WO2014009575A1 - Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización - Google Patents

Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización Download PDF

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WO2014009575A1
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hydrogen sulfide
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Fernandez de Moreda Fernando Fernandez-Po!anco
Iñiguez de la Torre Maria Fernandez-Polanco
Villalobos Israel Diaz
Castaño Iris Ramos
Elvira Sara Isabel Pérez
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Un!Versidad De Valladolid
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Definitions

  • biodegradable carbonaceous organic matter is converted into biogas, mixture of methane and carbon dioxide, while sulfur compounds, both organic and inorganic present in oxidized forms (for example sulfates), they become sulphide.
  • sulfur compounds both organic and inorganic present in oxidized forms (for example sulfates)
  • they become sulphide.
  • part of the su uros in solution passes to the hydrogen sulfide species in the gas phase. Due to its special physicochemical characteristics, hydrogen sulfide gas limits applications and e! use of biogas.
  • the invention patent object of the present specification refers to a new system and operating procedure capable of reproducing the hydrogen sulfide oxidation conditions that occur in the reactor dome in an external equipment in which the removal of elemental sulfur deposited can be done easily and without stopping the biomethanization process.
  • the THIOPAQ® process is a combination of conventional alkaline chemical washing with a liquid phase biological oxidation of the absorbed sulfide.
  • the BIOPURICTM process is conceptually similar but uses a biofiitro for the oxidation of sulfides.
  • a system for the biological elimination of sulfur is presented in which a tank receives the biogas stream to be cleaned from the bottom, a stream of water and a stream of nutrients are injected from the top.
  • JP 2004267998-A patent claims equipment placed on top of the digester that includes the use of supported microorganisms and nutrients.
  • US patent 2010/0101 1985 A1 claims a biological desulfurization system consisting of a tower that receives the biogas stream, the air used for biological oxidation and a water stream that, after passing through the biological tower, is conducted to the outside; The system has two tanks in which the effluent from the digester comes into contact with a stream of biogas from the biological tower and is recirculated to the tower.
  • Another possibility to remove hydrogen sulfide from biogas is to introduce oxygen into the anaerobic digester.
  • an anaerobic digester there are two phases, liquid and gas, clearly differentiated; in the lower zone and in the liquid phase, the mass is in digestion, while in the upper part or dome the biogas is located before being taken outside. Taking advantage of this situation, some patents claim the reduction of the concentration of hydrogen sulphide in the biogas by injecting oxygen or air into the area of the reactor occupied by the gas phase.
  • JP2003136089-A Stress of hydrogen sulfide generation during biogas production, involves measuring amount of biogas generated and supplying oxygen containing gas or oxygen based on measured valué” measures the amount of biogas that is produced and thus controls oxygen injection necessary for the oxidation of sulphides to sulfates.
  • patent AT200200532-A Plant separating hydrogen sulfide from biogas using microorganisms, for use in fuel ce! Ls, mixes process fluid with oxidant in reactor” the gaseous oxidant, air or oxygen, is mixed with the fluid stream to be treated in the digester
  • JP20066143781-A System for purification of biogas obtained by methane fermentation of organic waste generated from eg, livestock, farming excrements and sewage works, comprises biological desulfurizer, oxygen analyzer, gas meter and air injector ", moves the biogas from the top of the digester to a desulfurization equipment in which liquid is recirculated from the bottom to the top.
  • the system consists of an oxygen analyzer, a gas flow meter and an oxygen injection device connected to the introduction pipe of! untreated biogas. When the oxygen analyzer measures values greater than its setpoint, the introduction of air stops.
  • JP2004135579- A Apparatus for removing hydrogen sulfide contained in biogas generated during anaerobic fermentation of organic base, has desulfurizing tower supplied with digestive fluid for desulfurizing biogas
  • patent JP2004267998-A "Hydrogen sulfide removal apparatus for biogas used in eg power plant, has pipe wich sprink ⁇ es digestive, iquor containing carriers of microorganisms used for oxidizing hydrogen sulfide, into apparatus” indicates that the apparatus is installed just above ! digester and his Differential feature is to have a pipe that sprays (sprinkling pipe) digested liquid.
  • the innovative nature of the present invention focuses on the fact that it separates the desulphurization chamber from the anaerobic digester, that is, it consists of an external desulphurization system (SDS), separated and isolable at will of the anaerobic digester (DA), able to emulate the conditions that occur in the dome of the digester necessary to achieve the correct oxidation of hydrogen sulfide; Elemental sulfur depositions will take place in the external system allowing the anaerobic digester to continue operating during the cleaning operations necessary for the removal of sulfur, thus eliminating dead times caused by them that, in addition, will be performed faster and comfortably.
  • SDS external desulphurization system
  • DA anaerobic digester
  • SDS external desulfurization system
  • object of the present invention separated and insulated at the will of the anaerobic digester, in which the conditions existing in the dome of the latter can be reproduced, allows innovations that facilitate compliance with previous requirements improving: the way to inoculate the desulfurization system, the way to put the liquid in contact with the gas, the way to carry out the transfer of matter, the way to achieve a greater surface area of elemental sulfur deposition and especially the incorporation of devices that facilitate the operations of elimination of deposited sulfur, all simultaneously and without using any of the claims included in the patents analyzed in the section corresponding to the Prior State of the Art.
