ES2302466A1 - Procedimiento bilogico para la eliminacion de h2s de un gas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento biológico para la eliminación de H{sub,2}S de un gas. Procedimiento para la eliminación de sulfuro de hidrógeno (H{sub,2}S) de una corriente de gas contaminante (GC), con la producción de un líquido (L) que contiene una especie oxidada del S, tal como sales de azufre, o azufre elemental. El H{sub,2}S se oxida biológicamente mediante microorganismos situados en biofiltros (3, 3¿, 103, 103¿), en un reactor biológico (1, 101), mediante fases de reacción oxidativa en equicorriente (2) y a contracorriente (102) del líquido con el gas en el seno de los biofiltros. Parte del líquido se recircula desde una zona inferior de decantación del reactor (1, 101), hacia la zona superior del biofiltro, en donde el líquido es aspergido hacia abajo sobre el soporte biológico, y desde donde se alimenta asimismo a éste con un medio mineral de nutrientes para los microorganismos. El gas limpio (GL) se extrae por la parte inferior del reactor (1, 101) para su valorización, por ejemplo energética.
Description
Procedimiento biológico para la eliminación de
H_{2}S de un gas.
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La presente invención se refiere a un
procedimiento biológico para la eliminación de H_{2}S
(desulfuración) de una corriente de gas contaminante que lo
contiene, en particular aunque no exclusivamente un biogás
procedente de diversos procesos, con la producción de un líquido
que incorpora una especie oxidada del S, tal como sales de azufre,
o azufre elemental.
En el sector medioambiental, es conocido que en
determinado tipo de procedimientos de depuración, tales como por
ejemplo de tratamiento o deposición de residuos sólidos urbanos, o
en depuradoras de aguas residuales, es posible la obtención de
biogás como producto de colas utilizable como un combustible de
características parecidas al gas natural, aprovechable, por
ejemplo, en motores térmicos de combustión.
El aprovechamiento de este biogás está
fuertemente limitado por la presencia de especies reducidas del
azufre, en especial sulfuro de hidrógeno H_{2}S, o ácido
sulfhídrico. Estas condicionan el aprovechamiento del combustible
(básicamente metano) generado en los procesos de degradación de la
materia orgánica, puesto que su carácter fuertemente ácido afecta a
los motores de combustión.
Por otra parte, otros gases con un importante
contenido energético como el gas natural, esencialmente formado por
metano, contienen igualmente altas cantidades de H_{2}S y otros
compuestos reducidos del azufre, que comportan problemas similares a
los explicados en el caso del biogás. Es por lo tanto necesario
proceder a la eliminación del H_{2}S de estos gases, para lo cual
se conoce actualmente un buen número de técnicas y métodos.
Por ejemplo, en la EP 0 547 400 se describe un
procedimiento químico para la eliminación de H_{2}S
(desulfuración) a partir de gases, con utilización de soluciones de
potasa, a diferentes grados de regeneración. Para ello se realiza el
desulfurado del gas de baja presión, a una margen de presión de 0,9
a 1,2 bar en dos pasos, hasta un contenido residual de H_{2}S de
0,1 hasta 0,5 H_{2}S/m^{3} de gas, y el desulfurado del gas de
alta presión, en el margen de presión de 2 a 25 bar, con solución de
potasa e hidróxido sódico, hasta un contenido residual de H_{2}S
de < 2 mg/m^{3} de gas, por lo que las soluciones de potasa,
cargadas de los lavados de baja presión y/o de alta presión, son
sometidas a una regeneración conjunta.
No obstante, las técnicas de desulfuración
conocidas como la anterior utilizadas en la actualidad para
eliminar el H_{2}S comportan elevados consumos de reactivos
(sistemas químico), amén de presentar dificultades técnicas nada
desdeñables, debido a la presencia de otras especies químicas (Vg.
carbonatación a causa de la fuerte presencia de CO_{2}).
Los procesos biológicos son una buena
alternativa a los métodos o técnicas tradicionales en sistemas
químicos de desulfuración por presentar importantes ventajas, tales
como por ejemplo una elevada eficacia de eliminación, y menores
costes de instalación y de mantenimiento.
La patente WO 91/19558 (con prioridad en la
patente NL 9001369) describe un procedimiento de remoción del
sulfuro de hidrógeno (H_{2}S) de biogás, en que el biogás es
tratado con un líquido alcalino de lavado por absorción o
scrubbing. La alcalinidad necesaria es generada en una planta
de tratamiento biológico aeróbico de aguas residuales. La mezcla
agua/biomasa del tratamiento biológico aeróbico del efluente
clarificado se usa como líquido de absorción. El líquido en el cual
se absorbe el H_{2}S se recircula a la fase aeróbica para la
oxidación del H_{2}S.
