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TRATAMIENTO DEL BIOGÁS

El biogas es una mezcla de gases obtenidos por fermentación anaerobia de la materia orgánica y está compuesto de CO2 y CH4 con vapor de agua (generalmente saturado de vapor a la salida del digestor) y trazas de otros compuestos como el SH2, N2, siloxanos, hidrocarburos halogenados así como partículas y espumas.

Para su utilización como combustible o primera materia para la fabricación de productos químicos (etanol, hidrógeno…) es necesario proceder a su depuración para eliminar los componentes que pueden disminuir el rendimiento o causar inconvenientes en la aplicación.

Así, por ejemplo, el vapor de agua y el CO2 disminuyen el poder calorífico del biogás, y además, si condensa el vapor de agua se pueden formar compuestos corrosivos con el CO2 y SH2 que pueden causar problemas.

Los hidrocarburos de alto peso molecular como los halogenados pueden causar problemas de corrosión en los motores de generación de electricidad.

El SH2 es posiblemente el compuesto que causa mayores problemas, ya que es extremadamente venenoso y al quemarse forma óxidos de azufre con los riesgos de corrosión y contaminación que conllevan.

Si el gas se utiliza en motores de explosión los siloxanos causan problemas de abrasión por la sílice que se deposita en las diferentes partes disminuyendo la vida útil del motor.

Afortunadamente disponemos de diferentes sistemas para eliminar o disminuir hasta límites aceptables el contenido de las diferentes impurezas.

ETAPAS PARA LA INSTALACIÓN DE BIOGÁS

En términos generales una instalación de biogás e cuenta de las etapas siguientes.

  1. Producción/generación de biogás.
  2. Captación y almacenamiento.
  3. Limpieza/acondicionamiento.
  4. Generación/aprovechamiento del biogás.

El biogás es un gas sucio que incorpora trazas de partículas sólidas, humedad y espumas. Para evitar que estos tipos de materiales lleguen al gasómetro (receptor del biogás) y a las maquinas involucradas en su transporte y aprovechamiento se requiere instalar en la línea los equipos que continuación se detallan de forma general.

Filtro de grava. Es utilizado para la separación de partículas sólidas, posibles espumas, suciedad y condensado procedente del digestor. Su principio de operación es sencillo y consiste en hacer pasar el biogás por un lecho de arena de tamaño determinado que sirve como separador de todas las impurezas contenidas en el biogás en la forma antes mencionadas. El condensado se extrae por la parte inferior del equipo, la espuma y partículas quedan retenidas en el lecho de grava mientras el gas sale por la parte superior lateral del filtro.

Filtro cerámico. Se utiliza para la eliminación de partículas sólidas finas (partículas comprendidas entre [150–210 µm]) presentes en el biogás que procede de los procesos de digestión anaeróbica y la condensación del exceso de humedad. Su parte fundamental lo constituyen los cartuchos cerámicos o velas de un tamaño de poros predeterminado. Estos cartuchos se encuentran situados en el interior de un cilindro hermético.

Gasómetro. Los gasómetros son dispositivos de almacenamiento de gases, muy ampliamente usados en la actualidad en el almacenamiento de biogás procedentes de la digestión anaerobia de planta de tratamiento de aguas. Estos pueden ser de diferentes tipos de acuerdo a la presión de trabajo y construcción. Los gasómetros de campana flotante y de doble membrana son los mas utilizados para el almacenamiento y distribución del biogás a los diferentes consumidores.

Para la eliminación de CO2 empleamos usualmente el lavado con agua a presión, que a su vez elimina el SH2 y los siloxanos. También pueden eliminarse mediante polietilenglicol, membranas u otros procedimientos. Finalmente para la separación del CO2 se puede utilizar el frío o la compresión para separarlo y venderlo como subproducto.

La reducción o eliminación total de SH2 utilizamos biofiltros, cloruro de hierro, filtros de lana de hierro, lavado con sosa, precipitación con SO2, filtros de astillas de madera con cloruro u óxido de hierro…

La eliminación del agua se consigue mediante sistemas de condensación por enfriamiento, presión, etc. y separación de condensados o por sistemas de secado utilizando adsorción con gel de sílice o cloruro cálcico.

OPERACIONES PARA LA ELIMINACIÓN DEL GAS

Actualmente, los fabricantes de motores disponen de equipos especialmente adaptados para funcionar con este gas, y si se desea realizar una depuración del mismo es necesario efectuar una serie de operaciones.

En primer lugar, se elimina el agua, para lo que se comprime o enfría el gas o se le hace pasar a través de elementos desecadores como el cloruro cálcico o gel de sílice. El proceso de eliminación de la humedad en el biogás consiste en enfriar el mismo hasta que la humedad contenida en él condense, pudiendo así ser eliminada.

El gas seco contiene SH2 que es preciso eliminar. Existen diferentes métodos para reducir o eliminar el contenido de SH2 en gases. El tratamiento convencional, consistente en la precipitación del SH2 mediante sosa caustica. Una instalación de éste tipo consistiría en un reactor donde se introducirá el reactivo.

El sistema para la eliminación de CO2 y SH2, consiste en un sistema de lavado, en una torre con agua y cal. El Ca(OH)2 en contacto con el CO2 y SH2 forma un compuesto que es insoluble y por lo tanto precipita, eliminándolo de la corriente de gas. Este precipitado pasará a la fase líquida. Para la optimización del sistema, el agua que se recoge por la parte inferior de la torre de lavado, mediante una bomba se recircula otra vez a la parte superior (ducha).