  • Figure 1 Schematically shows an installation that, as a whole, comprises: a conventional anaerobic digester (DA) of biomethanization that is not claimed and the system (SDS) object of this patent for the removal of hydrogen sulfide contained in the biogas produced in the digester, respectively enclosed in two different spaces limited by dotted dashed lines.
  • DA anaerobic digester
  • SDS system
  • FIG 2 Shows, separately so as not to complicate Figure 1, the devices for improving the efficiency of the desulfurization system (SDS).
  • SDS desulfurization system
  • Figure 3 Shows, separately so as not to complicate Figure 1, the elemental sulfur cleaning devices deposited in the constituents of the desulfurization system (SDS). DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the desulfurization system (SDS) (Fig. 1) object of this patent is constituted by a tank (7) of suitable dimensions that contains digested liquid (1 1), from! digester (DA), with which adequate degrees of humidity and temperature are maintained, also serving as inoculum of sulfide oxidizing bacteria; the biogas (5) that enters e!
  • SDS desulfurization system
  • Desulfurization system is saturated with water vapor and is capable of transporting from the liquid phase to the gas phase bacteria that oxidize the sulfides to elemental sulfur that is deposited on the tank walls (7); taking into account that the biological process may be limited by the transfer of matter, the system is equipped with devices that can increase turbulence in the gas phase by biogas recirculation (26) or by mechanical agitation systems (27); also, to prevent preferential paths (short circuits) between the entrance and exit of the biogas in the tank (7) the desulfurization system is provided with plates (24) and deflector tubes (25) (Fig. 2) that act as labyrinthine elements .
  • the system includes additional internal surfaces (18) (Fig. 1) that significantly increase the area available for bacteria to act and the formation of said deposits;
  • FIG. 1 Another distinctive feature of the invention that is proposed is the existence (Fig. 1) of "man mouth” (19) or “hand mouth” (20) type openings that allow quick access to the interior of the desulfurization system, achieving the elimination of sulfur deposits in a very moderate time; so that the desulfurization system can work in a stable regime for long periods without opening the man or hand nozzles that are necessary operations for deep cleaning, it is foreseen (Fig. 3) the installation of a system of adjustable nozzles (30 ) that periodically injecting pressurized water allows light and frequent cleaning.
  • the digestion zone (1) of the liquid phase in digestion (digestate), and the dome (2) or gas phase zone in which the biogas produced while waiting for be evacuated by means of the pipe (3) equipped with the shut-off and regulating valve (4) the biogas can be taken to the gasometer or to the system of use (not indicated in the figure) that has been planned; closing the valve (4) the biogas can be conducted, by means of the pipe (5) equipped with the shut-off and regulating valve (6) to the tank (7) of the desulfurization system (SDS); from the liquid phase (1) of the digester (DA) and through the pipes (8) and (15) the digestate can be conducted outside;
  • the pipe (9) equipped with the regulating and cutting valve (10) allows a part of the digestate to be diverted to the desulfurization system (SDS) so that at the base of its tank (7) (Figs.
  • a drain valve (23) is provided that allows the emptying of the sheet (1 1) of digested liquid and the elemental sulfur that during the maintenance and cleaning operations was detached from the walls and enlarged surfaces by jets of water
  • the equipment described above is complemented by devices that improve the efficiency of the desulfurization system (SDS), which, in order not to complicate Figure 1, is represented separately in Figure 2; for this purpose, the assembly inside the tank (7) of the baffle plate (24) and the outlet tube (25) is established, which by establishing a labyrinthine path prevents short circuits or preferential paths in the flow of the biogas stream between the inputs (5) and the output (21); also to improve the kinetics of the biological process of oxidation of sulfur to elemental sulfur, the use of auxiliary devices that facilitate the transfer of matter in the gas phase, such as a biogas recirculation circuit consisting of a pipe network (26.1) and an impeller (26) (compressors, fans, blowers, etc.) as well as a mechanical stirring device (27) that causes turbulence in the gas phase.
  • SDS desulfurization system
  • Figure 3 shows, separately, auxiliary devices installed inside the tank (7) of the desulfurization system (SDS) with which to perform light but very frequent cleanings that, although they should only considered as partial, they allow the required "thorough” cleaning cycles, opening the mouths of man (19) or hand (20), can be carried out at greater intervals of time; for this purpose, an auxiliary storage tank (28) is provided (Fig.