La presente invención tiene por objeto un
procedimiento biológico para la eliminación de H_{2}S de una
corriente de gas, en que no es necesario tratar éste con un líquido
alcalino y por tanto, aplicable a gases que no necesariamente
procedan de un tratamiento biológico aeróbico, limitación que
supone un inconveniente de la WO 91/19558.
Por lo tanto, el objeto de la presente invención
es un novedoso procedimiento de desulfuración, que en su esencia se
caracteriza comprende:
la oxidación biológica del H_{2}S mediante
microorganismos situados en un soporte biológico, en un reactor
biológico, mediante al menos una fase de reacción oxidativa en
equicorriente del líquido producido con el gas en el seno del
soporte biológico,
la recirculación de parte de dicho líquido desde
una zona inferior de decantación, hacia la zona superior del soporte
biológico, en donde el líquido es aspergido hacia abajo sobre el
soporte biológico, y desde donde se alimenta asimismo a éste con un
medio mineral de nutrientes para los microorganismos, y
la extracción del gas limpio por la parte
inferior del reactor.
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Preferiblemente, la fase a equicorriente
comprende dos etapas en serie de reacción oxidativa en el seno de
correspondientes soportes biológicos, entrando el gas contaminante
por la parte superior del primer soporte biológico, y produciéndose
en cada fase una oxidación fraccionada del H_{2}S.
En tal caso, se realimenta líquido a ambas
etapas de reacción oxidativa, en concreto a la parte superior del
relleno biológico de cada etapa.
El líquido que es realimentado es
preferiblemente mezclado con el medio mineral de nutrientes para el
soporte biológico.
En una variante preferida de la presente
invención, el procedimiento es en dos fases: una primera fase con el
gas en flujo ascendente, y una segunda fase con el gas en flujo
descendente, para lo cual comprende, aguas arriba de la fase a
equicorriente con respecto al flujo de gas, una primera fase primera
de reacción oxidativa en flujo a contracorriente en soportes
biológicos, siendo el gas introducido en esta fase primera en
sentido ascendente por la parte inferior de la fase primera y hecho
pasar de flujo ascendente a flujo descendente en la parte superior
del reactor, para pasar a mezclarse con el flujo descendente del
líquido en la fase a equicorriente. Para permitirlo, la primera y
segunda fase en el interior del reactor están separadas por una
pared o tabique vertical.
La fase a contracorriente está compuesta
preferentemente por dos etapas en serie de reacción oxidativa, con
sendos y respectivos anillos de aspersión del fluido recirculado y
de nutrientes en la parte superior del soporte biológico de cada
etapa.
Según otra característica de la presente
invención, se introduce una base en la parte superior de los
soportes biológicos de microorganismos de cada etapa.
Preferiblemente, la base se mezcla previamente
con el líquido recirculado.
Dicha base es preferiblemente, aunque no
limitativamente, Na(OH).
Junto con el líquido recirculado puede
insuflarse aire en la parte superior de al menos una de las etapas
de reacción oxidativa, para efectuar el control el aporte de O_{2}
a fin de regular la proporción sales de azufre/azufre elemental en
el líquido producido.
De acuerdo con otra característica se puede
inocular en el soporte biológico fangos del tratamiento biológico
de depuración de aguas residuales.
El pH de operación puede controlarse,
preferiblemente por medio del aporte continuo regulado de agua al
reactor biológico.
Además de las ventajas descritas, que permiten
solucionar los inconvenientes planteados en el estado de la técnica
actual, el procedimiento de la invención permite una mayor
seguridad de la operación, al controlar exhaustivamente el aporte de
aire.
\vskip1.000000\baselineskip
En los dibujos adjuntos se ilustra, a título de
ejemplo no limitativo, dos formas de realización preferidas, aunque
no exclusivas, del procedimiento objeto de la invención, en los
cuales:
la Fig. 1 es una vista esquemática de un primer
modo de realización del procedimiento, en que se aplica un reactor
biológico con una sola fase con dos etapas de flujo líquido y
gaseoso en equicorriente; y
la Fig. 2 es una vista esquemática, análoga de
la Fig. 1, de un segundo modo de realización, en el que el
biorreactor es de dos fases, una primera fase de flujo líquido y
gaseoso en contracorriente, y una segunda fase en equicorriente,
siendo cada fase de dos etapas.
