Pretrattamento del biogas: H₂S, silossani, acqua e VOC prima dell'upgrading

Il pretrattamento del biogas consiste nella rimozione, prima della vera e propria separazione della CO₂, dei componenti che danneggiano le apparecchiature o disturbano il processo: acido solfidrico (H₂S), acqua, silossani, composti organici volatili (VOC), ammoniaca e particelle solide. È la fase che determina la disponibilità dell'impianto e che nei budget viene talvolta sottovalutata. La sequenza tipica è desolforazione nel digestore (biologica o chimica), essiccazione mediante raffreddamento, filtrazione e finissaggio su carbone attivo.

Acido solfidrico (H₂S)

La concentrazione di H₂S nel biogas da liquame e insilati è spesso dell'ordine di centinaia di ppm, e da substrati proteici e di scarto anche di alcune migliaia di ppm. L'H₂S causa corrosione, avvelena i sorbenti e, dopo la combustione, forma acidi solforici. Metodi:

1. Desolforazione biologica nel digestore – l'introduzione di una piccola quantità di aria (di solito fino ad alcuni punti percentuali del volume di biogas) provoca l'ossidazione dell'H₂S da parte dei batteri a zolfo elementare. È semplice ed economica, ma aumenta il contenuto di azoto e ossigeno nel biogas, il che per il biometano è rilevante, perché limita la possibilità di rimuovere N₂ e O₂ nelle fasi successive.
2. Desolforazione chimica – il dosaggio di sali di ferro nel substrato o nel digestore lega lo zolfo sotto forma di solfuri.
3. Scrubber biologici e chimici – colonne dedicate in cui l'H₂S viene ossidato o assorbito.
4. Adsorbimento su carbone attivo o ossidi di ferro – finissaggio fino a livelli di singoli ppm.

In pratica si impiega una combinazione: desolforazione grossolana nel digestore o in colonna e finissaggio finale su letto.

Acqua

Il biogas lascia il digestore saturo di vapore acqueo. L'essiccazione avviene mediante raffreddamento a pochi gradi Celsius (la condensa viene scaricata) e successivo riscaldamento per abbassare l'umidità relativa. Un'ulteriore essiccazione si esegue talvolta per adsorbimento (gel di silice, setacci molecolari), in particolare prima della criogenia. La condensa contiene H₂S disciolto e altri composti, quindi deve essere gestita conformemente alle norme.

Silossani e VOC

I silossani sono presenti in cosmetici, detergenti e prodotti per la cura, perciò finiscono nel biogas soprattutto da rifiuti urbani, fanghi di depurazione e biogas da discarica; nel biogas agricolo sono molto più rari. Durante la combustione nel motore formano depositi silicei, e nell'upgrading contaminano membrane e sorbenti. Si rimuovono con carbone attivo o adsorbenti speciali, e il letto si sostituisce dopo l'esaurimento. Anche i VOC (idrocarburi aromatici, terpeni, composti alogenati) si adsorbono sul carbone attivo. La loro concentrazione dipende dal substrato – ad es. i rifiuti della trasformazione della frutta o gli insilati possono contenere terpeni.

Ammoniaca e particelle

L'ammoniaca nel biogas viene di solito rimossa durante il raffreddamento e la condensazione e nello scrubber. I filtri a coalescenza trattengono gli aerosol (olio, goccioline) che potrebbero bloccare membrane o sorbente.

Sequenza delle apparecchiature

Sequenza tipica: digestore (desolforazione biologica) → raffreddamento e condensazione → compressore preliminare → ulteriore raffreddamento e separazione della condensa → filtro a coalescenza → letto di carbone attivo (H₂S, VOC, silossani) → upgrading. È importante che il carbone attivo operi in un gas a bassa umidità relativa, perché l'umidità ne riduce la capacità di sorbimento.

Esempio: sostituzione del letto di carbone

Ipotesi: 800 m³/h di biogas, finissaggio dell'H₂S da 100 ppm a meno di 2 ppm. Massa di H₂S da rimuovere: 100 ppm × 800 m³/h = 0,08 m³/h di H₂S ≈ 0,08 × 1,54 kg/m³ ≈ 0,12 kg/h, ovvero circa 990 kg all'anno a 8000 h. Se il carbone ha una capacità operativa di circa il 15% della massa di H₂S (ipotesi illustrativa – il valore dipende dal prodotto e dalle condizioni), occorrono circa 6,6 t di carbone all'anno. Questa massa indica che conviene ridurre le alte concentrazioni di H₂S con metodi più economici prima del carbone, lasciando il finissaggio alla fase finale.

Errori di progetto

• Omissione della variabilità della composizione del biogas (nuovi substrati aumentano l'H₂S).
• Assenza di ridondanza – un solo letto significa fermata durante la sostituzione.
• Sottostima dell'effetto dell'aria della desolforazione biologica sul contenuto di O₂ e N₂.
• Raffreddamento troppo scarso, che provoca condensazione nel compressore.
• Assenza di misure di H₂S a monte e a valle del letto, il che impedisce di pianificare le sostituzioni.

Controllo e documentazione

Prima di ordinare l'impianto fai eseguire un'analisi del biogas su almeno alcune settimane di funzionamento, considerando diverse miscele di substrati, e su questa base stabilisci le concentrazioni di progetto per H₂S, silossani e VOC con un margine. Dopo l'avviamento tieni un registro delle sostituzioni dei letti e dei risultati delle misure, perché sono dati necessari sia per pianificare la manutenzione sia per le trattative di garanzia con il fornitore di membrane o sorbente. I produttori di solito subordinano la garanzia al mantenimento del gas in ingresso entro determinati limiti, quindi la mancanza di documentazione del pretrattamento può comportare la perdita della garanzia.

Sintesi

Un pretrattamento ben progettato è il modo più economico per proteggere i costosi moduli di upgrading. Conviene pianificare fin dall'inizio le misure e la scorta di materiali di consumo.