  • SDS desulfurization system
  • the biogas produced is conducted through the pipe (5) to the tank (7); on the other hand the digested liquid (digestate) enters the reservoir (7) conducted by the pipes (8) and (9) through the valve (10); by means of the level controller (12) acting on the valve (13) the adequate level of digested liquid (1) can be maintained at the base of the tank (7);
  • the flow of oxygen, air or enriched air necessary for the biological oxidation of sulfides to elemental sulfur, is dosed and introduced into the tank (7) by the pipe (16) and the valve (17) from an external injection equipment ;
  • the desulfurization system (SDS) stably receives: a) a stream of biogas with hydrogen sulfide content higher than the desired one through the pipe (5); b) through the pipe (16) a stream of oxygen, air or enriched air; c) through the pipe (9) a stream of water with nutrients and microorganisms;
  • SDS desulfurization system
  • the thickness of the solid elemental sulfur deposit in the walls and the enlarged surface will increase with the operating time, which will force the process to stop and the cleaning work to be carried out and system maintenance (SDS); closing the valve (10) and opening the drain valve (23) will prevent digestate from entering and empty the liquid layer ( .
  • SDS system maintenance
  • the valves are placed in the operating position and the biogas, digested liquid and oxygen, air or enriched air currents re-enter the desulfurization system, so that within a few hours the process of biological oxidation is restored without the need to stop the activity of the anaerobic digester (DA).
  • DA anaerobic digester
  • auxiliary means consisting of adjustable nozzles (30) permanently located in the inside the tank (7) through which a pressurized clean water is injected by means of a pump (29) from an outer tank (28); finally, the sulfur released and the water used to release it are evacuated through the valve (13) and pipe (14) together with the digestate (1 1).
  • the invention is not strictly limited to the embodiment described, but comprises any other embodiment.
  • the semi-finished materials, parts and commercial integrated assemblies as well as the maneuvering, measurement and control equipment whose use is envisaged in the invention are the - usually used in facilities where precision chemical processes are carried out.

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Abstract

Los procesos industriales de biometanizacion suelen producir biogás con una concentración de sulfuro de hidrógeno superior a la permitida por los procesos de aprovechamiento. La necesidad de purificar este biogás ha conducido el desarrollo de procesos de desulfuración en los que el sulfuro de hidrógeno que contiene es oxidado hasta azufre elemental que se adhiere a las paredes del reactor de biometanizacion, el mismo que se utiliza como reactor de desulfuración, obligando a periódicas e ineludibles operaciones de limpieza y extracción del azufre elementa! depositado siendo necesario detener el proceso de biometanizacion cuyo rendimiento disminuye al aparecer tiempos muertos asociados. La presente invención (Fig.1) independiza el reactor (DA) de biometanizacion del reactor (DSA) de desulfuración de forma que, sin detener el funcionamiento del primero, pueden realizarse las necesarias operaciones de limpieza y mantenimiento en el segundo.

Description

SISTEMA MICROAEROBIO PARA CONTROLAR LA CONCENTRACIÓN DE
SULFURO DE HIDRÓGENO EN REACTORES DE BIOMETANIZACIÓN
OBJETO DE LA INVENCION En las condiciones reducto ras existentes en los reactores anaerobios de biometanización, la materia orgánica carbonosa biodegradable se convierte en biogás, mezcla de metano y dióxido de carbono, mientras que los compuestos de azufre, tanto orgánicos como inorgánicos presentes en formas oxidadas (por ejemplo sulfatos), se convierten en sulfuro. De acuerdo con los principios del equilibrio químico y termodinámico, parte de los su If uros en disolución pasan a la especie sulfuro de hidrógeno en fase gaseosa. Por sus especiales características físico-químicas, el sulfuro de hidrógeno gas limita las aplicaciones y e! aprovechamiento del biogás. Existen diferentes procesos que inyectando oxígeno o aire en la cúpula del digestor anaerobio, facilitan la oxidación del sulfuro a azufre elemental, que mayoritariarnente queda adherido a las paredes laterales y superior de la cúpula. Aunque este proceso de desulfuración es muy eficaz, está limitado por la necesidad operacional de eliminar cada cierto tiempo el azufre depositado, lo que obliga a abrir el digestor para la limpieza, circunstancia que requiere el empleo de complejos protocolos de parada con los consiguientes elevados tiempos muertos de operación. La patente de invención objeto de la presente memoria se refiere a un nuevo sistema y procedimiento de operación capaz de reproducir las condiciones de oxidación de sulfuro de hidrógeno que se dan en la cúpula del reactor en un equipo externo en el que la eliminación del azufre elemental depositado puede realizarse con facilidad y sin detener el proceso de biometanización.
ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA
En función de la concentración de los compuestos de azufre en la alimentación, la gran mayoría de los procesos industriales de biometanización producen un biogás con concentración de sulfuro de hidrogeno superior a la permitida por los diversos procesos de aprovechamiento, tanto energéticos, en motores o turbinas para producción de energía eléctrica, como en motores de automoción, células de combustible y uso como materia prima en procesos industriales de síntesis. La necesidad de purificar el biogás, eliminando el sulfuro de hidrógeno, ha conducido el desarrollo de una gran variedad de procesos químicos de precipitación, fundamentalmente con sales de hierro o de lavado alcalino para absorber ei sulfuro de hidrógeno. Por otra parte algunos lavados alcalinos se complementan con etapas de oxidación química o biológica que pretenden oxidar los sulfuros hasta azufre elemental o sulfatos.
