Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad
Abstract
Los gases que contienen impurezas en cantidades significativas, como sulfuro de hidrógeno (H2S), se denominan comúnmente como gas ácido. Actualmente, la mayoría de las reservas de gas natural, así como las corrientes de gas residual del tratamiento de petróleo o el biogás generado por digestión anaeróbica, incluyen la presencia de estas impurezas. Cuando la concentración de H2S es alta, la práctica común es eliminar este compuesto (H2S) del gas con costosos procesos de separación y producir principalmente azufre mediante el proceso Claus. Sin embargo, debido a la creciente demanda de energía, se requiere un uso más eficiente de los recursos naturales. El uso de este tipo de gas ácido, que contiene H2S, para uso energético a pequeña escala, ha surgido como una posible alternativa que puede contribuir a este objetivo. La mejora y el conocimiento del proceso de combustión de gases ácidos se desarrolla en paralelo con la mejora del tratamiento de los gases residuales y la mejora de los materiales para resistir la naturaleza corrosiva de este gas. La oxidación del H2S produce principalmente SO2 y los mecanismos que describen su conversión son escasos en bibliografía, particularmente en condiciones ricas en combustible. Al mismo tiempo, es de interés el conocimiento de la interacción del H2S con el metano (CH4) y posibles compuestos contaminantes, como los óxidos de nitrógeno (NOx). Para diseñar y optimizar equipos de combustión, es necesario realizar experimentos en condiciones de laboratorio bien controladas, acompañados de estudios cinético-químicos que ayuden a interpretar y comprender los mecanismos de reacción a través de los cuales transcurre la oxidación del combustible.En este contexto, el objetivo del presente trabajo es analizar la oxidación de H2S bajo un amplio intervalo de condiciones, estudiando el efecto de la temperatura, la presión, la relación de exceso de aire, así como la interacción de H2S con otros compuestos. Para lograr este objetivo global, se han llevado a cabo diferentes estudios experimentales, junto con el continuo desarrollo de un modelo cinético-químico que permite reproducir el proceso de oxidación de H2S en diferentes condiciones. En primer lugar, se analizó la oxidación de H2S a presión atmosférica, considerando desde condiciones reductoras hasta oxidantes, compilando un modelo cinético inicial capaz de simular la conversión de H2S a presión atmosférica. Para un mejor análisis de la oxidación de H2S a alta presión, se realizó un estudio preliminar sobre la oxidación de H2, en presencia de NO. Como resultado de este estudio, se actualizaron los subsets de reacciones de H2/O2 y NOx. Posteriormente, se estudió la oxidación de H2S a distintas presiones (0.65-40 bar de presión manométrica). Los resultados han mostrado que la oxidación de H2S ocurre a menores temperaturas conforme aumenta la presión. El mecanismo cinético actualizado fue capaz de predecir la oxidación de H2S a altas presiones, excepto para la presión más elevada estudiada (40 bar). Seguidamente, se analizó la oxidación de mezclas H2S/CH4 y H2S/NO a diferentes presiones y estequiometrías, desde un punto de vista experimental y de modelado cinético. Tanto el CH4 como el NO desplazan la oxidación de H2S a presión atmosférica a mayores temperaturas, mientras que a alta presión promueven dicha oxidación, especialmente en el caso del NO. Para intentar mejorar el mecanismo cinético de oxidación de H2S a altas presiones, se llevó a cabo un estudio adicional, realizando experimentos con distintas relaciones de exceso de aire e introduciendo en el modelo cinético reacciones que involucran la especie H2O2, que muestra un importante papel a altas presiones. Los resultados han sido satisfactorios en cuanto a la predicción teórica de los resultados experimentales del presente trabajo y de la bibliografía.Durante el desarrollo de esta tesis doctoral, se realizó una estancia de investigación en la Universidad de Murdoch (Australia), donde el objetivo fue estudiar la oxidación de H2S en un reactor distinto (jet-stirred reactor, JSR) al usado hasta la fecha en la Universidad de Zaragoza (reactor de flujo pistón, PFR). También se realizaron experimentos de oxidación de un compuesto de azufre y carbono, el metilmercaptano (CH3SH), el cual puede ser un componente importante en el gas ácido. El mecanismo compilado durante esta tesis permitió predecir satisfactoriamente los resultados experimentales obtenidos de la oxidación de H2S en el JSR, y fue extendido para analizar la conversión de CH3SH.El amplio intervalo de condiciones experimentales utilizadas durante el presente estudio ha permitido comprender al comportamiento de H2S durante su oxidación en diferentes condiciones, así como validar un mecanismo cinético-químico detallado capaz de describir el proceso y analizar el papel del H2S en la combustión de gas ácido.<br /
