В. П. Кузнецов Научно-технический кооператив "Экология"

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

В. П. Кузнецов

Научно-технический кооператив “Экология”

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОИЗВОДСТВА И РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ

1. Область применения активированных углей (АУ), их роль и место среди сорбентов

Активированным углем (АУ) называется пористый сорбент, получаемый путем специальной обработки углеродистого материала. АУ традиционно используют для выделения, разделения и очистки различных веществ в гидрометаллургии, химической, пищевой и других отраслях промышленности, а также для защиты окружающей среды. Кроме того, они незаменимы в процессах водоподготовки (см. табл. 1).

В последнее десятилетие найдены способы регулирования свойств углей, что позволяет создавать новые углеродные материалы, порой с уникальными свойствами, значительно расширять область их применения. Это, например, сорбенты и ионообменники с исключительно высокой избирательностью к отдельным веществам (ионам). Специально окисленные угли способны находить отдельные примеси среди миллионов других подобных частиц (ионов) и извлекать их. Это свойство используют при анализе сверхчистых веществ, в том числе полупроводников, люминофоров и специальных оптических материалов.

Синтезированы угли, избирательно извлекающие из сложных смесей и концентрирующие на своей поверхности драгоценные металлы: золото, серебро, платину. Получены угли со специальными свойствами, которые могут служить высокоэффективными катализаторами разнообразных химических процессов и действовать намного эффективнее, чем используемые в промышленности. Применение угольных катализаторов открывает возможности создания новых энергосберегающих технологий.

Таблица 1

Назначение и возможные области применения активированных углей (таблица получена на основе изучения опубликованных материалов^¹)