Atendiendo a los procesos biológicos, el proceso THIOPAQ® es una combinación de lavado químico alcalino convencional con una oxidación biológica en fase líquida del sulfuro absorbido. El proceso BIOPURICTM es conceptualmente semejante pero utiliza un biofiitro para la oxidación de los sulfuros. En el artículo "Development and application of biological H2S scrubbers for treatment of digester gas", Soroushian et al. (Weftec 2006), se presenta un sistema de eliminación biológica del azufre en el que un tanque recibe por su parte inferior la corriente de biogás a limpiar, por la parte superior se inyecta una corriente de agua y otra de nutrientes. La patente JP 2004267998-A reivindica un equipo colocado en la parte superior del digestor que incluye la utilización de microorganismos soportados y de nutrientes. La patente US 2010/0101 1985 A1 reivindica un sistema biológico de desulfuración consistente en una torre que recibe la corriente de biogás, el aire utilizado para la oxidación biológica y una corriente de agua que tras pasar por la torre biológica es conducida ai exterior; el sistema dispone de sendos tanques en los que el efluente del digestor entra en contacto con una corriente de biogás procedente de la torre biológica y que se recircula a la torre. En la patente US 6.056.934 se reivindica un método y equipo en el que en una primera etapa bacterias como Beggiatoa, Thiotrix o Thiobacillt convierten los sulfuros en azufre elemental que es posteriormente oxidado a sulfato.
Otra posibilidad para eliminar el sulfuro de hidrógeno del biogás consiste en introducir oxígeno en ei digestor anaerobio. En un digestor anaerobio coexisten dos fases, líquida y gaseosa, claramente diferenciadas; en la zona inferior y en fase líquida se encuentra la masa en digestión, mientras que en la parte superior o cúpula se localiza el biogás antes de ser conducido al exterior. Aprovechando esta situación, algunas patentes reivindican la reducción de la concentración de sulfuro de hidrógeno en el biogás inyectando oxígeno o aire en la zona del reactor ocupada por la fase gaseosa. En la patente US 2008/0227081 A1 "Process for decomposing hydrogen sulfide by means of feeding oxygen", se cita textualmente: "el sulfuro de hidrógeno se transforma en azufre elemental cuando se alimenta oxígeno en e! espacio gaseoso de! Termentador". De forma similar, en la patente US 2008/0248519 A1 "Agitator for a fermenter, fermenter and method for operating a fermenter" se indica: "A través de una transformación bioquímica, el biogás se desulfuriza en el termentador, lo que implica que el sulfuro de hidrógeno es convertido en azufre cuando se suministra oxígeno al espacio de gas del termentador". La patente JP2003136089-A "Suppression of hydrogen sulfide generation during biogas production, involves measuring amount of biogas generated and supplying oxygen containing gas or oxygen based on measured valué" mide la cantidad de biogás que se produce y de esta forma controla la inyección de oxígeno necesaria para la oxidación de los sulfuros a sulfatos. En la patente AT200200532-A "Plant separating hydrogen sulfide from biogas using microorganisms, for use in fuel ce!ls, mixes process fluid with oxidant in reactor" el oxidante gaseoso, aire u oxígeno, se mezcla con la corriente de fluido a tratar en el digestor.
Para mantener las condiciones anaerobias en el digestor, la patente JP20066143781-A "System for purification of biogas obtained by methane fermentation of organic waste generated from e.g., livestock, farming excrements and sewage works, comprises biological desulfurizer, oxygen analyzer, gas meter and air injector", traslada el biogás desde la parte superior del digestor a un equipo de desulfuración en el que se recircula líquido desde la parte inferior a la superior. El sistema consta de analizador de oxígeno, caudalímetro de gas y un aparato de inyección de oxígeno conectado con la tubería de introducción de! biogás no tratado. Cuando el analizador de oxígeno mide valores superiores a su consigna se detiene la introducción de aire. La patente JP2004135579- A "Apparatus for removing hydrogen sulfide contained in biogas generated during anaerobio fermentation of organic base, has desulfurizing tower supplied with digestive fluid for desulfurizing biogas" presenta un equipo de desulfuración donde los elementos fundamentales son las boquillas que forman spray con el líquido digerido y la tubería de aeración del biogás. De forma semejante la patente JP2004267998-A "Hydrogen sulfide removal apparatus for biogas used in e.g. power plant, has pipe wich sprinkíes digestive ¡iquor containing carriers of microorganisms used for oxidizing hydrogen sulfide, into apparatus" indica que el aparato se instala justo encima de! digestor y su característica diferencial es poseer una tubería que rocía (sprinkling pipe) líquido digerido.
