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Misurazione dell'H₂S come gas in traccia nella depurazione multistadio del biogas | NDUV

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Il monitoraggio continuo dell’idrogeno solforato è fondamentale per la conversione del biogas in biometano, ma a causa delle concentrazioni che variano drasticamente e delle condizioni di processo estreme — quali 300 °C, una pressione di 10 bar e un elevato contenuto di idrogeno — ciò comporta…

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Misurazione precisa dell’H₂S negli impianti di biogas: la tecnologia NDUV per compiti di misurazione complessi

L’idrogeno solforato (H₂S) è onnipresente negli impianti di biogas: da diverse migliaia di ppm nel gas grezzo fino a valori inferiori al ppm dopo la desolforazione fine. Un monitoraggio affidabile e continuo della concentrazione di H₂S in tutte le fasi di depurazione è fondamentale per proteggere i componenti a valle dell’impianto, ottimizzare le prestazioni di desolforazione e garantire la qualità del biometano prodotto. Fresenius Umwelttechnik illustra i vantaggi della tecnologia NDUV attraverso un esempio pratico.

L’H₂S nella catena di processo del biogas: perché è necessario un monitoraggio graduale

A seconda del substrato, il biogas contiene tipicamente tra 500 e 5.000 ppm di idrogeno solforato nel gas grezzo – una quantità maggiore negli impianti con elevata presenza di liquami. L’H₂S è altamente corrosivo, danneggia i sistemi di trattamento del gas, i compressori e le membrane e deve essere ridotto al minimo già prima del trattamento del biogas. La desolforazione viene tipicamente effettuata in diverse fasi:

- Fase 1 – Precipitazione in situ: aggiunta di sali di ferro (ad es. FeCl₃) direttamente nel digestore. Il solfuro di ferro (FeS) che ne deriva si lega al substrato e riduce significativamente la formazione di H₂S nel gas grezzo.

- Fase 2 – Desolforazione biologica: batteri solforofili specializzati ossidano l’idrogeno solforato in zolfo elementare in presenza di un apporto d’aria controllato. Concentrazioni tipiche di H₂S dopo questa fase: 50–500 ppm.

- Fase 3 – Raffinazione con carbone attivo: adsorbimento dei composti solforati residui e dei COV. Dopo questa desolforazione fine, le concentrazioni di H₂S sono nell’ordine delle tracce (< 5 ppm).

- Separazione della CO₂ per ottenere biometano: il gas trattato viene valorizzato fino a raggiungere la qualità del gas naturale mediante adsorbimento a pressione alternata (PSA) o lavaggio con ammine.

Il principio di misurazione NDUV: fisico, senza contatto, senza usura

La misurazione dell’assorbimento ultravioletto non dispersivo (NDUV) sfrutta la proprietà di assorbimento caratteristica dell’idrogeno solforato nella gamma di lunghezze d’onda UV compresa tra circa 190 e 260 nm.

Principio di funzionamento del sensore NDUV

- Sorgente di luce UV: una sorgente di luce UV ad alte prestazioni emette luce UV continua o pulsata attraverso una cuvetta di misurazione del flusso di gas. A seconda dell’applicazione, si utilizzano lampade a scarica di gas (EDL) per la misurazione continua o LED UV per il funzionamento a intervalli.

- Selezione ottica: un filtro ottico a banda stretta seleziona la lunghezza d’onda di assorbimento caratteristica dell’H₂S. Il CH₄, il CO₂ e l’H₂O non assorbono in questo intervallo UV, garantendo un’elevata selettività anche nella complessa matrice gassosa del biogas.

- Metodo a doppio raggio – il fulcro della stabilità a lungo termine: La luce proveniente dalla sorgente UV viene suddivisa in un raggio di misura e in un raggio di riferimento. Il raggio di misura attraversa la cuvetta contenente i gas di processo e viene attenuato dalle molecole di H₂S. Il raggio di riferimento attraversa inalterato una cuvetta di riferimento a tenuta di gas. Entrambi i raggi colpiscono lo stesso rilevatore; la concentrazione di H₂S viene ricavata dal rapporto tra i due segnali. Le fluttuazioni dell’intensità della lampada dovute all’invecchiamento o alle variazioni di temperatura influenzano entrambi i fasci in modo uguale e vengono quindi compensate automaticamente, garantendo un’eccellente stabilità a lungo termine della linea dello zero senza necessità di correzioni manuali.

- Rilevamento secondo la legge di Lambert-Beer: un fotorilevatore misura l’attenuazione del fascio di misura. Secondo la legge di Lambert-Beer, l’assorbimento è direttamente proporzionale alla concentrazione di H₂S: un valore definito fisicamente e a bassa deriva.