\vskip1.000000\baselineskip
En dichos dibujos puede verse el modo operativo
del procedimiento de la presente invención, así como de los
reactores 1, 101 (también conocidos como "reactores biofiltro
percolador") para la puesta en la práctica del mismo. El
procedimiento consiste en la eliminación de sulfuro de hidrógeno
(H_{2}S) de una corriente de gas contaminante GC que lo
contiene, por ejemplo biogás o gas sintético, con la producción de
un líquido L que presenta una especie oxidada del S, tal como
sales de azufre o azufre elemental. Según la invención, la
oxidación es una oxidación biológica en diferentes soportes
biológicos o biofiltros 3, 3', 103, 103', formados por un material
de gran superficie específica, o relleno 4, 4', 104, 104', provisto
de microorganismos que son alimentados por nutrientes a diferentes
niveles, en regímenes de contracorriente o de equicorriente del gas
contaminante GC con el líquido producido L.
En ambas figuras, en las que se ilustran sendos
ejemplos de realización de la presente invención, los flujos de
líquido L y de gas contaminante GC se han representado
con flechas, de trazo continuo en el caso del flujo de líquido
L y de trazo discontinuo en el caso del gas contaminante
GC. En ambas formas de realización, el número de etapas en
cada fase puede ser variado en función de las condiciones de
operación.
La oxidación biológica del sulfuro de hidrógeno
se produce mediante aporte de oxígeno, que actúa como aceptador de
electrones, y la utilización del S^{2-} por parte de los citados
microorganismos, como fuente de electrones. La cantidad de O_{2}
presente en la fase líquida L (medio reactivo) determina si
el proceso produce protones (oxidación total a SO_{4}^{=}) o
azufre elemental.
El ácido sulfúrico (H_{2}SO_{4}) evoluciona
a sal sulfato (de la base que se inocule en el sistema), cuando la
concentración de oxígeno en el líquido se encuentra en condiciones
no limitantes (reacción 2), y el sulfuro de hidrógeno produce
mayoritariamente el sulfato, que es eliminado del sistema por el
caudal de purga 7. Si el oxígeno se encuentra en condiciones de
limitación (reacción 1), el sulfuro de hidrógeno pasará como mucho
a S, quedándose adherido en el relleno 4, 4', 104 ó 104', con los
riesgos de colmatación que ello comporta.
En la Fig. 1 mencionada puede verse que el
reactor 1 es un reactor de flujo descendente tanto del gas
contaminante GC como del líquido L, si bien en algunos
casos el flujo de gas contaminante podría se ascendente, en que se
establece una equicorriente de gas y líquido a través de una fase
en equicorriente 2 formada por dos etapas de biofiltro 3 y 3'
dotadas del correspondiente relleno 4 y 4'. La fase líquida
L es recirculada continuamente desde la parte superior de la
zona de decantación 5, a los rellenos 4 y 4', a través de conductos
13, 14, 15, y por impulsión de unos medios de bombeo 16, a dos
niveles de duchas 6 y 6' de aspersión del líquido recirculado. El
gas contaminante GC es introducido, en flujo descendente, por
una embocadura 21 de entrada en la parte superior de la cúpula 11
del biorreactor 1. En las duchas 6, 6' se produce un flujo de
aspersión del líquido L, que puede variar desde un degoteo
("trickling" en inglés), hasta chorros a una cierta
presión. Estas duchas 6, 6' también son conocidas en la técnica con
el nombre de "anillos".
La primera ducha 6 está en la parte superior del
reactor 1, y la segunda ducha 6' está aproximadamente hacia la
mitad en altura del reactor 1. Al mismo tiempo, la fase líquida se
va renovando mediante la aportación de medio mineral M. Una
purga inferior 7 desde el fondo de la zona de decantación 5, (con
fondo) inclinado, completa el biorreactor 1.
El aporte de oxígeno se hace a través de la fase
líquida L, alimentando aire A a través de un eyector
8. La fase líquida L entrará así en los biofiltros 3 y 3'
juntamente con aire disuelto y burbujas de aire por la parte
superior y a media altura del reactor 1. En la parte superior del
reactor 1, en la primera etapa 3, la concentración de sulfuro de
hidrógeno y de oxígeno son más elevadas, tanto en fase gas como en
fase líquido, que en la segunda etapa 3' de la parte inferior del
reactor 1. Asimismo, el gas contaminante GC de la fase en
equicorriente 2 es cada vez más depurado y menos rico en sulfuro de
hidrógeno a medida de va bajando y reaccionando con el líquido
L.
El gas limpio GL sale por la parte
inferior del reactor 1, aunque por encima de la zona de decantación
5.
La segunda etapa 3' recibe la suma del caudal de
las primeras duchas 6 y del caudal de las segundas duchas 6', por lo
que al caudal de líquido se refiere. Ello producirá el arrastre del
S pero también una disminución de la masa del relleno, lo cual
puede afectar negativamente a la eficacia de eliminación del
contaminante.