Las patentes mencionadas hacen referencia a la inyección de oxígeno en la fase gas del digestor o al tratamiento independiente del biogás. La literatura científica acerca de la introducción de oxígeno o aire en el propio digestor es escasa como se muestra en el artículo de Cirne, D.G., van der Zee, F.P., Fdz-Polanco, ., Fdz-Polanco, F., 2008. "Control of sulphide during anaerobio treatment of S=-containing wastewaters by adding limited amounts of oxygen or nitrate" publicado en Reviews in Environmental Science and Biotechnoiogy 7(2) 93-105, destacando el trabajo "ORP-based oxygenation for sulfide control in anaerobio treatment of high-sulfate wastewater" publicado en Water Research 37, 2053-2062, que señala la posibilidad de mantener el proceso biológico de producción de metano a pesar de la introducción de oxígeno en el digestor. En trabajos del grupo de investigación al que pertenecen parte de los autores de la presente Memoria, se ha demostrado la viabilidad técnica del proceso de biometanización en reactores inicialmente inoculados y operados en condiciones anaerobias, que por la introducción continuada de una fuente de oxígeno en la fase líquida, se transforman en reactores microaerobios: van der Zee, F.P., Villaverde, S., García, P.A., Fdz.-Polanco, F., (2007) "Sulphide removal by modérate oxygenation of anaerobic siudge environments" publicado en Bioresource Technology, 98, 518-524 y Fdz.-Polanco M., Díaz I., Pérez S.I., Lopes A.C., Fdz.-Polanco F., (2009) "Hydrogen sulphide removal in the anaerobic digestión of siudge by microaerobic processes: pilot plant expertence" en Water Science and Technology, 60 (12), 3045-3050.
FUNDAMENTOS DIFERENCIALES DE LA INVENCION. En los digestores anaerobios en los que se inyecta oxígeno para la eliminación del sulfuro de hidrógeno del biogás, con independencia de que la inyección se haga en la cúpula gaseosa o en la masa en digestión, el efecto final es la oxidación biológica de los sulfuras a azufre elemental que se deposita en las paredes de la parte superior del digestor, debiendo ser eliminado periódicamente. La eliminación de estos depósitos de azufre obliga a vaciar el digestor de su contenido, airearlo convenientemente hasta los límites de concentración de metano aconsejados, abrir la cúpula, proceder a su limpieza, cerrar la cúpula y volver a inocular y arrancar eí digestor. Este modo de operación es técnicamente compiejo, obliga a utilizar protocolos estrictos y en particular obliga a detener la operación del digestor durante semanas o meses. Sin embargo desde el punto de vista de la eliminación del sulfuro de hidrógeno el sistema es muy eficaz y fácilmente controlable.
Manteniendo los fundamentos de la eliminación biológica de sulfuro de hidrógeno del biogás mediante inyección controlada de oxígeno en el digestor, el objetivo adicional a conseguir será minimizar la complejidad de los sistemas de eliminación del azufre elemental que se deposita en ¡as paredes de la cúpula del digestor. Este fenómeno representa ¡a principal limitación de todos ios sistemas patentados anteriores citados en el apartado correspondiente al Estado Anterior de la Técnica, a pesar de lo cual ninguno de ellos reivindica sistemas o procedimientos para el control o ¡a eliminación de dichos depósitos de azufre elemental. En la invención que se presenta no se utilizan líquidos alcalinos que absorban el sulfuro de hidrógeno, no existen sistemas de recirculación del liquido digerido ni se utilizan sistemas de formación de nieblas (spray) o de rociado (sprinkling), de dudosa operación con líquidos digeridos con elevada concentración de sólidos.
El carácter innovador de la presente invención se centra en el hecho de que separa ¡a cámara de desulfuración del digestor anaerobio, es decir, consiste en un sistema externo de desulfuración (SDS), separado y aisiable a voluntad del digestor anaerobio (DA), capaz de emular las condiciones que se dan en la cúpula del digestor necesarias para conseguir la correcta oxidación del sulfuro de hidrógeno; las deposiciones del azufre elemental tendrán lugar en el sistema externo permitiendo que el digestor anaerobio siga operativo durante la realización de las operaciones de limpieza necesarias para la eliminación del azufre, desapareciendo así los tiempos muertos originados por las mismas que, además, se realizarán más rápida y cómodamente.
Para conseguir que el proceso biológico de oxidación del sulfuro de hidrógeno funcione adecuadamente es preciso reproducir y mantener ¡as condiciones adecuadas de: a) Humedad y temperatura del biogás; b) Contacto del gas con e¡ líquido digerido que actúa como inoculo; c) Superficie en la que las bacterias responsables de ¡a oxidación de los suífuros se fijen y depositen el azufre elemental; d) Movimiento de la fase gaseosa para mejorar el transporte del sulfuro de hidrógeno hasta los microorganismos.
La utilización del sistema de desulfuración externo (SDS), objeto dé la presente invención, separado y aislable a voluntad del digestor anaerobio, en el que puedan reproducirse las condiciones existentes en la cúpula de este último, permite introducir innovaciones que facilitan el cumplimiento de las exigencias anteriores mejorando: la forma de inocular el sistema de desulfuración, la forma de poner en contacto el líquido con el gas, la forma de realizar la transferencia de materia, la forma de lograr una mayor superficie de deposición de azufre elemental y muy especialmente la incorporación de dispositivos que facilitan las operaciones de eliminación del azufre depositado, todo ello simultáneamente y sin utilizar ninguna de las reivindicaciones recogidas en las patentes analizadas en el apartado correspondiente al Estado Anterior de la Técnica.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Como complemento de las descripciones que más adelante se van a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se representa lo siguiente: Figura 1 : Muestra esquemáticamente una instalación que, en su conjunto, comprende: un digestor anaerobio convencional (DA) de biometanización que no se reivindica y el sistema (SDS) objeto de esta patente destinado a la eliminación de sulfuro de hidrógeno contenido en el biogás producido en el digestor, respectivamente encerrados en dos espacios diferentes limitados por líneas discontinuas de punto y raya.