Panoramica delle specifiche tecniche dei nostri moduli NDUV

Parametro

Tecnologia EDL (continua)

Tecnologia LED UV (funzionamento a intervalli)

Campi di misura dell’H₂S

Da 0–100 ppm a 0–5.000 ppm

Da 0–1.000 ppm a circa 10.000 ppm

Limite di rilevamento (DL)

< 1 ppm; 0,25 ppm con modulo da 100 ppm (3σ)

≤ 1 ppm

Tempo di risposta (tₐ₀)

1,5–15 s (configurabile)

1–120 min (regolabile)

Durata della sorgente UV

> 8.000 h (calo di intensità del 50% come valore indicativo)

> 1.500–180.000 h (a seconda dell’intervallo di misurazione)

Errore di linearità

≤ ±1% F.S.

≤ ±2% F.S.

Applicazione tipica

Monitoraggio continuo del processo

Monitoraggio a lungo termine con misurazione a intervalli

La nostra soluzione: moduli NDUV H₂S nei collaudati sistemi di misurazione Fresenius

Fresenius Umwelttechnik integra moduli NDUV H₂S ad alta precisione in due collaudati concetti di sistemi di misurazione, ciascuno ottimizzato per compiti specifici nella catena di processo del biogas:

GA210 – Analizzatore dedicato per H₂S con NDUV

Il GA210 è progettato come sistema specializzato per l’analisi dell’H₂S. Questo sistema di misura compatto combina il modulo NDUV H₂S con l’elettronica di sistema sviluppata internamente ed è progettato per il funzionamento continuo e stazionario nel monitoraggio dei processi. Gli intervalli di misura configurabili da 0–100 ppm a 0–5.000 ppm (EDL) o fino a circa 10.000 ppm (LED UV) coprono tutte le fasi del processo.

Sistema multicomponente per biogas – CH₄, CO₂, O₂ e H₂S

Il nostro collaudato sistema multicomponente per biogas misura di serie CH₄ e CO₂ tramite NDIR e O₂ con metodo elettrochimico. Nella versione configurata per l’H₂S, è possibile integrare un modulo NDUV H₂S al posto del sensore EC convenzionale, con tutti i vantaggi in termini di limite di rilevamento, tempo di risposta e stabilità a lungo termine. Ciò crea un vero e proprio sistema di analisi completo per tutti i parametri di processo nell’impianto di biogas.

Una versione speciale di questo sistema multicomponente è specificamente ottimizzata per l’analisi del biometano: gli intervalli di misura per CH₄ e CO₂ sono allineati alle strette tolleranze del gas prodotto, mentre il modulo NDUV integrato, con un limite di rilevamento di 0,25 ppm di H₂S, rileva in modo affidabile anche le più piccole concentrazioni residue dopo la desolforazione fine.

Campi di misura configurabili

- Da 0–100 ppm a 0–5.000 ppm di H₂S con tecnologia EDL, misura continua (tₐ₀: 1,5–15 s)

- Fino a circa 10.000 ppm di H₂S con tecnologia LED UV per la misurazione a intervalli

- Limite di rilevamento 0,25 ppm (con modulo da 100 ppm, 3σ) per una misurazione affidabile dei gas in tracce

Il modulo NDUV consente un monitoraggio economico di più fasi di processo grazie alla commutazione automatica con un hardware minimo. I dispositivi antincendio integrati e il condizionamento del gas campione specifico per l’applicazione garantiscono la massima sicurezza operativa e di processo, impedendo la formazione di condensa nell’area del gas grezzo, mentre il biometano può essere analizzato direttamente grazie al suo basso punto di rugiada.

Concetto di calibrazione automatica intelligente

Una caratteristica fondamentale della nostra soluzione è il concetto di calibrazione completamente automatica: la calibrazione del punto zero e dell’intervallo di misura viene eseguita automaticamente a intervalli di tempo regolabili, senza alcun intervento manuale. Ciò significa nessun onere di manutenzione aggiuntivo, ma una qualità di misura costantemente elevata nel funzionamento continuo.

Questa forma di calibrazione automatica non rappresenta uno sforzo aggiuntivo, ma una garanzia di qualità intelligente e autocontrollata: un vantaggio fondamentale rispetto ai sistemi che dipendono dalla calibrazione manuale.