Además, la velocidad de circulación del gas
GC será relativamente baja, debido a la sección de paso, por
lo que la transferencia de oxígeno, contaminante y fuente de
carbono de la fase gas a la liquida será menor que con un área de
paso más pequeña.
Para solucionar estos inconvenientes se ha
pensado en una segunda forma de realización, mostrada en la Fig. 2,
en que el reactor 101 tiene algunas variantes de diseño.
En este caso, el reactor 101 es un biorreactor
de dos fases, una primera fase de flujo líquido y gaseoso en
contracorriente 102, y una segunda fase en equicorriente 2, siendo
cada fase de dos etapas 3, 3' y 103, 103', y con dos niveles de
duchas 6 y 6'.
Un tabique 10 separa la primera fase 102 de la
segunda fase 2, dejando un espacio superior abierto en la cúpula
11. Así, el caudal de gas GC es
"up-flow' para la primera fase 102 y
"down-flow' para la segunda fase 2, a la
cual accede tras cambiar de sentido en la cúpula 11 del reactor
101.
Este diseño en dos fases (o "doble paso")
permite que para un mismo volumen del reactor 101, el área de paso
sea más pequeña. Por este motivo, la velocidad de circulación del
gas aumenta, y mejora la transferencia de materia del gas GC
al líquido L. La disponibilidad de substrato para los
microorganismos es mejor. Es decir que, en definitiva, el diseño en
dos fases permite tener un reactor 101 de menores dimensiones
globales (diámetro y/o altura total) que el reactor 1 de una sola
fase en flujo a equicorriente, para una misma capacidad de
desulfuración.
Se sitúan dos niveles de duchas 6 y 6' (también
denominadas "anillos") en cada nivel o etapa de biofiltros 3,
3' y 103, 103', con sus respectivos rellenos 4, 4', 104, 104'. En
la primera etapa de biofiltro 103' la concentración de contaminante
es la mayor, descendiendo gradualmente a media que el flujo de
GC va pasando por los biofiltros 103, 3 y 3', por este
orden. La primera ducha 6' del primer paso 102 es muy positiva,
tanto para el arrastre del S como para la transferencia de O_{2}.
Para el aprovechamiento del oxígeno es más eficaz que el líquido
L de recirculación se utilice en la primera fase 102 y en la
parte superior de la segunda fase 2.
En la Fig. 2 puede verse un aporte de una base
12, que se introduce en mezcla previa con el líquido de
recirculación L en la ducha de los anillos 6 y 6' con efectos
de regular el pH y la producción porcentual de las diferentes
especies de S oxidadas, es decir de sales o de S elemental. Tal base
puede ser Na(OH), con lo que las sales producidas serán
sulfatos y sulfitos de sodio, por ejemplo. En lugar del
Na(OH) puede utilizarse otro álcali.
Junto con el líquido L recirculado se
insufla aire A, A' para efectuar el control el aporte
de O_{2} a fin de regular la proporción sales de azufre/azufre
elemental en el líquido L producido.
Para mejorar la dinámica del proceso, el soporte
biológico de los biofiltros 3, 3', 103 y/o 103' puede estar dotado,
por inoculación por ejemplo, de fangos del tratamiento biológico de
depuración de aguas residuales.
Para ayudar en el control del pH de operación se
puede aportar agua al reactor 1 ó 101 en continuo y
reguladamente.
En los diagramas de instrumentación de las Figs.
1 y 2 se muestra un ejemplo orientativo de control posible y
adecuado para el seguimiento del funcionamiento del procedimiento
de desulfuración de la invención: se mezcla el gas contaminante
GC con aire A, A' con grados de enriquecimiento
de oxígeno variables y controlados y se mide el caudal. A partir de
la concentración de contaminante H_{2}S a la entrada del sistema,
que se mide regularmente, se regulará el caudal de aire A,
A'.
Antes de la entrada del gas contaminante GC al
reactor se dispone una válvula antiretorno 17 para evitar que en
caso de aumentar la presión en el reactor 1, 101, el gas GC
vuelva hacia atrás.
El gas de salida del reactor 1, 101 puede ser
enviado a antorchas 9 de seguridad que complementan la instalación
o bien a un sistema de aprovechamiento del contenido energético del
gas, por ejemplo en un sistema de cogeneración termoeléctrica.
