Contatta clientservices@accessintel.com o chiama il numero 1-888-707-5814 se non riesci ad accedere.Non un membro?IscrizioneAmbiente, salute, sicurezza e protezione1 giugno 2019 |Di Christopher Ristevski, Rosanna Kronfli, MacroTekEsistono molte tecnologie industriali per la rimozione dell'H 2 S dal gas di processo e ognuna porta con sé diversi vantaggi in termini di costi, efficienza e layout delle apparecchiatureL'idrogeno solforato (H 2 S) è un gas tossico e corrosivo che si trova in natura, ma può anche essere prodotto attraverso molti processi industriali.Inoltre, H 2 S ha una soglia di odore di 0,01–0,15 parti per milione (ppm), secondo l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA; Washington, DC; www.osha.gov).A causa della soglia di odore molto bassa, nei paesi in cui è regolamentato l'odore fastidioso, è richiesta la rimozione di H 2 S dal gas di processo o dal gas di scarico.Poiché H 2 S è prodotto attraverso la digestione anaerobica, è prevalente dove sono presenti materia organica e solfati.Di conseguenza, esistono specifiche del gas del gasdotto per garantire la qualità del gas.Inoltre, quando si utilizzano gas naturale, gas di sintesi (syngas) o biogas nelle turbine o nei motori per la produzione di energia, le concentrazioni di H 2 S non possono superare le specifiche del produttore del motore, a causa di problemi di corrosione.Durante la combustione, H 2 S viene ossidato in anidride solforosa, un inquinante atmosferico altamente regolato, che necessita della sua rimozione prima della combustione.È chiaro che la rimozione dell'H 2 S è importante per l'ambiente, l'integrità delle apparecchiature industriali e la salute umana.H 2 S può essere rimosso dal gas di processo attraverso varie tecnologie, a seconda dell'applicazione, delle condizioni di processo e dei requisiti di rimozione.Questo articolo descrive tecnologie collaudate selezionate per il controllo di H 2 S in applicazioni di piccole e medie dimensioni, tra cui la produzione di gas naturale, il recupero del gas di discarica, i sistemi di termovalorizzazione, la produzione di biogas e gli impianti di trattamento delle acque reflue.Il redox liquido si riferisce a tecnologie che assorbono H 2 S e lo ossidano a zolfo in un sistema acquoso utilizzando un catalizzatore (più comunemente ferro chelato).Il ferro chelato converte il gas H 2 S in zolfo solido, come mostrato nelle seguenti reazioni chimiche:H 2 S + 2Fe 3+ → S + 2Fe 2+ + 2H + (Riduzione del ferro)2Fe 2+ + ½O 2 + H 2 O → 2Fe 3+ + 2OH – (ossidazione del ferro)H 2 S + O 2 → S + H 2 O (reazione complessiva)Come si può vedere, nella reazione viene consumato solo ossigeno.Il reagente chelante non viene consumato, perché viene continuamente rigenerato per ossidazione forzata mediante aria.Sebbene il reagente non venga consumato nel processo, si verifica in genere una piccola quantità di perdita, principalmente a causa della degradazione del chelato nel tempo.Poiché viene prodotto zolfo solido, la filtrazione può essere utilizzata per rimuovere lo zolfo e riciclare il reagente nel processo.Ciò elimina o riduce significativamente la produzione di acque reflue e i relativi costi.Lo zolfo che viene prodotto può anche essere potenzialmente venduto come prodotto.FIGURA 1. In un tipico sistema redox liquido, un catalizzatore (tipicamente ferro chelato) converte il gas H2S in zolfo in un sistema acquosoI vasi principali in un sistema redox liquido includono un assorbitore e un vaso di ossidazione (Figura 1).Nell'assorbitore, H 2 S viene assorbito nel liquido e convertito in zolfo.Il liquido di ricircolo esaurito viene inviato al recipiente di ossidazione dove il contatto con l'aria rigenera la soluzione nella sua forma attiva.La soluzione rigenerata viene fatta ricircolare nuovamente nell'assorbitore per completare un altro ciclo di reazione.Alcuni sistemi utilizzano una vasca di decantazione per concentrare lo zolfo prima di inviarlo a un sistema di filtrazione per la rimozione dal processo.Tipicamente, l'acciaio inossidabile 316L viene utilizzato come materiale di costruzione