Figura 2: Muestra, separadamente para no complicar la Figura 1 , los dispositivos de mejora de la eficacia del sistema (SDS) de desulfuración.
Figura 3: Muestra, separadamente para no complicar la Figura 1 , los dispositivos de íimpieza de azufre elemental depositado en los elementos constituyentes del sistema (SDS) de desulfuración. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.
El sistema de desulfuración (SDS) (F¡g.1 ) objeto de esta patente está constituido por un depósito (7) de dimensiones adecuadas que en su base contiene líquido digerido (1 1), procedente de! digestor ( DA), con el que se mantienen los adecuados grados de humedad y de temperatura sirviendo, además, como inoculo de bacterias oxidadoras de sulfuros; el biogás (5) que ingresa en e! sistema de desulfuración se satura de vapor de agua y es capaz de transportar desde la fase líquida hasta la fase gas bacterias que oxidan los sulfuros a azufre elemental que se deposita en las paredes del depósito (7); teniendo en cuenta que el proceso biológico puede estar limitado por la transferencia de materia el sistema está equipado con dispositivos que pueden aumentar la turbulencia en la fase gaseosa mediante recirculación de biogás (26) o mediante sistemas de agitación mecánica (27); igualmente, para impedir caminos preferenciales (cortocircuitos) entre la entrada y la salida del biogás en el depósito (7) el sistema de desulfuración está provisto de placas (24) y tubos deflectores (25) (Fig.2) que actúan como elementos laberínticos. Como el proceso de desulfuración está limitado por la magnitud superficial de las paredes sobre las que pueda depositarse el azufre elemental, el sistema incluye superficies internas adicionales (18) (Fíg.1 ) que aumentan notablemente el área disponible para la actuación de las bacterias y la formación de dichos depósitos; otra característica distintiva de la invención que se propone es la existencia (Fig.1 ) de aberturas tipo "boca de hombre" (19) o "boca de mano" (20) que permiten un rápido acceso al interior del sistema de desulfuración, consiguiéndose la eliminación de los depósitos de azufre en un tiempo muy moderado; para que el sistema de desulfuración pueda trabajar en régimen estable durante periodos largos sin abrir las bocas de hombre o de mano que son operaciones necesarias para hacer limpiezas en profundidad, se prevé (Fig.3) la instalación de un sistema de boquillas orientables (30) que inyectando periódicamente agua a presión permiten realizar limpiezas ligeras y frecuentes.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA FORMA PREFERENTE DE EJECUCIÓN En la Figura 1 se representan, encerrados en dos espacios diferentes limitados por líneas de de trazos discontinuos de punto y raya, un digestor anaerobio convencional (DA), que no se reivindica y que puede conectarse o desconectarse a voluntad, mediante las válvulas (6), (10) y (13), al sistema de desulfuración (SDS) objeto de esta patente que a continuación se describe.
En el digestor anaerobio convencional (DA) se distinguen (Fig.1) la zona (1) de fase líquida en digestión (digestato), y la cúpula (2) o zona de fase gaseosa en donde se recoge el biogás producido en espera de ser evacuado; mediante la tubería (3) equipada con la válvula de corte y regulación (4) el biogás puede ser conducido al gasómetro o al sistema de aprovechamiento (no indicado en la figura) que se haya previsto; cerrando la válvula (4) el biogás puede conducirse, mediante la tubería (5) equipada con la válvula de corte y regulación (6) hasta el depósito (7) del sistema de desulfuración (SDS); desde la fase líquida (1) del digestor (DA) y mediante las tuberías (8) y(15) el digestato se puede conducir al exterior; la tubería (9) equipada con la válvula de regulación y corte (10) permite derivar una parte del digestato hacia el sistema de desulfuración (SDS) de forma que en la base de su depósito (7) (Figs.1 ,2y3) siempre exista una capa de líquido (1 1 ) de espesor variable que puede regularse mediante el dispositivo de control de nivel (12) que actúa sobre la válvula automática (13) de evacuación del depósito (7) intercalada en la tubería (14) que conecta, a su vez, con la tubería (15) de evacuación global de digestato; el agente oxidante empleado: aire, aire enriquecido u oxígeno se introduce en el depósito (7) mediante un equipo inyector que no se describe, a través de la tubería (16) provista con una válvula de regulación de caudal (17); en el sistema de desulfuración (SDS) el sulfuro de hidrógeno contenido en el biogás es oxidado biológicamente hasta azufre elemental por acción de las bacterias oxidadoras de azufre que, de forma natural, se encuentran presentes en la capa (11) de digestato que ocupa la parte inferior del depósito (7); la mayor parte del azufre elementa! producido queda adherido a las paredes de! sistema de desulfuración, mientras un pequeño resto permanece en la fase liquida de la capa (1 ) que puede evacuarse a través de la válvula (13) y tubería (14) hasta desembocar en la tubería (15) de evacuación global que lo conduce al exterior; para aumentar la eficacia del sistema de desulfuración se prevé aumentar la superficie sobre la que el azufre elemental producido es susceptible de depositarse, montando en el interior del depósito (7) placas, cadenas, cuerdas y cualesquiera elementos (18) que amplíen el contacto con la fase gaseosa; para facilitar la limpieza y eliminación del azufre elemental que se acumula en las paredes y superficie ampliada, el depósito (7) cuenta con bocas de hombre (19) y de mano (20); después de tratado, el biogás abandona el sistema de desulfuración (SDS) por la tubería (21 ) provista de la válvula de corte (22) hacia el gasómetro o el sistema de aprovechamiento previsto; en la parte inferior del depósito (7) se prevé una válvula de drenaje (23) que permite el vaciado de la lámina (1 1 ) de líquido digerido y del azufre elemental que durante las operaciones de mantenimiento y limpieza se fue desprendiendo de las paredes y superficies ampliadas mediante chorros de agua a presión.
