Eliminación del sulfuro
de hidrógeno en el biogás
Por
Manuel Díaz Piñón*
Consideraciones tecnológicas que facilitan la obtención
de biogás, para su aplicación en la agricultura y la industria, además de la cocción
de alimentos. |
|
|
La tecnología del biogás es conocida a escala nacional, se manejan distintos diseños y conceptos de operación, se valoran diversos materiales para su construcción y se definen tamaños y ubicaciones de acuerdo con las disponibilidades de materia orgánica; pero casi todo el uso del biogás se centra en la cocción de alimentos, con muy pocas intenciones para aplicarlo en otras necesidades de la agricultura y la industria. Urge, en las condiciones actuales, valorar su costo, ya que podría llegar a ser mucho menor en comparación con otras materias primas para fines energéticos, debido a la clase de residuos que se emplean para obtenerlo. El biogás está llamado a convertirse en una fuente energética de primera importancia.
Para poder llevar la energía del biogás a otras necesidades de la producción y los servicios es necesario que se elimine el sulfuro de hidrógeno (H2S) que viene asociado al mismo, ya que este gas no solo es muy corrosivo, sino además tóxico para la salud humana.
Para poder emplear el biogás en motores, sistemas de refrigeración, etc., es imprescindible llevar el H2S a valores mínimos.
Composición del biogás
El biogás está compuesto de diferentes gases (Tabla 1).
Tabla 1
Componentes del biogás

Características del H2S
Carácter físico
El H2S es un gas incoloro, tiene olor a huevo podrido, crea una llama azul cuando quema y crea un gas tóxico: el dióxido de azufre (SO2). El H2S en concentración de 10 partes por millón (ppm) se puede distinguir por el olfato. La densidad del gas H2S es de 1,192, más alta que la del aire. La temperatura de licuación es de 82,9 OC; la de hervido, de 61,8 OC, y la quema, de 250 OC. El H2S se disuelve una parte en agua (34cm3/L a 20 OC), y crea un medio de ácido débil.
Carácter químico
A temperatura normal, la molécula de H2S es muy estable, pero a alta temperatura se descompone fácilmente:
2H2S = 2H2 + 2S0
El H2S puede ser oxidado por diferentes elementos, en dependencia de los caracteres de los materiales oxidantes. Ejemplo: cuando reacciona con I2 en medio ácido:
I2 + H2S = 2HI + S0
El H2S disuelto en agua crea ácido sulfúrico, en procesos que se representan mediante las dos ecuaciones siguientes:
H2S + H2O HS– + H3O + Kcb 9,1 x 10–8
HS– + H2O S–2 + H3O + Kcb 1,2 x 10–15
A temperatura normal y presión atmósfera la tasa de disolución del H2S en agua es de 0,1 mL/L. En medio de álcali, la tasa de disolución del H2S es más alta, por eso se produce la reacción entre el H2S y el álcali.
H2S + NaOH > NaHS + H2O
NaHS + NaOH > Na2S + H2O
La existencia de H2S dentro de la solución depende de su nivel de pH (Tabla 2).
Tabla 2
La existencia de H2S en la solución
depende del pH de la solución
Carácter tóxico del H2S
Respirar o tener contacto con el H2S es muy peligroso. En concentración menor de 10 ppm no causa peligro a personas que trabajan con él durante ocho horas.
En concentración de 50 ppm, aproximadamente, se pierde el olfato y causa dolor de cabeza y mareo. En concentración de 100 ppm hace llorar, provoca estornudo y la pérdida del olfato, y puede ahogar si se tiene contacto con él durante una hora. En concentración de 200 ppm provoca ahogo, enseguida se irritan los ojos y la nariz, y en contacto con él durante una hora puede causar la muerte. En la concentración de 1 000 ppm o más causa la muerte en minutos. La concentración máxima permitida de H2S en lugares de trabajo es de menos de 10 ppm.
Corrosión causada por el H2S
El H2S tiene carácter corrosivo, especialmente en las condiciones de alta temperatura y presión. Puede corroer los equipos de metal, y cuando se quema produce gas SO2, aún más peligroso. Ejemplo: con acero, el nivel erosivo del H2S es 2,5 mm/año.
El desgaste que produce el H2S tiene origen en la reacción siguiente:
Fe0 + H2S > FexSy + 2H0
Cuando se quema, el H2S produce gas SO2, que también es un gas ácido fuerte con carácter corrosivo y tóxico para el sistema respiratorio; si tiene contacto con el agua forma el ácido H2SO3, productor de la lluvia ácida.
En muchos países se limita al mínimo la presencia del H2S en los productos comerciales gaseosos en un nivel menor o igual a 4 ppm.
Métodos de purificación del biogás
Existe un grupo de métodos que se emplean para eliminar el H2S, entre los que se destacan los siguientes:
• Burbujeando aire biológico con el propósito de capturar el azufre dentro de la biomasa, impidiendo la formación de H2S.