per le apparecchiature di processo.Nel complesso, i sistemi redox liquidi richiedono un'aggiunta minima di acqua e sostanze chimiche e producono uno spreco minimo.Ciò si traduce in costi operativi molto bassi rispetto alle tecnologie alternative.I sistemi sono anche in grado di gestire grandi fluttuazioni nella composizione dell'ingresso e nel flusso di gas, pur mantenendo elevate efficienze di rimozione dell'H 2 S superiori al 99,9%.I sistemi hanno, tuttavia, costi di capitale più elevati a causa della maggiore sofisticatezza di controllo richiesta.Sebbene la maggior parte dei sistemi redox liquidi abbiano una chimica complessiva molto simile, diversi fornitori utilizzano agenti chelanti diversi per mantenere il ferro in soluzione.Alcuni degli agenti chelanti, come l'acido nitrilotriacetico (NTA), sono pericolosi.I recenti progressi in questa tecnologia hanno contribuito a ridurre i costi operativi attraverso lo sviluppo di reagenti chimici innovativi che riducono i tassi di consumo di sostanze chimiche.Allo stesso modo, i costi di attrezzatura e installazione vengono ridotti grazie alla modularizzazione e alle offerte su skid.In uno scrubber ad ossidazione chimica, una base, tipicamente idrossido di sodio (NaOH), viene utilizzata per neutralizzare il gas H 2 S dopo l'assorbimento nel liquido di lavaggio.L'H 2 S assorbito viene quindi ossidato utilizzando un agente ossidante chimico, tipicamente perossido di idrogeno (H 2 O 2) o ipoclorito di sodio (NaOCl), per formare solfato di sodio solubile (Na 2 SO 4), come mostrato nell'equazione generale seguente.Na 2 SO 4 viene rimosso dal sistema attraverso un flusso di spurgo.Queste acque reflue contenenti solfati (scarico) devono essere trattate o avviate allo smaltimento.H 2 S + 2NaOH + 4H 2 O 2 → Na 2 SO 4 + 2H 2 O(Reazione complessiva con NaOH e H 2 O 2)FIGURA 2. Un sistema di ossidazione chimica neutralizza il gas H2S utilizzando una base, tipicamente idrossido di sodioGli scrubber a letto impacchettato sono le apparecchiature di processo più comuni utilizzate per l'ossidazione chimica (Figura 2).Gli scrubber verticali a letto impacchettato in controcorrente sono generalmente preferiti per la loro elevata efficienza.Rispetto a una torre di spruzzatura, l'imballaggio della torre fornisce un trasferimento di massa aggiuntivo e quindi dimensioni dell'attrezzatura e costi di pompaggio inferiori a parità di prestazioni.Nel design controcorrente verticale, il gas scorre verso l'alto mentre il liquido di lavaggio scorre verso il basso attraverso ugelli di spruzzatura o un distributore di liquido sopra la sezione di impaccamento casuale.L'assorbimento dei gas avviene nella sezione di confezionamento.Un separatore di nebbia all'interno del recipiente rimuove i liquidi intrappolati dal gas prima di uscire dallo scrubber.Una quantità regolata dei reagenti viene aggiunta al liquido di ricircolo per mantenere il pH di riferimento e i livelli del potenziale di riduzione dell'ossidazione (ORP).La plastica rinforzata con fibre (FRP) è in genere il materiale preferito per i recipienti di processo, in particolare se si utilizza ipoclorito di sodio come agente ossidante.Uno degli svantaggi dell'ossidazione chimica è che la caustica non è selettiva per H 2 S in presenza di altri contaminanti, come l'anidride carbonica (CO 2).Non solo la CO 2 aumenta il consumo di sostanze chimiche, ma i prodotti di reazione possono causare incrostazioni nell'imballaggio.È necessario prestare attenzione durante la progettazione dell'apparecchiatura e la selezione dei setpoint di processo per garantire che l'interferenza di CO 2 sia ridotta al minimo.Gli scrubber ad ossidazione chimica sono compatti ed economici.Sono inoltre in grado di gestire grandi fluttuazioni nella composizione dell'ingresso e nel flusso di gas, pur mantenendo elevate efficienze di rimozione dell'H 2 S superiori al 99,9%.Le sostanze chimiche utilizzate sono sostanze chimiche di base e, pertanto, la disponibilità è raramente un problema.Il tasso di consumo di sostanze chimiche può essere elevato rispetto alla quantità