El equipamiento anteriormente descrito se complementa con dispositivos que mejoran la eficacia del sistema de desulfuración (SDS) que, para no complicar la Figura 1 , se representan separadamente en la Figura 2; con este objeto se prevé el montaje en el interior del depósito (7) de la placa deflectora (24) y el tubo de salida (25) que estableciendo un trayecto laberíntico impiden que aparezcan cortocircuitos o caminos preferenciales en el flujo de la corriente de biogás entre las entrada (5) y salida (21 ); asimismo para mejorar la cinética del proceso biológico de oxidación de sulfuro a azufre elemental se prevé la utilización de dispositivos auxiliares que faciliten la transferencia de materia en fase gaseosa, tales como un circuito de recirculación del biogas constituido por una red de tuberías (26.1 ) y un impulsor (26) (compresores, ventiladores, soplantes, etc.) así como un equipo de agitación mecánica (27) que provoque turbulencias en la fase gaseosa. Igualmente, para no recargar la Figura 1 , en la Figura 3 se representan, separadamente, dispositivos auxiliares instalados en el interior del depósito (7) del sistema de desulfuración (SDS) con los que realizar limpiezas ligeras pero muy frecuentes que, aunque solo deben considerarse como parciales, permiten que los ciclos exigibles de limpieza "a fondo", abriendo las bocas de hombre (19) o de mano (20), puedan realizarse a intervalos de tiempo mayores; con este objeto se prevé (Fig.3) un tanque auxiliar de almacenamiento (28) desde el cual, con una bomba de alta presión (29) se lanzan, a través de las tuberías (29.1 ) y boquillas de limpieza (30) orientadas en diferentes direcciones, chorros de agua limpia que incidiendo sobre las paredes del depósito (7) y las superficies ampliadas (18) arrancan el azufre elemental sobre ellas depositado haciéndolo caer en la capa (11) de fase líquida pudiendo ser evacuado, junto con ésta, a través de la válvula (13) por las tuberías (14) y (15). DESCRlPCtÓN DEL MODO DE EMPLEO DE LA INVENCIÓN
Supongamos en operación, produciendo biogás, al digestor anaerobio convencional (DA) (Fig.1 ) unido al cual mediante las tuberías (5), (8) y (9) y válvulas (6), (10) y (13) se encuentra el sistema de desulfuración (SDS) objeto de la invención. Manteniendo cerrada !a válvula (4) y abierta la válvula (6) el biogás producido se conduce mediante la tubería (5) al depósito (7); por otra parte el líquido digerido (digestato) entra en el depósito (7) conducido por las tuberías (8) y (9) a través de la válvula (10); mediante el controlador de nivel (12) que actúa sobre la válvula (13) puede mantenerse el adecuado nivel de líquido digerido (1 ) en la base del depósito (7); el caudal de oxígeno, aire o aire enriquecido necesario para la oxidación biológica de los sulfuros a azufre elemental, se dosifica e introduce en el depósito (7) por la tubería (16) y la válvula (17) procedente de un equipo de inyección externo; en esta situación el sistema de desulfuración (SDS) recibe de forma estable: a) por la tubería (5) una corriente de biogás con contenido en sulfuro de hidrógeno superior al deseado; b) por la tubería (16) una corriente de oxígeno, aire o aire enriquecido; c) por la tubería (9) una corriente de agua con nutrientes y microorganismos; la coincidencia espacial y temporal de estas tres corrientes permite el desarrollo del proceso biológico de oxidación del sulfuro de azufre hasta azufre elemental que se deposita como sólido blanquecino sobre las paredes del depósito (7) y sobre la superficie ampliada (18) y cualquier otra del sistema de desulfuración (SDS) que se encuentren en contacto con el biogás húmedo.