Марка	Назначение	Возможные области применения
АГ-2	Адсорбция газов и паров органических веществ	Основа при изготовлении химических поглотителей. Очистка электролита
АР-А	Рекуперация органических растворителей	Основа при изготовлении катализаторов
АР-Б	Рекуперация органических растворителей	Основа при изготовлении катализаторов. Очистка углекислого газа сероводорода
АР-В	Рекуперация органических растворителей	Изготовление бытовых запахопоглотителей. Очистка технологических растворов в производстве угольной кислоты. Очистка сточных вод. Извлечение драгметаллов. Изготовление химпоглотителей для ртутных ламп
АРД-2	Основа при изготовлении катализатора для синтеза винилацетата	Катализаторы в химической промышленности
АГС-4	Обесцвечивание сахарных сиропов в сахарорафинадной технологии	Очистка воды в хозяйственно-питьевом водоснабжении
АГ-3	Очистка технологического раствора в производстве синтетического каучука. Основа при изготовлении катализаторов и поглотителей	Очистка питьевой воды на водоочистных станциях. Очистка технологических растворов в других областях промышленности. Очистка промышленных стоков в производстве жирных кислот
АГМ	Очистка питьевой воды на водоочистных станциях	Адсорбция органических веществ водных растворов. Очистка сточных вод. Локальная очистка воздуха от сернистых соединений. Основа катализатора при очистке пропилена серосодержащих веществ
АГН-1	Основа при изготовлении катализатора для синтеза винилхлорида и винилацетата	Катализаторы для химической промышленности
Продолжение табл. 1
Марка	Назначение	Возможные области применения
КАД-йодный	Извлечение йода из буровых минерализированных вод	Очистка промышленных сточных вод, хозяйственно-питьевой воды. Адсорбция газов и паров в нефтедобывающей промышленности. Извлечение металлов из растворов в цветной металлургии
КАД-молотый	Очистка минеральных масел. Флотация руд полезных ископаемых (медно-свинцово-цинковых)	Осветление и очистка растворов в различных отраслях промышленности (очистка химреактивов, патоки, глюкозы, лимонной кислоты). Очистка промышленных стоков
УАФ	Флотация руд полезных ископаемых	См. КАД - молотый
ОУ-А	Очистка и изготовление медпрепаратов в фарм. пром-ти. Очистка органических кислот и жиров в пищевой промышленности	Очистка питьевой воды на водоочистных станциях
ОУ-В	Очистка и осветление пищевых масел и жиров, сахарных сиропов, глицерина и органических кислот в пищевой промышленности	Очистка и осветление технологических растворов в химической промышленности. Очистка питьевой воды на водоочистительных станциях. Осветление пластификаторов
БАУ-Ац	Наполнение ацетиленовых баллонов	См. ОУ-В
БАУ-А	Очистка ликеро-водочных изделий	Очистка питьевой воды, пищевых продуктов. Производство люминофоров. Очистка вент. выбросов от вредных веществ
ДАК	Очистка парового конденсата	Очистка сточных вод от нефтепродуктов и других органических веществ. Очистка оборотных вод в гальванических производствах
БАУ-МФ	Снаряжение бытовых фильтров типа “Родничок”	Очистка питьевой воды от растворенных органических примесей
УАИ	См. БАУ-МФ	См. БАУ-МФ
СКТ	Улавливание паров орган. веществ. Очистка парогазовых выбросов целлюлозно-бумажной пром-ти	Изготовление запахопоглотителей воздухоочистителей
СКТ-3	Рекуперация летучих растворителей в производстве искусственных волокон	Для создания регулируемых газов сред в овощехранилищах
АРТ-1	Рекуперация сероуглерода в производстве искусственных волокон	В химической промышленности
АРТ-2	Улавливание паров органических растворителей в производстве искусственных волокон	В химической промышленности
ДАУ	Очистка сточных вод от органических примесей	Очистка питьевой воды на водоочистительных станциях
ДАУ-1, ДАУ-2	Рекуперация органических растворителей	Очистка газов. Основа при изготовлении катализатора синтеза винилхлорида и винилацетата
АГН-3	Основа катализатора в произ- водстве винилхлорида и винил ацетата	Катализаторы в химической промышленности
БАУ- буковый	Очистка растворов в производстве цветных люминофоров	В химической промышленности
Продолжение табл. 1
Марка	Назначение	Возможные области применения
НБП	Основа при изготовлении катализатора для очистки органических кислот	Катализаторы в химической промышленности
АБД	Очистка технологических растворов, сточных и оборотных вод в химической и нефтехимической промышленности	Водоподготовка на промышленных предприятиях, тепловых электростанциях. Извлечение металлов из растворов цветной металлургии
ОУЛ-А	Очистка растворов в пищевой промышленности	Очистка сточных вод
ОУ-ПК	Очистка растворов в крахмало-паточной промышленности	В пищевой промышленности

О лечебных свойствах АУ знали ещё древние египтяне, а также основоположник античной медицины Гиппократ. Современная медицина широко применяет специальные угли для извлечения токсичных веществ из крови (гемосорбция), лимфы, плазмы для повышения иммунитета, для консервирования крови, при лечении разнообразных патологий, ран, ожогов как носители лекарственных препаратов и др.

Специфические адсорбционные и каталитические свойства углеродных материалов, их использование в виде порошков, гранул, микросфер, пластин, волокон и тканей открывают широкие перспективы для решения новых технологических задач^².

Новым направлением является использование углеродных материалов в сельском хозяйстве. Так, при выращивании экологически чистой продукции АУ, внесенные в почву, препятствуют проникновению в растения пестицидов, компонентов удобрений и т.п. Появилась возможность приготовления антигрибковых (фунгицидных) и антибактериальных препаратов, намного менее токсичных, чем известные, при такой же или даже большей активности, в которых уголь служит носителем активного вещества, а форма связи последнего с поверхностью обеспечивает его заданное дозированное выделение в окружающую среду.

Активированные угли наиболее пригодны для очистки воды вследствие гидрофобности, практического отсутствия поглощения основного компонента - воды. Многие другие известные сорбирующие материалы - глина, силикагели, цеолиты и др. - гидрофильны и малопригодны для поглощения из воды, например, органических соединений именно потому, что энергия взаимодействия их с молекулами воды почти такая же, как и энергия сорбции загрязнений, или даже превышает её.