En la Fig. 2 se ilustra un conjunto de sondas 18
para la medición de pH, oxígeno disuelto, potencial redox y
temperatura del líquido de recirculación L. Las sondas 18
están situadas en un by-pass 19, y comandan una
válvula 20 del conducto de entrada de la base 12. Por lo tanto, el
pH del caudal del líquido de recirculación L se controla
mediante el aporte de base.
El sistema puede estar provisto de otros
elementos de medición, regulación y control necesarios que se han
simbolizado mediante círculos en los dibujo y los habituales
símbolos de valvulería que, por conocidos, no se explican aquí en
mayor detalle.
El sólido generado, contenido en el líquido de
purga 7 y que comprende principalmente la sal de azufre y la base
correspondiente, y/o azufre elemental, se separa mediante un
dispositivo anejo al reactor 1, 101. Tal dispositivo puede estar
constituido por un filtro de mangas, un filtro de prensa o un
sistema de centrifugación.
Por último indicar que el material de los
rellenos 4, 4', 104 y 1'4' de los respectivos biofiltro 3, 3', 103 y
103' puede ser un relleno de célula abierta, o bien con una
estructura más porosa, tal como por ejemplo espuma de poliuretano de
célula abierta.
Descrita suficientemente la naturaleza de la
presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se
hace constar que todo cuanto no altere, cambie o modifique su
principio fundamental, queda sujeto a variaciones de detalle.
Claims (13)
1. Procedimiento para la eliminación de sulfuro
de hidrógeno (H_{2}S) de una corriente de gas contaminante
(GC) que lo contiene, con la producción de un líquido
(L) que contiene una especie oxidada del S, tal como sales
de azufre, o azufre elemental, caracterizado porque
comprende:
la oxidación biológica del H_{2}S mediante
microorganismos situados en soportes biológicos o biofiltros (3, 3',
103, 103'), en un reactor biológico (1, 101), mediante al menos una
fase de reacción oxidativa en equicorriente (2) del líquido
producido con el gas en el seno de los biofiltros,
la recirculación de parte de dicho líquido
(L) desde una zona inferior de decantación del reactor (1,
101), hacia la zona superior del biofiltro, en donde el líquido es
aspergido hacia abajo sobre el soporte biológico, y desde donde se
alimenta asimismo a éste con un medio mineral de nutrientes para
los microorganismos, y
la extracción del gas limpio (GL) por la
parte inferior del reactor (1, 101).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la fase a equicorriente (2) comprende
dos etapas en serie de reacción oxidativa en el seno de
correspondientes soportes biológicos o biofiltros (3, 3'), entrando
el gas contaminante (GC) por la parte superior del primer
biofiltro (3), y produciéndose en cada fase una oxidación
fraccionada del H_{2}S.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se realimenta líquido (L) a
ambas etapas de reacción oxidativa, en concreto a la parte superior
del relleno biológico o biofiltro (3, 3') de cada etapa.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el líquido (L) que es
realimentado es mezclado con el medio mineral (M) de
nutrientes para el soporte biológico.
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
dos fases realizadas en un reactor (101): una primera fase en
contracorriente (102) de oxidación en biofiltros (102, 103') con el
gas en flujo ascendente, y, aguas abajo de la primera fase con
respecto al flujo de gas, una segunda fase en equicorriente (2) de
oxidación en biofiltros (3, 3'), con el gas en flujo descendente,
siendo el gas introducido en la primera fase (102) en sentido
ascendente por la parte inferior del reactor (101) y hecho pasar de
flujo ascendente a flujo descendente en la parte superior del
reactor, para pasar a mezclarse con el flujo descendente del
líquido (L) en la fase segunda fase a equicorriente (2).
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque la fase a contracorriente (102) está
compuesta por dos etapas en serie de reacción oxidativa, con sendos
y respectivos anillos (6, 6') de aspersión del fluido recirculado y
de nutrientes en la parte superior del soporte biológico de cada
etapa.
7. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
introducir una base (12) en la parte superior de los soportes
biológicos (3, 3', 103, 103') de microorganismos de cada etapa.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque la base (12) se mezcla previamente con
el líquido (L) recirculado.
9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8,
caracterizado porque dicha base (12) es Na(OH) u otro
álcali.
10. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se insufla
aire (A, A') junto con el líquido recirculado
(L), en la parte superior de al menos una de las etapas (2,
102) de reacción oxidativa, para efectuar el control el aporte de
O_{2} a fin de regular la proporción sales de azufre/azufre
elemental en el líquido producido (L).
11. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
inocular en los biofiltros (3, 3', 103, 103') fangos del
tratamiento biológico de depuración de aguas residuales.
12. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
controlar el pH de operación.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque el control del pH se realiza por medio
del aporte continuo regulado de agua al reactor biológico (1,
101).
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