En función del contenido de sulfuro de hidrógeno existente en el biogás, el espesor del depósito de azufre elemental sólido en las paredes y superficie ampliada irá aumentando con el tiempo de operación, lo que obligará a detener el proceso y a poner en práctica las labores de limpieza y mantenimiento del sistema (SDS); cerrando la válvula (10) y abriendo la válvula de drenaje (23) se impedirá la entrada de digestato y se vaciará la capa de líquido (.1 1) existente en la base del depósito (7); cerrando la válvula (6) y abriendo la válvula (4) el biogás sin tratar se conducirá, a la antorcha de segundad con la que todos los digestores están obligatoriamente provistos y el sistema (SDS) de desulfuración habrá quedado aislado del digestor (DA); abriendo la válvula (17) se inyecta aire para eliminar el biogás residual existente en el depósito (7) después de lo cual puede procederse a la apertura de las bocas de hombre (19) o de mano (20) que permiten ei acceso ai depósito (7) del sistema de desulfuración(SDS) y mediante los adecuados equipos (bombas, mangueras y boquillas) lanzar manualmente agua a presión para despegar las capas de azufre elementa! depositadas en su interior; el azufre desprendido caerá a! fondo de! depósito y podrá eliminarse por la boca de drenaje (23) junto con el agua inyectada utilizada para su desprendimiento; una vez conseguida la eliminación de! azufre sólido se cierran !as bocas de hombre y de mano, las válvulas se colocan en la posición de operación y las corrientes de biogás, de líquido digerido y de oxígeno, aire o aire enriquecido vuelven a entrar en el sistema de desulfuración, de forma que a las pocas horas se restablece el proceso de oxidación biológica sin necesidad de detener la actividad del digestor anaerobio (DA).
Respecto a otros procesos comerciales o patentes en los que, para la limpieza de! azufre elemental, se preconiza la inyección directa de oxígeno en el digestor anaerobio !a principal ventaja que presenta el sistema y modo de operar descritos es que el azufre elemental no se deposita en el digestor anaerobio, evitando las dificultades de mantenimiento y eliminación asociadas, sino que la deposición de azufre se desplaza ai depósito (7) del sistema de desulfuración (SDS) objeto de la presente invención, de donde puede ser fácilmente extraído en la forma y con los elementos auxiliares de limpieza descritos.
Para aumentar el espacio de tiempo entre dos operaciones consecutivas de limpieza a fondo deí azufre depositado se pueden realizar limpiezas periódicas ligeras y frecuentes aplicando, sin necesidad de abrir el sistema, los medios auxiliares ya citados consistentes en boquillas orientables (30) situadas permanentemente en el interior del depósito (7) por las cuales se inyecta, mediante una bomba (29), agua limpia a presión que procede de un depósito exterior (28); finalmente, eí azufre desprendido y el agua utilizado para desprenderlo se evacúan por la válvula (13) y tubería (14) junto con el digestato (1 1).
El invento no está estrictamente limitado a ¡a forma de ejecución descrita sino que comprende cualquiera otra vanante de realización.
Los materiales semielaborados, piezas y conjuntos integrados comerciales así como el aparellaje de maniobra, medida y control cuya utilización se prevé en el invento son los - in habitualmente utilizados en las instalaciones donde se realizan procesos químicos de precisión.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización, caracterizado por estar configurado (Fig.1) como objeto (SDS) separado e independizable del digestor anaerobio (DA) al que asiste y estar constituido por un depósito (7) en forma de cilindro o paralelepípedo con dos entradas/salidas de producto compuestas, respectivamente, por las tuberías (5) y (8- 9) y las válvulas (6), (10) y (13), conectadas al digestor anaerobio (DA) cuyas características no se reivindican.
2. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización según la reivindicación 1 , caracterizado porque el depósito (7) está provisto (Fig. 1 ): a) con una entrada de producto constituida por la tubería (16) y la válvula (17) conectadas a un equipo inyector de gases (ventilador, soplante o compresor); b) con una salida de producto constituida por la tubería (14) y la válvula automática (13) comandada por un dispositivo controlador de nivel (12); c) con múltiples placas (18) aumentadoras de superficie; d) con una o varias "bocas de hombre" (19); e) con una o varias "bocas de mano"(20); f) con una tubería de salida de producto constituida por la tubería (21) y la válvula (22); g) con una válvula de vaciado (23).
3. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el depósito (7) está provisto (Fig.2): a) con un circuito de recirculación constituido por una red de tuberías de conducción (26.1 ) y un equipo impulsor externo (26) (ventilador, soplante o compresor); b) con un sistema mecánico interno (27) capaz de producir agitación y turbulencia en gases; con un sistema laberíntico constituido por una o varias placas deflectoras (24) y tubos evacuadores (25).
4. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el depósito (7) está provisto (Fig.3) con un sistema de proyección de líquidos constituido por un tanque almacén de líquido (28), una bomba impulsora (29), una red de tuberías (29.1) y boquillas o lanzas de salida orientables (30).
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