АУ хорошо поглощают различные органические вещества, в обычных условиях могут сорбировать и неорганические ионы, они способны также удалять из воды избыточное количество озона, хлора и его соединений. При этом проявляются их ионо- и электрообменные свойства.

Применение углеродных сорбентов получает большое распространение во всех промышленно развитых странах не только из-за экономической выгоды, а также из-за важного значения для защиты биосферы и рационального использования природных запасов воды.

Впервые в Калифорнии на озере Тахо была использована промышленная установка, где механобиологическая очистка городских сточных вод дополнялась адсорбцией на АУ. Некоторые данные о работе сорбционных установок по очистке стоков в США, Германии и других странах представлены в табл.2^³. На основе этих данных можно сделать вывод о наибольшей эффективности установки “Атлантик Рихфельдер Уотсон “Рефинери”” (США), т.к. именно в случае использования этой установки при очистке стоков нефтеперегонного завода расходуется минимальное количество угля на единицу объема сточных вод (1,06 куб. м угля на 1 куб. м в час воды).

Таблица 2

Установка	Характеристика сточных вод	Объем сточных вод, м³/ч	Используемый объем угля, м³	Характеристика системы адсорбера
“Даттикан” (Швейцария)	Стоки производства взрывчатых веществ	2,5-5,0	6,7	Четыре адсорбера с последовательным включением
“Гамзен” (Голландия)	Нитрофенолы, гербициды	1	3	“ - “
“Фальдебер” (США)	Стоки производства моющих средств	2,3	23	Три адсорбера с последующим включением
Установка	Характеристика сточных вод	Объем сточных вод, м³/ч	Используемый объем угля, м³	Характеристика системы адсорбера
“Атлантик Рихфельдер Уотсон “Рефинери” (США)	Стоки нефтеперегонного завода	600	636	12 адсорберов по 4 метра высотой, работающие параллельно
“Джордж Пасифик” (США)	Стоки с содержанием фенола (400-2500 мг/л)	30	37	Один адсорбер высотой 4,5 м

АУ наряду с адсорбционными свойствами обладают способностью к ионному обмену, что расширяет их полезные свойства. Эта способность имеет громадное значение, несмотря на малую ионообменную емкость. Если у технических ионообменных смол она составляет величину 4-6 мг-экв/г и более, то у обычных АУ (анионообменников) она лежит в пределах 0,4-0,6; у хороших азотсодержащих достигает 0,8-1,0 мг-экв/г. Специально окисленные угли имеют емкость 2-3, а у некоторых образцов она составляет и 6-8 мг-экв/г.

Синтетические иониты, обладая высокой емкостью, не имеют высокой механической прочности, разрушаются под действием повышенных температур, концентрированных кислот и щелочей, меняют свой объем при набухании и т.п. Обычные технические иониты особенно эффективны тогда, когда из растворов надо удалить все ионизированные примеси, как в случае обессоливания воды. С помощью ионитов при этом достигается степень очистки более высокая, чем при дистилляции. Однако они малоизбирательны и легко обменивают свои ионы на ионы как примесей, так и основного вещества.

Окисленные угли в отличие от большинства синтетических ионитов обладают исключительно высокой избирательностью при катионном обмене.

Важной особенностью АУ является их радиационная устойчивость, выгодно отличающая их от синтетических смол. Благодаря большой химической и термической устойчивости АУ могут использоваться до температур 300-400 градусов, в то время как смолы разрушаются и теряют свою активность при температуре около 100 градусов Цельсия. Все это делает угольные катализаторы весьма перспективными для практики.

Экономическим аргументом в пользу применения АУ по сравнению с ионитами служит более низкая цена. Так в 1990 году цена на АУ находилась в пределах 600-1400 руб./т, а цены на иониты в пределах 2000-3000 руб./т, это в два с лишним раза снижает себестоимость очистки воды при использовании АУ вместо ионитов.

