domingo, 3 de mayo de 2015

Limpieza del Biogás. Eliminación de sulfuro de hidrógeno (H2S).

Desulfuración del Biogás.

Origen, Efectos y Tratamientos.



La eliminación del sulfuro de hidrogeno (H2S) en el biogás se vuelve una necesidad  no solo para conservar en buen estado los conductos, maquinas y equipos involucrados en su transporte, uso y aplicación, si no también, y ante todo para preservar la vida de todo el personal encargados de la operación y el mantenimiento de las estaciones productoras de biogás, así como, evitar emisiones de gases tóxicos a la atmósfera..

Fase gas: Sulfuro de hidrogeno (H2S)
Fase liquida: Acido sulfhídrico (H2S)
Detección: Fuerte olor a huevo podrido.

Origen.

El sulfuro de hidrógeno (H2S) esta presente en la mayoría de los proceso de putrefacción o degradación biológica de la materia orgánica cuando este proceso se realiza en ausencia de oxigeno. En condiciones anaerobias las bacterias sulforreductoras adquieren el oxígeno del sulfato (SO4) convirtiéndolo en sulfuro (S2-) que dará lugar al H2S y de aquí la presencia del H2S en el biogás. Figura 1

La concentración de sulfuro de hidrógeno en el gas es una función del sustrato de alimentación del digestor y el contenido en sulfato inorgánico. Los desechos con un alto contenido en proteínas con aminoácidos basados en azufre (metionina y cisteína) pueden influir significativamente en los niveles de sulfuro de hidrógeno en el biogás, así como, la presencia de sulfatos en las aguas o líquidos a tratar. Las concentraciones de H2S, por tanto,  varían según el sustrato a tratar y su producción esta generalmente ligada a la carga orgánica que presenta dicho sustrato. 

Figura 1. Mecanismo por le que se produce el H2S y forma en que corroe un sistema de tubería.


Figura 1. Mecanismo de corrosión y formación del H2S


Efectos 
La eliminación/reducción del sulfuro de hidrógeno (H2S) es necesaria debido a su efecto contaminante a diferentes niveles entre los que se pueden citar.
  • Sobre el medio ambiente: Producción lluvia ácida.
  • Sobre equipos y conductos: Corrosión y minimización de su vida útil.
La corrosión causada por la presencia del sulfuro de hidrógeno en las plantas de tratamiento es un problema bien estudiado y documentado. Esta corrosión se inicia cuando las bacterias oxidan el H2S a acido sulfúrico en las superficies de los caños o en las paredes de concreto. El ácido sulfúrico corroe el concreto (tal es el caso de la base de concreto en la que se instalan los gasómetros de almacenamiento de biogás), tras lo cual la armazón de acero es expuesto y comienza también a corroerse.

Las figuras 2 muestra la corrosión que produce en diferentes partes del sistema de cogeneración la presencia de H2S en el biogás.




                      
           

Figuras 2. Corrosión en recuperador, silencioso y pistón debido a la presencia del H2S en el biogás.
  • Sobre las personas.
La tabla Nº 1 muestra los efectos que produce el nivel  de concentración sobre el ser humano que son los encargados de la operación de las instalaciones de biogás.


Uno de los aspectos más importante en la limpieza del biogás en las diferentes instalaciones productoras de este gas es la eliminación de la concentración del H2S antes su almacenamiento o uso/aplicación por los daños que produce en los diferentes equipos y máquinas, así como, en el personal encargado de la operación de estos tipos de instalaciones. 

Tratamientos. Técnicas de eliminación del H2S en el Biogás.

Actualmente existen muchos procesos disponibles en el mercado para la eliminación del sulfuro de hidrógeno ( H2S) del biogás, cada uno con sus ventajas y limitaciones. Algunos se limitan por el nivel de H2S y/o CO2 en la corriente de gas. Otros no eliminan adecuadamente mercaptanos. Y otros no son adecuados debido a su complejidad de operación, la inversión de capital inicial y / o altos costes de mantenimiento/operación.

En el caso de las EDARs (estación de depuración de aguas residuales) existen dos puntos o partes dentro de la instalación  en los cuales se puede realizar este proceso de desulfuración.
  1. En origen, es decir, en el reactor o pretratando el lodo que va hacer digerido. En el caso del digestor podemos hablar de la inyección de aire, la inyección de oxigeno en cúpula o la adicción de  el hidróxido de hierro o el cloruro férrico. En el caso del lodo presta interés la hidrolisis térmica o la adicción de hidróxido de hierro en l flujo de lodo que entra al reactor..
  2. En línea. Al biogás que sale del digestor una vez realiza la limpieza gruesa, es decir, la eliminación de espumas, partículas, condensados y sedimentos.
Los procesos de desulfuración en línea se pueden clasificar de forma general  en seco y húmedo. Estos, a su vez, en dependencia si existe o no reacción química se pueden dividir con reacción o sin reacción química.