di H 2 S che viene trattata.Ad esempio, per ogni 1 mole di H 2 S sono necessarie 2 moli di NaOH e 4 moli di H 2 O 2, come mostrato nella reazione complessiva.Inoltre, la gestione del flusso di acque reflue contenenti solfati aumenta notevolmente i costi operativi dello scrubber.FIGURA 3. I processi di biotrickling utilizzano microbi autotrofi per consumare e trasformare H2SEsistono diversi tipi di tecnologie di rimozione dell'H 2 S che utilizzano processi biologici o biochimici.Questo articolo si concentra sui filtri biotrickling, che utilizzano microbi autotrofi per consumare H 2 S e convertirlo in acido solforico.I filtri biotrickling sono costituiti da un recipiente con una sezione di materiale impaccato o poroso (Figura 3).Il supporto fornisce un'ampia superficie su cui i microbi possono crescere.L'acqua di trucco è necessaria per mantenere il pH e un flusso di spurgo di acido diluito viene rimosso dal sistema.I fertilizzanti NPK (azoto, fosforo e potassio) o altre miscele (come l'acqua grezza non clorurata) vengono utilizzati per fornire i nutrienti richiesti dai microbi.L'aggiunta di nutrienti può essere eseguita manualmente o può essere miscelata in un rapporto fisso con l'acqua di trucco.Quando viene installato un filtro biotrickling, potrebbero essere necessari diversi giorni prima che il biofilm si sviluppi sul supporto e durante questa fase l'efficienza di rimozione sarà bassa.Le strutture in calcestruzzo sono spesso utilizzate per grandi sistemi di flusso di gas, mentre FRP può essere utilizzato per unità più piccole.I batteri sono sensibili all'umidità, alla temperatura e al carico di ingresso H 2 S fluttuante.Il liquido di ricircolo fornito da una pompa, o l'acqua di passaggio, è necessario per mantenere l'imballaggio o il supporto umidi.Se il supporto viene lasciato asciugare, i microbi diventeranno inattivi.Inoltre, i filtri biotrickling richiedono lunghi tempi di permanenza, risultando in grandi vasi.È richiesto un piccolo intervento o manutenzione da parte dell'operatore oltre ai controlli giornalieri del pH e della caduta di pressione del fluido.Gli scavenger possono essere sostanze chimiche in fase liquida o solida che reagiscono con H 2 S. Tipicamente, queste reazioni sono irreversibili (non rigenerative), con conseguente necessità di sostituire e smaltire periodicamente lo scavenger.A seconda del tipo di scavenger utilizzato, i sottoprodotti possono essere pericolosi, rendendo costoso lo smaltimento.Gli scavenger liquidi più comuni sono le triazine, che reagiscono con H 2 S per formare composti solforati idrosolubili.I comuni scavenger solidi includono ossidi metallici, in particolare ferro, che reagiscono con H 2 S per formare solfuri.Gli scavenger liquidi e solidi rigenerativi (come ammine, setacci molecolari e così via) non sono discussi qui, poiché non eliminano l'H 2 S. Durante la rigenerazione dello scavenger viene invece prodotto un gas di scarico con un'elevata concentrazione di H 2 S processo, che deve essere trattato o inviato allo smaltimento.Come altre tecnologie di rimozione di H 2 S, la maggior parte degli scavenger richiede apparecchiature di processo dedicate (Figura 4).In alcuni casi, è possibile l'iniezione diretta in linea con scavenger di liquidi.L'apparecchiatura di processo è costituita da torri verticali in cui il gas scorre verso l'alto attraverso il liquido o il fluido.Per i sistemi liquidi, il gas viene solitamente fatto gorgogliare attraverso un recipiente di assorbimento riempito di liquido.Per i sistemi solidi, il gas scorre verso l'alto o verso il basso attraverso un letto fisso.FIGURA 4. Un sistema scavenger prevede l'iniezione di una sostanza chimica liquida o solida per reagire irreversibilmente con H2SInoltre, poiché il reagente scavenger viene consumato dalla reazione, spesso vengono installati due recipienti in parallelo in modo tale che un recipiente possa essere portato offline per sostituire lo scavenger.I sistemi Scavenger utilizzano semplici apparecchiature di processo e richiedono solo controlli di base, con un conseguente costo di