Каталитические свойства углей можно целенаправленно изменять и разнообразить, работая над: пористостью структуры, природой поверхности, введением модифицирующих добавок и т.д. К настоящему времени разработано большое число разнообразных каталитических процессов, ускоряемых активными и окисленными углями.

Расширение традиционных и новых областей применения активвированных углей привело к их острой нехватке (1992 г.). В связи с этим весьма актуальными стали работы по расширению сырьевой базы их производства. Для получения углеродных поглотителей и катализаторов используют отходы пищевой и деревообрабатывающей промышленности, различные смолы, продукты переработки ископаемых углей и др. При этом свойства конечного продукта определяются использованным сырьевым источником. Не менее важны и исследования по увеличению срока службы углеродных сорбентов как на стадии сорбции, так и при регенерации (реактивации) АУ. От интенсификации соответствующих технологий ожидается не только экономический, но и значительный экологический эффект^⁴.

2. Регенерация активированных углей

Рост объемов применения активированных углей в различных отраслях промышленности обусловил их острый дефицит. В этой связи необходимо повышать эффективность использования АУ и прежде всего путем регенерации, позволяющей восстановить их адсорбционные свойства для многократного использования.

Существуют несколько способов регенерации: химическая регенерация; экстракция; биологическое разложение адсорбированных сорбентов веществ; электрохимическая регенерация; обработка перегретым водяным паром или низкотемпературный нагрев от 100 до 200 градусов Цельсия; жидкофазное окисление; термическая регенерация; с помощью электрического тока; с помощью СВЧ нагрева (950-3000 мГц). Проблема регенерации и возможности повторного (многократного) использования АУ является важнейшей при решении вопроса об очистке стоков, т.к. именно стадия регенерации в основном определяет экономику процесса - доля затрат на неё в общей стоимости очистки составляет от 40 до 85%.

Чтобы сделать общие выводы, рассмотрим случай, когда система реактивирования сочетается с крупной адсорбционной установкой, например станцией водоподготовки. Предположим, что параметры адсорбционной системы рассчитаны правильно, и она работает нормально. В этом случае расходы на регенерацию обычно делят на постоянные и переменные. К постоянным расходам относят: амортизационные расходы, капитальные расходы, страховку и налоги, затраты на ремонт и техническое обслуживание, заработную плату и вознаграждения, а также общие затраты (например, расходы на управленческий аппарат и лабораторные исследования). Большинство этих факторов в основном зависят от типа установки и могут быть изменены только при планировании. К переменным расходам относят: энергию, т.е. топливо, электроэнергию, пар, воду; возмещение потерь активного угля на реактивирование.

Потребление энергии при непрерывной эксплуатации установки является функцией скорости обработки угля, другими словами, зависит от количества регенерируемого угля. При равных количествах и одинаковых составах продуктов, требующих очистки (например, сточных вод), различие в объемах угля, поступающего на реактивирование, относительно небольшое. То же можно сказать и о количестве угля, которое приходится добавлять в процессе эксплуатации.

Стоимость добавляемого угля зависит от типа АУ ( производительность - цена), количества и вида удаляемых примесей, влияния биологических процессов разложения и способов реактивирования. При выборе подходящего сорта АУ общая площадь поверхности и цена не являются единственно решающими факторами. Важно, чтобы распределение размеров пор угля наилучшим образом соответствовало размеру молекул, т.е. доля оптимальной адсорбции мелких молекул снижается в процессе реактивирования в значительно большей степени, чем у крупнопористого угля, т.к. тонкие поры при реактивировании расширяются. Для гранулированных углей важна прочность на удар и на истирание.

При очистке бытовых сточных вод срок службы АУ увеличивается вследствие одновременно протекающих процессов биологического разложения; для очистки промстоков такая комбинация процессов обычно невозможна. Повышение производительности систем и возрастающие объемы адсорбирующих веществ ведут в этом случае к быстрой отработке угля и увеличению числа циклов реактивирования.