1.- Procesos de desulfuración en seco.
  • Carbón activado impregnado (NaOH, KI, etc.). Carbón activado catalítico.
  • Tamices moleculares
  • Óxido de hierro.                                          
  • Pellet de madera impregnado en oxido de hierro.  
  • Pellet de óxido de hierro.
  • Separación por membranas.
2.- Dentro de los procesos de desulfuración húmeda.
  • Lavado con hidróxido de sodio (NaOH). En una etapa y En dos etapas.
  • Lavado con compuestos de hierro
  • Lavado con aminas.
  • Desulfuración biológica.                               
  • Lavado con agua a presión y bajas temperaturas.
  • Desulfuración Bioquímica.
  • Desulfuración con combinación de técnicas
En el sector de la desulfuración de gases, como se puede notar existen numerosas técnicas, pero  hay dos que predominan en el mercado cuando se tratan grandes caudales a elevada concentración de H2S que son: el lavado químico, lavado biológico y el lavado bioquimico, este ultimo, en muchas ocasiones con una etapa de refino e seco

Cada una de ella se aplica en condiciones específicas de caudal, concentración de H2S y condiciones a la que se encuentra la corriente del gas a tratar. Sin embargo, cuando se trata de alta concentraciones de H2S, es decir, por encima de las > 5.000 ppm los procesos químicos o los bioquímicos son los que mejores resultados reportan.

La figura 3 muestra los diferentes proceso de desulfuración aplicados a la limpieza del biogás según el lugar en que se realizan y técnica/,método que se utiliza..

Comparativa entre procesos.

La tabla Nº 1 presenta las diferencias entre las técnicas utilizadas para la desulfuración de gases. En ella se expone con símbolos de +/- las diferentes características de este tipo de proceso, independiente de la carga de H2S a tratar. 

Tabla 1. Proceso de desulfuración de gases.
   
Técnicas de eliminación.                                    1       2       3       4        5       6         7

Secos.

Carbón activado                                                             -      +/-     +/-     +/-      +     +/-     +/-
Tamices moleculares                                                      -      +/-     +/-     +/-      +     +/-     +/- 
Pellet óxido de hierro                                                     +      +       +       +/-      +     +/-     +/-
Separación por membranas                                            -       -       -         -        +      +        -

Húmedos.

Lavado  NaOH                                                               +/-     +       +/-     +/-      +     +/-     +/-
Lavado con solución de hierro                                       +/-     +       +/-     +/-      +     +/-     +/-
Lavado con aminas                                                        +/-     +       +/-     +/-      +     +/-      +/-
Lavado biológico                                                           -       +/-     +/-     +/-      +      +         +/-

1. Aplicación a pequeña escala (+ = si)                 2. Aplicación a gran escala (+ = si)
3. Simplicidad (+ = simple)                                   4. Operación y mantenimiento (+ = bajo)
5. H2S en el gas tratado < 250 ppm (+ = si)          6. Impacto medioambiental (+ = bajo)
7. Costo (+ = bajo).

En muchos casos el lavado biológico presenta más bajos costes de operación que otras tecnologías ya que no requiere consumo de productos químicos, pero a su vez, cuenta con importantes limitaciones que reducen su aplicación entre lo que se pueden citar.

  • Aplicable hasta ciertas carga de H2S y flujo del gas a tratar. Generalmente por debajo de las < 5.000 ppm de H2S. 
  • Requiere estabilidad en las condiciones de operación y en la concentración de H2S. En este proceso quien realiza la degradación del H2S son organismos vivos, es decir, bacterias y todo organismo vivo requiere condiciones estables para la realización del trabajo (proceso).
  • Este tipo de proceso, al trabajar con microorganismos, requiere de cierto tiempo para su proliferación y arranque lo cual, a veces, es una desventaja. Esto se debe a que requiere determinado tiempo para el desarrollo del cultivo bacteriano responsable del proceso y su eficacia de remoción.
Por otro lado, el lavado químico, principalmente con NaOH, es una técnica muy conocida y aplicada. Esta tecnología esta en continuo desarrollo con vista a minimizar el consumo de reactivo que es su principal desventaja, dado la alta concentración de CO2 presente en el biogás, por lo que un equilibrio en las velocidades de reacciones que toman lugar es fundamental (NaOH + H2S y NaOH + H2S). Este aspecto es critico si se quieren obtener buenos resultados en eficacia de remoción del H2S y adecuados costes operativos. En estos caso se suele trabajar con una solución con pH comprendido entre  8,6÷8,9
Los estudios han llevado a la aparición de procesos combinados que permiten recuperar, por un lado parte del NaOH empleado y por otro  el azufre en su forma elemental S. Por ello, las técnicas combinadas para la remoción de H2S en el biogás son los que mejores resultados están reportando hasta el momento para  cuando se tratan, tanto concentración elevada  de H2S en el biogás, como caudales a tratar. 

La figura 3 muestra el lavador bioquímico con sus diferentes etapas de operación: lavado, oxidación y sedimentación que minimiza significativamente la carga de NaOH a utilizar e incluye la etapa de refinamiento que garantiza estabilidad del proceso y concentraciones s de H2S en el biogás < 5 ppm


Figura 2. Lavador bioquímico + etapa de refinamiento..


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Para mayor información.

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www.bgastech.com.


Referencia: 

W, Lema. Eliminación de H2S en el biogás. Desotec.

https://www.desotec.com/es/carbonologia/casos/eliminaci-n-del-sulfuro-de-hidr-geno-en-el-biog-s-parte-1 

J, Reina. El biogás, una ecológica y económica fuente de energía. Libro 2021 https://libros.cc/El-biogas-una-ecologica-y-economica-fuente-de-energia.htm?isbn=9788413743042

Electroquímica Mexicana SA de CV. Control de H2S. Control de olor y corrosión en plantas de tratamiento de aguas residuales con Peróxido de Hidrógeno.

 https://www.blogger.com/blog/post/edit/70012006433082937/2089820333644531773




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