Esempio pratico: monitoraggio multistadio dell’H₂S in un impianto di biometano

Un tipico impianto di biometano con una capacità di circa 600–750 Nm³/h presenta i seguenti requisiti caratteristici per l’analisi dell’H₂S:

Punto di misura

Concentrazione tipica di H₂S

Intervallo di misura (pratica)

Tecnologia raccomandata

Gas grezzo / prima della desolforazione biologica

500–3.000 ppm

Diverse ore

EC o NDUV (LED)

Dopo la desolforazione biologica

50–500 ppm (condizione di guasto: fino a 1.000 ppm)

5–10 min

Preferibilmente NDUV (EDL)

Dopo la depurazione con carbone attivo

< 5 ppm

5–10 min

NDUV (EDL) obbligatorio

Gas di prodotto / monitoraggio del processo

< 1 ppm

Continuo

NDUV (EDL), DL 0,25 ppm

A seconda della configurazione, il nostro sistema multicomponente per biogas con modulo NDUV H₂S copre diversi di questi punti di misura tramite commutazione automatica. Nell’area del gas grezzo, un sensore EC aggiuntivo può essere economicamente vantaggioso se sono sufficienti intervalli di misura di diverse ore. A partire dalla seconda fase di depurazione, raccomandiamo generalmente l’NDUV.

State pianificando una misurazione continua dell’H₂S nel vostro impianto di biogas o state cercando una soluzione per misurazioni complesse di tracce di idrogeno solforato? Contattateci: lavoreremo con voi per sviluppare il concetto di misurazione ottimale per il vostro impianto.

Domande frequenti (FAQ) sulla misurazione dell’H₂S negli impianti di biogas

Che cos’è l’NDUV e come funziona la misurazione dell’H₂S con questa tecnologia?

NDUV è l’acronimo di “misura ad assorbimento ultravioletto non dispersivo”. L’H₂S assorbe in modo caratteristico la luce UV nell’intervallo di lunghezze d’onda compreso tra circa 190 e 260 nm. Un sensore UV misura l’attenuazione della luce: maggiore è la concentrazione di H₂S, più forte è l’assorbimento. Poiché CH₄, CO₂ e H₂O non assorbono in questo intervallo, il metodo è altamente selettivo.

Quando è sufficiente un sensore EC per l’H₂S?

Per il monitoraggio del gas grezzo con intervalli di misurazione di diverse ore e concentrazioni < 5.000 ppm, un sensore EC può rappresentare la scelta più economica. Occorre tenere conto della sostituzione annuale del sensore e di un tempo tₐ₀ ≥ 90 s. Non appena sono richiesti limiti di rilevamento inferiori al ppm, tempi di risposta rapidi o stabilità a lungo termine senza usura del sensore, la tecnologia NDUV risulta superiore.

Quanto è basso il limite di rilevamento del sistema NDUV?

Con il modulo NDUV da 100 ppm (tecnologia EDL), raggiungiamo un limite di rilevamento di 0,25 ppm di H₂S (3σ), sufficiente per monitorare i livelli residui di zolfo più bassi dopo una desolforazione fine.

Come funziona la calibrazione automatica?

La calibrazione del punto zero e dell’intervallo viene eseguita in modo completamente automatico a intervalli configurabili. L’elettronica del nostro sistema monitora ogni processo di calibrazione con limiti di protezione regolabili. Se una calibrazione non rientra in questi limiti, viene segnalato un errore di calibrazione e la calibrazione viene interrotta, mentre la misurazione prosegue.

Qual è la differenza tra la tecnologia EDL e quella a LED UV?

I moduli EDL offrono tempi di risposta compresi tra 1,5 e 15 s e sono progettati per la misurazione continua dell’H₂S. I moduli UV LED prolungano notevolmente la durata della sorgente grazie al funzionamento a intervalli, sono adatti a campi di misura fino a circa 10.000 ppm e sono inoltre privi di mercurio. Al raggiungimento della fine del ciclo di vita, viene sostituita solo l’unità LED, non l’intero modulo.

La norma DVGW G 260 si applica alla misurazione interna dell’H₂S nell’impianto di biogas?

No. La norma DVGW G 260 si applica al punto di trasferimento al gestore della rete. In tale punto, il gestore della rete effettua le misurazioni con il proprio GC di processo in conformità con il proprio TMA. La tecnologia di misurazione di processo interna del gestore dell’impianto serve alla protezione dell’impianto e all’ottimizzazione del processo; in questo caso non vi sono requisiti normativi relativi al metodo di misurazione.

Leggi l’articolo originale su freseniusinstruments.com: https://freseniusinstruments.com/blog/22303/trace-gas-h2s-measurement-in-multi-stage-biogas-cleaning-nduv/?lang=en