При эксплуатации печей в процессе термического реактивирования к росту потерь угля ведут превышение оптимальной температуры, продолжительное пребывание АУ в реакторе, большой избыток кислорода или водяного пара, присутствие неорганических катализаторов разложения, неполная выгрузка угля на выходе из реактора. Эти параметры следует постоянно контролировать, и, тем не менее, опыт показывает, что при термическом реактивировании даже строжайшее соблюдение режима процесса не исключает потерь угля в печи, которые составляют около половины общих потерь. Абсолютное значение потерь АУ на цикл существенно зависит от типа и объема очищаемой среды и может составлять от 1 или нескольких процентов до 15-20. В общем, потери в 4-7 % считаются нормальными. Однако, определяя расход угля, следует учитывать, что при эксплуатации адсорбционной установки на реактивирование приходится лишь небольшая доля общих затрат. Эта доля в соответствии с опытом работы адсорбционной установки в США составляет 5-15 % от стоимости всей установки. Даже увеличение потерь угля до 30-40 % при неправильном режиме процесса в печи могло бы поднять общую стоимость лишь на несколько процентов.

В заключение приведем ещё один пример. Фирма American Cyana-mid (США) построила на своих предприятиях по производству органических химических веществ в Баунд Бруке (Нью-Джерси) установку для очистки сточных вод на активированном угле производительностью 75700 м³/сут. На установке работают 10 адсорбционных колонн, в каждой по 71 т угля. Используемая для реактивирования многополочная печь позволяет ежедневно возвращать в адсорбционную систему 55-69 т АУ. Для возмещения потерь необходимо около 3,8 т угля в сутки. Общая стоимость эксплуатации установки составляет около 5 миллионов дол. в год^⁵.

Назначение регенерации угля состоит в конечном счете в сокращении расхода сорбента и общей себестоимости очистки воды. Эффективность регенерации угля, её технико-экономические показатели оказывают решающее влияние на себестоимость сорбционной доочистки воды. Стоимость нового угля, добавляемого в систему для восполнения потерь или снижения адсорбционной емкости АУ, составляет от 30 до 90 % всех эксплуатационных затрат на станции. Без регенерации угля цена воды составляла на 1991 год около 2 руб./м³ ($ 2-3). Осуществление регенерации угля целесообразно на станции производительностью более 50-100 м³/сут. При очистке менее 1000-3000 м³/сут рентабельны методы регенерации угля с неполным (до 80 %) восстановлением его сорбционной емкости (химическая или низкотемпературная регенерация). На станциях производительностью 1000-2000 м³/сут термическая регенерация угля снижает себестоимость доочистки воды до 10-38 коп./м³ или в 4-8 раз по сравнению с однократным использованием сорбента. Нами такая экономическая картина была получена при трехкратной регенерации угля. Шестикратная регенерация угля снижает затраты в 7-14 раз по сравнению с однократной. Дальнейшее увеличение числа регенераций не ведет к существенному снижению затрат.

Несмотря на отсутствие затрат на восстановление сорбента в варианте без регенерации АУ, капитальные вложения по нему достаточно велики из-за необходимости строительства обширных складов нового сорбента и накопителей отработанного угля. Общие капитальные затраты по варианту без регенерации в 2 раза ниже, чем в вариантах с регенерацией угля. Затраты на оборудование для химической и низкотемпературной термической регенерации угля в адсорберах невелики (около 20 % общих капитальных затрат). Но реализация этих методов требует организации реагентного хозяйства, изготовления адсорберов и запорной арматуры из коррозиестойкого материала, что увеличивает их стоимость в 2-5 раз, приближая общую стоимость такой станции к затратам в вариантах с термической регенерацией.