• Eliminando el agua, enfriando el gas para evitar la formación de ácido sulfúrico.
• Por absorción del H2S.
El método más empleado en Cuba ha sido el de absorción.
Absorción del H2S
a partir de óxido de hierro
El método se apoya en la reacción química siguiente:
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O
2Fe2S3 + 3O2 Fe2O3 + 6S
Pueden utilizarse otras formas del óxido de hierro. Sin embargo, según la literatura existente, solo se describen al –Fe2O3.H2O y al Fe2O3.H2O como los más efectivos para la eliminación del H2S. El –Fe2O3.H2O y el Fe2O3.H2O actúan sobre el H2S muy rápidamente y se transforman en un compuesto de sulfuro de hierro del tipo 3, que es muy fácil de convertir al estado de Fe2O3 activo, gracias al oxígeno del ambiente.
El compuesto Fe2O3 no se disuelve, por lo que se puede separar y sacar del compuesto e inmediatamente después éste se oxida con el oxígeno del ambiente. Y el Fe2O3 vuelve a dar la vuelta al ciclo tecnológico para convertirse en un nuevo Fe2O3.
¿Qué se ha estado haciendo en nuestras instalaciones que por necesidad han tenido
que eliminar el H2S?
Se han diseñado camas empacadas que se llenan de virutas de acero provenientes de los trabajos de tornería o fresado, generalmente de doble etapa, con resultados a largo plazo no deseados, por la corrosión existente en estas instalaciones y las roturas de compresores y tanques.
¿Qué es lo que ha estado pasando y qué ha faltado?
En un reciente entrenamiento sobre digestores de biogás en el Instituto de Energía de Hanoi se comprobó que la reacción Fe + H2S es muy lenta, por lo que el gas pasa por las camas empacadas y prácticamente no se captura H2S.
¿Qué falta por hacer para que esto sea efectivo?
Es preciso tratar las virutas. ¿Cómo?
Primero: Se lavan las virutas con detergente para eliminar la grasa y otras suciedades que puedan traer, y se dejan secar.
Segundo: Se sumergen las virutas limpias en una solución de HCL a 5% durante 5-10 minutos, se extraen y se dejan secar al aire.
Tercero: Se sumergen las virutas en una solución de NAOH a 5% durante 5-10 minutos y se dejan secar al aire.
¿Que ocurre?: Las virutas se convierten en Fe2O3 compuesto, que sí reacciona rápidamente con el H2S:
Fe + 3H2S---------Fe2S3 (reacción lenta)
Fe2O3 + H2S-------Fe2S3 + 3H2O (reacción rápida)
Fe + HCL-----------FeCL3 (secado al aire)
FeCL3 + NAOH----Fe(OH)3---------------Fe2O3
Importante: El límite de absorción del H2S en Fe2O3 es de 56%. En muchos lugares el óxido férrico (Fe2O3) se conoce como hierro esponjoso (iron sponge).
Ejemplo práctico
Una instalación que produce un volumen de 150 000 m³ de gas en un día:
Concentración de H2S: 200 ppm
Densidad del H2S: 1,19 kg/m3
La cantidad de H2S en la corriente de gas en el día es de 30 m3.
El peso del H2S en la corriente es de 30 x 1,19 = 35,7 kg.
Si aplicamos la regla de tres:
35,7 56%
X 100%
Entonces, la cantidad de Fe2O3 teórico que se necesita es de 63,75. En la práctica se incrementa en 20% esta cantidad, quedando como:
63,75 x 1,20 = 76,50 kg de Fe2O3
Cantidad diaria: por lo general, el filtro se construye para una operación de 30 a 45 días, por lo que la cantidad de viruta tratada que debemos tener para una operación de 30 días es de:
30 x 76,50 = 2 295 kg = 2,29 tm
La literatura es contradictoria en cuanto a la cantidad permisible de H2S en el biogás para operar motores sin que sufran daños. Según el criterio de los especialistas del Instituto de Energía de Hanoi, no debe sobrepasar las 50 ppm.
Consideraciones generales
La presencia del H2S en el biogás no solo afecta los motores, el sistema de transporte de biogás o el equipo consumidor final, sino también el hormigón o las campanas de los digestores. El camino del burbujeo de aire dentro del digestor capturando el azufre como elemento inerte dentro de la biomasa, no solo protege al motor sino también a la estructura del digestor y evita la caída de presión que sufre el gas al pasar por los filtros (aspecto muy importante). El procedimiento de colocar Fe2O3 en el camino del gas para capturar el H2S se complementa con la aplicación de tres manos interiores al digestor de biogás de una pintura compuesta de 100 g de Fe2O3 con 3 kg de cemento (las tres manos deben aplicarse con un intervalo de 12 horas entre ellas). La adición de agua a esta mezcla debe ser la menor posible que permita su aplicación con brocha.
* Miembro del Grupo Provincial de Biogás de Las Tunas.
tel.: (53 31) 348406.
e-mail: manuel@citma.ltunas.inf.cu
|