capitale relativamente basso.D'altra parte, i costi operativi possono essere elevati a causa dell'elevato consumo di sostanze chimiche e del trattamento dei flussi di rifiuti.L'acciaio al carbonio è spesso utilizzato come materiale di costruzione per le apparecchiature di processo.Il vantaggio degli scavenger rispetto ad altre tecnologie discusse è la loro selettività di H 2 S su CO 2. Tuttavia, lo svantaggio è che la maggior parte degli scavenger può essere sensibile alle alte temperature e richiedere gas con elevata umidità.L'adsorbimento di H 2 S è un processo fisico in cui H 2 S viene catturato sulla superficie del carbone attivo.Il mezzo ha un'ampia superficie specifica grazie alla sua struttura dei pori interni, che fornisce una grande capacità di assorbimento.I letti di carbone sono particolarmente adatti quando sono richieste concentrazioni di uscita molto basse.Oltre al processo fisico, alcuni carboni attivi hanno proprietà catalitiche che ossidano H 2 S in composti solforati idrosolubili.Ciò consente al carbonio di essere lavato per la rigenerazione fino all'esaurimento, a quel punto è necessario lo smaltimento.Poiché il processo non si verifica nella fase liquida, non sono necessari il ricircolo del liquido, l'aggiunta di sostanze chimiche e i relativi controlli, risultando in apparecchiature di processo e operazioni relativamente semplici.Un recipiente a letto di carbonio viene generalmente dimensionato in base al tasso di utilizzo del carbonio e alla velocità superficiale del gas.La configurazione della nave è tipicamente verticale, con il gas che fluisce verso l'alto attraverso il letto di carbonio fisso (Figura 5).Quando il carbone attivo è esaurito, il supporto deve essere sostituito.Alcuni impianti installeranno due unità in parallelo per il funzionamento continuo.Poiché la velocità del gas superficiale è molto bassa attraverso i letti di carbonio (velocità del gas superficiale più elevate provocano perdite di carico eccessive), sono necessari recipienti di grande diametro anche per basse portate.Pertanto, i letti di carbonio sono spesso più adatti per applicazioni di lucidatura o per bassi carichi di H 2 S e, in quanto tali, alcuni impianti non includono una nave di scorta installata, ma scelgono invece di superare le loro emissioni di H 2 S durante il periodo di sostituzione il carbonio.FIGURA 5. L'assorbimento di H2S mediante un processo a carbone attivo a letto fisso è appropriato quando è richiesta una concentrazione di uscita di H2S molto bassaIl carbone attivo è sensibile all'umidità e alla temperatura, tra gli altri parametri, come il carico di particolato.L'acqua blocca i siti di adsorbimento e, di conseguenza, ne diminuisce l'efficacia.Allo stesso modo, l'aumento della temperatura ha effetti negativi sulla capacità.Questi sistemi funzionano meglio anche sotto pressione positiva, perché l'aumento della pressione aumenta la quantità di H 2 S adsorbita.I materiali di costruzione più comuni per i letti di carbonio includono acciaio al carbonio rivestito, FRP e altre materie plastiche.La scelta della tecnologia di rimozione H 2 S appropriata è regolata principalmente dal costo e dall'idoneità tecnica.La tabella 1 fornisce un riepilogo delle caratteristiche di processo offerte da ciascuna tecnologia.In generale, per carichi elevati di H 2 S, le tecnologie rigenerative o biologiche sono economicamente più fattibili rispetto ai tipi non rigenerativi a causa del loro costo operativo inferiore per unità di H 2 S rimossa.Ciò è dovuto principalmente al minor consumo di sostanze chimiche o fluidi.Inoltre, le tecnologie non rigenerative sono meno complesse dei sistemi rigenerativi e il costo del capitale è di conseguenza inferiore.Generalmente, i sistemi rigenerativi determinano brevi periodi di ammortamento per le applicazioni in cui il carico di H 2 S in ingresso è superiore a 50 kg/giorno.Tuttavia, l'esatto punto di pareggio varierà per ciascuna applicazione.Per riferimento, un flusso di gas di 1.000 std.ft 3 /min contenente 850 ppm di H 2 S corrisponde a un carico di 50 kg/g di H 2 S.La