Однако на станциях с расходом угля до 0,3 т/сут., где потери угля составляют до 15-25 % за цикл, затраты на регенерацию не оказывают решающего значения, а преобладает влияние затрат труда. Приведенные затраты на регенерацию угля в адсорбере в два раза ниже, чем при термической регенерации, цена воды составит 50-70 коп./м³ при снижении емкости АУ на 15-25 % за цикл. В общем, при проектировании малых станций наибольшее внимание необходимо уделять упрощению сорбционного и регенерационного оборудования, т.е. его обслуживание, ремонт и амортизация составляют основные статьи расходов (более 2/3) при очистке воды. Наоборот, на крупных станциях определяющим фактором себестоимости очистки воды является приобретение угля для восполнения потерь или периодической замены. Потери АУ в начальный (пусковой) период выше в 1,5-2 раза. Из всех потерь угля половина связана с его обгаром в печи, 20-40 % теряются при промывке адсорберов, 6-9 % - при обезвоживании АУ и отмывке и 5-15 % - при транспортировке.

Себестоимость регенерации более 3 т/сут. АУ в барабанных печах (ориентировочно 20-50 руб./т) зависит от механической прочности АУ и режима обработки, но не от стоимости нового АУ. Удельные капитальные затраты на единицу мощности при строительстве такого блока регенерации составляют 20-120 тыс. руб. на одну тонну АУ в сутки при производительности 3-0,3 т/сут и снижаются до 1,5-3 тыс. руб. на одну тонну АУ в сутки при производительности 60 т/сут и более.

Удельные капвложения в строительство блока регенерации АУ (на 1 т/сут.) резко снижаются при увеличении производительности установки. Это объясняется не столько увеличением эффективности работы крупных агрегатов, сколько тем, что основная стоимость падает не на основное оборудование, а на монтаж всего комплекса, средства автоматического управления и контроля, вспомогательное оборудование. Эти затраты изменяются незначительно. Так, снижение производительности узла регенерации в 10-100 раз сокращает обслуживающий персонал и стоимость контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации лишь в 2-5 раз. Многоподовая печь производительностью 3т/сут стоит 250 тыс. дол. (83 тыс.дол./т АУ в сутки), а 40 т/сут - 1 млн. дол. (только 25 тыс.дол./т АУ в сутки).

Сравнение экономических показателей сооружения по термической регенерации АУ в разных странах не всегда правомерно из-за различий в стоимости труда, материалов, энергии и роста цен.

Термическая регенерация в многоподовых печах считается рентабельной на установках производительностью более 80-100 кг/сут, когда себестоимость регенерируемого АУ не превышает 625 дол.за тонну. При необходимости регенерировать в среднем 50 или 200 кг/сут отработанный уголь накапливается и обрабатывается в печи с минимальной производительностью 0,8 т/сут, работающей непрерывно 2 или 7,5 суток в месяц. Переход к периодической работе печей требует затрат на дополнительное оборудование и увеличивает средние потери от 7 до 10 %, но это все же дешевле изготовления нестандартного оборудования малой производительности. Естественно, затраты труда на малых установках велики, при средней производительности 0,05; 0,8; 3 и 30 т/сут они составляют 80; 24; 7 и 0,7 чел.-ч/кг АУ соответственно.

В 1997 году стоимость многоподовых печей производительностью 2; 4; 12 и 24 т/сутки составила 0,24; 0,36; 0,77 и 1,2 млн.дол., а их установка (включая фундаменты, электрические и другие сети, инженерные конструкции и пр.) дополнительно 0,61; 0,91; 1,93 и 3,0 млн. дол. Затраты на топливо для этих печей 22 доллара за тонну АУ в сутки (считая 21000 кДж/кг АУ), электроэнергию - 5 долларов за тонну АУ в сутки, пар - 4-10 долларов за тонну АУ в сутки, амортизацию - 12 % общих капитальных затрат, затраты труда - 55 долларов в сутки для всех печей. Следовательно, для указанных производительностей печей общие приведенные расходы составляют 0,34; 0,53; 1,23 и 2,22 млн. дол. в год, а себестоимость регенерируемого угля по данным 470; 360; 305 и 275 долларов за тонну. На установке же в г. Южный Тахо, имеющей наибольший опыт работы, себестоимость регенерации 1,2 т АУ в сутки составила 71 доллар за тонну.

