛОС) отравляют катализаторы и загрязняют выбросы. Водяной пар провоцирует конденсацию в трубопроводах, коррозию и нарушает работу измерительного оборудования. Аммиак и сернистые органические соединения (меркаптаны, сероокись углерода) дополняют список загрязнителей, с которыми приходится бороться при подготовке биогаза к использованию.
Как активированный уголь справляется с задачей
Удаление сероводорода
Активированный уголь удаляет H₂S двумя принципиально различными механизмами в зависимости от типа сорбента.
Каталитическое окисление на активированном угле
На поверхности угля при наличии кислорода (около 2–4% в газовой смеси) и достаточной влажности (более 50%) происходит реакция:
H₂S + ½O₂ → S⁰ + H₂O
Образующаяся элементарная сера осаждается в порах угля. Типичная ёмкость таких сорбентов составляет 0,1–0,3 кг H₂S на килограмм угля. Преимущество этого варианта — универсальность применения и удаление широкого спектра примесей.
Хемосорбция на импрегнированном угле
Уголь, обработанный щелочными реагентами — гидроксидом калия (KOH), гидроксидом натрия (NaOH), — реагирует с H₂S химически:
H₂S + 2KOH → K₂S + 2H₂O
Этот способ не требует наличия кислорода в газовом потоке и обеспечивает более высокую ёмкость: 0,3–0,5 кг H₂S/кг угля, то есть в 2–3 раза больше, чем у неимпрегнированного активированного угля. Уголь, импрегнированный KI, позволяет достигать степени очистки свыше 98%. Существенное ограничение: импрегнированные угли, как правило, нельзя регенерировать термически или химически непосредственно в установке — после насыщения сорбент необходимо заменить.
Удаление силоксанов
Для силоксанов определяющим механизмом служит физическая адсорбция, при которой молекулы удерживаются на поверхности угля силами Ван-дер-Ваальса. Здесь ключевую роль играет пористая структура сорбента.
- Микропоры (менее 2 нм) эффективны для улавливания низкомолекулярных силоксанов — L2 и D3.
- Мезопоры (2–50 нм) обеспечивают адсорбцию крупных циклических молекул D4 и D5, наиболее опасных для энергетического оборудования.
- Макропоры (более 50 нм) выполняют транспортную функцию — обеспечивают быстрый доступ газа к внутренним активным центрам.
Для адсорбции силоксанов предпочтителен активированный уголь с развитой мезопористостью. Угли на основе каменного угля зачастую эффективнее кокосовых (преимущественно микропористых) при удалении крупных молекул D4 и D5. Гидрофобная поверхность угля способствует избирательной адсорбции неполярных силоксанов и минимизирует конкуренцию с молекулами воды.
Преимущества активированного угля перед альтернативными сорбентами
Активированный уголь сохраняет позиции наиболее распространённого промышленного сорбента для очистки биогаза по совокупности причин:
- Удельная поверхность достигает 500–1500 м²/г, что обеспечивает огромное количество активных центров.
- Универсальность позволяет одновременно улавливать H₂S, силоксаны, ЛОС и частично CO₂.
- Применимость варьируется от небольших фермерских установок до крупных промышленных комплексов.
- Активированный уголь существенно дешевле цеолитов или металл-органических каркасных соединений (MOF).
АО «Сорбент» (г. Пермь) — российский производитель активированных углей и химических поглотителей мощностью до 10 000 тонн в год. Для очистки биогаза разработаны специальные высокопрочные марки углей и химические поглотители.
Для удаления сероводорода
Химический поглотитель ВЛ-115и
Химический поглотитель ВЛ-115и изготовлен на основе пеллетированного угля путём пропитки водным раствором йодида калия (KI) и является оптимальным выбором для десульфуризации биогаза.
Химические поглотители Сорбер-SG и Сорбер-SP
Химические поглотители для удаления сероводорода, диоксида серы, меркаптанов и других летучих сернистых соединений. Подходят в ситуациях, когда биогаз содержит помимо H₂S значительные количества органических соединений серы.
Для удаления силоксанов
Угли АР-А, АР-Б, АР-В
Рекуперационные пеллетированные угли на каменноугольной основе. Изначально предназначены для улавливания паров органических растворителей (толуол, ксилол), что делает их пригодными для адсорбции силоксанов: молекулярные размеры D4 и D5 сопоставимы с молекулами тяжёлых органических паров. Каменноугольная основа обеспечивает развитую мезопористость — именно ту структуру, которая наиболее эффективна для крупных молекул D4 и D5.
Угли Сорбер-30 и Сорбер-40
Пеллетированные угли на каменноугольной основе диаметром 3 мм и 4 мм предназначены для рекуперации органических растворителей и очистки воздуха.
Очистка биогаза с помощью активированного угля — зрелая и хорошо отработанная технология, которая требует тщательного подбора типа сорбента под конкретную задачу.