maggior parte delle tecnologie è adatta per applicazioni in cui è richiesta un'elevata variabilità del processo o elevati turndown, ad eccezione dei filtri biotrickling, che richiedono una quantità costante di H 2 S per mantenere il biofilm.Ciò rende i filtri biotrickling difficili da usare in applicazioni con arresti frequenti o condizioni di ingresso variabili a meno che non siano accettabili escursioni periodiche di H 2 S.Questo è il motivo per cui i filtri biotrickling eccellono negli impianti di trattamento delle acque reflue, ma sono utilizzati raramente in altri processi industriali.La scelta tra le tre tecnologie non rigenerative qui discusse dipende spesso dalla preferenza dell'impianto e dalla capacità di gestire gli input chimici e i flussi di rifiuti.Gli scrubber ad ossidazione chimica hanno l'impronta più piccola e sono processi continui, mentre le unità scavenger e i letti di carbone attivo sono più grandi e devono essere spenti per ricostituire il materiale esaurito o la sostanza chimica a meno che non sia installata un'unità di standby.Anche i supporti solidi sono meno desiderabili da gestire su base regolare.Pertanto, gli scavenger solidi e i letti di carbonio vengono generalmente utilizzati per applicazioni a basso carico di H 2 S o come fase di lucidatura per evitare frequenti sostituzioni.In passato, i sistemi redox liquidi erano più adatti per applicazioni con carichi di H 2 S molto elevati, in particolare per il trattamento del gas naturale e del gas di discarica.L'alto costo di capitale di un sistema redox liquido ha portato a una tecnologia che non era economicamente fattibile per carichi di H 2 S inferiori.Di conseguenza, i sistemi di scavenger e i sistemi di ossidazione chimica sono diventati la tecnologia preferita, anche se i costi operativi sono maggiori.Tuttavia, i progressi tecnologici emergenti hanno comportato una riduzione dei costi di capitale.Ciò ha consentito ai sistemi redox liquidi di diventare alternative fattibili e attraenti nelle gamme di applicazioni di piccole e medie dimensioni.A cura di Mary Page Bailey1. Kohl, A. e Nielsen, R., "Gas Purification", 5a ed., Gulf Publishing Co., Houston, pp. 805–840, 1997.2. Perry, RH, Green, DW e Maloney, JO, "Manuale degli ingegneri chimici di Perry", McGraw-Hill, New York, 1997.3. Rodríguez, E., Harvey, WS e Ásbjörnsson, EJ, Review of H 2 S Abatement Methods in Geothermal Plants, Atti del 38th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, 2015.4. Wu, M., Trickling Biofilters for Hydrogen Sulfide Odor Control, Lantec Products Inc., www.lantecp.com/products/hd-q-pac/biotricklingarticle/.Christopher Ristevski attualmente guida il team di Process Engineering presso Macrotek Inc. (421 Bentley Street, Unit 1, Markham, Ontario, L3R 9T2; Email: cristevski@macrotek.com).Con 10 anni di esperienza, ha una vasta gamma di competenze nei sistemi di controllo dell'inquinamento atmosferico, tra cui integrazione di sistemi, progettazione di processi, modellazione di processi e selezione di apparecchiature e controlli.Ha anche guidato lo sviluppo di nuove tecnologie innovative per il controllo dell'inquinamento atmosferico, come il processo SULFCAT, ed è ora responsabile dell'implementazione di questi sistemi in tutto il mondo.Ha conseguito una laurea in ingegneria chimica presso l'Università di Toronto.Rosanna Kronfli è un ingegnere applicativo presso Macrotek Inc. (stesso indirizzo di cui sopra; e-mail: rkronfli@macrotek.com).È entrata in Macrotek nel 2015 e ha una vasta esperienza in apparecchiature per il controllo dell'inquinamento atmosferico e progettazione di processi.Ha conseguito una laurea in scienze applicate e un master in scienze applicate in ingegneria chimica, entrambi presso l'Università di Toronto, ed è un ingegnere professionista autorizzato con Professional Engineers Ontario.Iscriviti oggi per ottenere tutto di INGEGNERIA CHIMICANotizie e contenuti di ingegneria chimica forniti ogni settimana© Access Intelligence, LLC.Tutti i diritti riservati.|Informativa sulla privacy |Inclusione della diversità ed equità