Отказ от эксплуатации нескольких близлежащих малых установок по термической регенерации углей и переход к восстановлению сорбента на общей кустовой станции большой производительности (или завода-изготовителя сорбента) связаны с дополнительными затратами на транспортировку угля. В случаях, когда собственно регенерация угля стоит 60-110 долларов за тонну, его доставка на завод-изготовитель АУ и обратно увеличивает затраты до 300-450 долларов за тонну, но и это выгоднее однократного использования АУ (750-1000 долларов за тонну). Фирма Chemviton (филиал Calgon Corp) создала в США и Западной Европе сеть центров (заводов) по термической регенерации АУ, когда сорбент доставляется в специальных автоцистернах. Стоимость регенерации АУ в печах с косвенным нагревом, распространенных в Японии, составляет половину цены нового сорбента^⁶.

Выбор метода регенерации АУ и его экономические показатели непосредственно связаны с назначением установки (осушка, адсорбционно-каталитический процесс, рекуперация, очистка вентиляционных выбросов и т.д.), типом адсорбента (АУ, цеолиты, силикагели и др.), а также с конструктивными особенностями применяемого оборудования и технологической системой процесса. Экономические показатели и сам метод регенерации зависят также от физико-химических свойств веществ, извлекаемых из газовых потоков или потоков жидкостей, и от присутствия различных примесей в очищаемом потоке. Экономические показатели процесса в целом непосредственно зависят от перечисленных факторов, однако существенная доля в этих затратах приходится на регенерацию адсорбентов. Например, при рекуперации летучих растворителей в неподвижных слоях адсорбента доля затрат на десорбцию растворителей из угля в общей стоимости рекуперации составляет 40-70 %, при рекуперации растворителей в кипящем слое адсорбента также около 70 % всех расходов на очистку составляет регенерация отработанного угля^⁷.

Авторы ссылаются на экстракционный метод реактивации АУ типа АГ-5, применяемого для адсорбционно-каталитической очистки хвостовых газов производства элементарной серы от сероводорода. Себестоимость регенерации АУ в оптимальном режиме равна 42,66 рубля при периодическом варианте и 9,46 рубля за одну тонну угля при поточном варианте экстракции.

Интересным является сравнение технико-экономических показателей двух методов очистки вентиляционных выбросов (в неподвижных слоях адсорбента) от сероуглерода в вискозном производстве, приведенных в работе этих же авторов. По первому варианту в адсорбере с неподвижным слоем АУ АР-3 процесс очистки состоит из четырех стадий: адсорбции, десорбции, сушки и охлаждения. Дополнительно один раз в месяц для поддержания активности угля его промывают умягченной водой (экстрагирование сернистых соединений, модифицирующих структуру адсорбента). При этом удельные затраты на 1000 куб. м очищаемого вентиляционного воздуха следующие: АУ - 0,01 кг, сульфата натрия -0,19 кг, а НС0₃ - 0,008 кг, электроэнергии - 6,3 кВтч, воды - 1,68 куб. м, водяного пара - 13,7 кг.

По второму методу очистки вентиляционного воздуха от сероуглерода в адсорбере расположено два слоя АУ. В первом слое на угле типа “Сульфосорбон” происходит каталитическое окисление сероводорода до элементарной серы, накапливающейся в активном угле. Для увеличения адсорбционной емкости уголь предварительно промывается водным раствором иодистого калия. Во втором слое на активном угле типа “Суперсорбон” происходит адсорбция сероуглерода. Основной операцией в этом процессе, как указывают авторы, является регенерация угля. Периодичность регенерации для нижнего и верхнего слоев различная. Нижний слой регенерируется путем экстракции серы жидким сероуглеродом. В верхнем слое десорбция сероуглерода из угля осуществляется острым водяным паром при температуре 100-200 градусов Цельсия. За счет модификации структуры угля в верхнем слое при постепенно накапливающейся элементарной сере и серной кислоте снижается активность слоя. Для удаления серной кислоты верхний слой периодически промывается умягчённой водой, удаление серы осуществляется промывкой слоя жидким сероуглеродом. Кроме того, через каждые пять промывок сероуглеродом производят импрегнирование верхнего слоя раствором йодистого калия. Удельные затраты на 1000 куб. м очищаемого вентиляционного воздуха поэтому следующие: АУ “Суперсорбон” - 0,003 кг, АУ “Сульфосорбон” - 0,002 кг, сода кальцинированная (100 %-ная) - 0,004 кг, йодистый калий (100 %-ный) - 0,00124 кг, вода - 0,49 куб. м, водяной пар - 32 кг, электроэнергия - 6,4 кВтч^⁸.

Углеродные сорбенты находят широкое практическое применение во многих областях промышленности и в повседневной жизни, поскольку они являются не только экономически выгодными, но и имеют важнейшее значение для защиты биосферы и рационального использования природных запасов воды. Важнейшими преимуществами АУ по сравнению с цеолитами, синтетическими смолами и другими сорбентами являются их большая термическая, химическая и радиационная устойчивость, высокая избирательность и более низкие цены, что в 1,5-2 раза снижает себестоимость очистки воды при использовании АУ взамен ионитов.

В США выпускают более 90 типов АУ, что свидетельствует о широком диапазоне областей применения АУ и больших объемах использования их в первую очередь с целью очистки воды, воздуха, химических растворов и соединений и т.п. Их производством занято около 60 фирм. В нашей стране известно около 30 промышленных марок АУ. До 1990 года производство многих из них было убыточным и невыгодным. Но переход к свободным ценам и сегодня не разрешил это противоречие. Нужно экономически заинтересовать производителей выпускать АУ и снизить его дефицит, который в 1990 году составлял от 20 до 70 %. Сегодня этот дефицит покрыт иностранными производителями АУ. Наряду с этим возникла другая проблема. Слишком высокие цены каждой тонны активированного угля (на отдельные марки АУ до 10 тысяч долларов) делают затруднительной задачу широкого применения этого сорбента в народном хозяйстве и в первую очередь заставляют отказываться от использования АУ в водоочистке и в очистке промышленно-ливневых стоков химических предприятий, что негативным образом сказывается на решении экологических проблем.

Это тем более важно отметить в условиях отсутствия качественного надзора за соблюдением природоохранных требований и функционирования механизма эффективного и рационального природопользования. В этой связи необходимо повышать эффективность использования активированных углей и прежде всего путем регенерации, позволяющей восстанавливать их адсорбционные свойства для повторного использования. Назначение регенерации угля состоит в конечном счете в сокращении стоимости сорбента в общей стоимости очистки воды.

Экономическая эффективность регенерации АУ очевидна из следующих моментов:

Снижается себестоимость водоочистки в 4-8 раз за счет экономии сорбентов при их многократном использовании.
В варианте без регенерации АУ, несмотря на отсутствие затрат на восстановление сорбента, капитальные вложения по нему достаточно велики из-за необходимости строительства обширных складов для нового сорбента и хранилищ отработанного угля.
Восстановление сорбента при регенерации сопровождается выделением и экстрагированием других химических соединений и веществ (имеющих достаточно высокую цену), что также увеличивает эффективность регенерации и снижает общие приведенные затраты процесса.

Таким образом, строительство регенерационных установок АУ является экономически оправданным и целесообразным в большей степени в тех местах, где АУ используется в значительных объемах.

Получено 1.12.98.

Blog

В. П. Кузнецов Научно-технический кооператив "Экология"

Содержание

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОИЗВОДСТВА И РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