Para evitar la acumulación del precipitado, se instala un filtro para retenerlo. El tiempo de residencia del gas en el sistema es de de unos 2 segundos. El gas, libre de contaminantes, sale por la parte superior del sistema, y pasa por un filtro de hierro mojado, para acabar de eliminar las pequeñas cantidades de CO2 y SH2, que pudieran quedar. También se puede dosificar NaHCO3 para la eliminación selectiva de SH2.

A continuación se presenta un esquema de la instalación.

Otra forma de eliminar SH2 es la filtración sobre limaduras de hierro. El filtro de acero es la tecnología más empleada para la eliminación de pequeñas cantidades de ácido sulfhídrico presentes en el biogás.

Las reacciones son:

  • Fe + H20 = FeO + H2
  • FeO + H20 = (OH)2Fe
  • SH2 + FeO = FeS + H20
  • SH2 + (OH)2Fe= FeS +2 H20

Una alternativa algo más compleja pero que consideramos mejor es la precipitación del SH2 como azufre elemental utilizando anhídrido sulfuroso gaseoso. Químicamente el proceso es el siguiente:

  • SO2 + 2 H2S = 3 S + 2 H2O

De esta forma, el subproducto obtenido, azufre elemental, es valorizable. (En tratamiento de residuos rara vez se realiza un negocio económicamente hablando, y lo que se pretende es disminuir los costes. Si la valoración de los subproductos obtenidos permite un saldo económico favorable podemos decir que «nos ha tocado la lotería»). Por cada Kg de SH2 eliminado se obtienen 1’9 Kg de azufre elemental.

El tratamiento consiste en dosificar, de forma automática en función del potencial redox del gas, el SO2 necesario en un reactor donde se produce la reacción antes citada, y a continuación pasar el gas por un filtro de mangas para separar el azufre precipitado.

Eventualmente se pasa el gas por un filtro de lana de acero para reducir las trazas que pudieran quedar. También es posible dosificar NaHCO3 para neutralizar ácidos y reducir siloxanos.

Finalmente, pero no menos importante, es el tratamiento para eliminación de sulfhídrico mediante procedimientos biológicos.

Este proceso se sustenta, en la adición de O2, H2O y nutrientes a un lecho por donde circula el biogás. En este lecho se desarrolla el cultivo bacteriano encargado de la eliminación de la mayor parte del sulfuro de hidrógeno (H2S) contenido en el mismo.

En este proceso, se inyecta una solución nutritiva, la cual es recirculada en el empaque para su irrigación y el suministro de nutrientes a las bacterias allí formadas. Esta solución nutritiva suele ser líquido fertilizante artificial (NPK 886). Las bacterias aerobias especiales, que ocasionan la oxidación del H2S (por ejemplo, la Thiothrix o el Thiobacillus), empiezan a crecer en el reactor y en la solución nutritiva. En las condiciones que allí se dan, el H2S del gas se convierte en azufre elemental y más adelante en ácido sulfúrico de acuerdo a las ecuaciones químicas siguientes:

  • H2S + 2O2 → H2SO4
  • 2H2S + O2 → 2S + 2H2O
  • S + H2O + 1’5O2 → H2SO4

Ventajas del tratamiento del biogás

Alta eficiencia: H2S reducción de hasta un 98%. Concentraciones de H2S inicial de hasta 1,5 vol. % en el biogás.

  • Alta flexibilidad: debido a su principio de funcionamiento y su sistema de control automático, la planta se puede aplicar para una amplia gama de producciones de biogás y concentraciones de H2S sin modificaciones constructivas.
  • Bajos costes: bajos costes de inversión en comparación con otras tecnologías. Sin consumo de productos químicos a excepción del nutriente (fertilizante).
  • Alta seguridad: debido a las características especiales de seguridad se evitan los riesgos, la cantidad de suministro de aire está estrictamente relacionada con el flujo real de gas.

Desventajas del tratamiento del biogás

Alta sensibilidad al cambio de condiciones de operación.

  • Tendencia a la colmatación del lecho, cama empacada, por deposición del Azufre elemental que se forma en muchas ocasiones.
  • Requiere de un alto control en la inyección del aire con vista a evitar riesgo de explosión.
  • Cambia la composición del biogás por la inyección de aire que requiere. Disminuye el contenido en metano lo que influye el la reducción del PCI del Biogás.
  • Largo tiempo para su puesta en marcha.

En este caso (proceso), se utiliza una torre de relleno (empacada) similar a la utilizada en los procesos químicos. Reviste importancia en el proceso, el control del nivel de líquido, así como, la cantidad de O2 inyectada por medio del aire para evitar mezcla explosiva con el biogás, etc.

SISTEMAS DE LIMPIEZA MEDIANTE CARBÓN ACTIVO

Los sistemas de limpieza mediante carbón activo permiten eliminar los siloxanos mediante adsorción. Resulta necesario realizar previamente un secado del biogás mediante enfriamiento, ya que la eficacia del carbón activo es solamente posible con un biogás con humedad menor al 50%.

Trampa de condensados. El biogás procedente de la etapa de desulfuración es un gas húmedo dado el equilibrio liquido vapor que existe al entra el biogás en contacto con el agua de lavado. Por ello, es recomendable antes de entrar a la etapa de deshumidificación la eliminación del exceso de humedad (agua) con vista a minimizar el consumo energético de la operación. Estas trampas de condensados son recipientes herméticos donde el biogás se expansiona y cambia de dirección para facilitar la eliminación de dicha humedad (variación de la cantidad de movimiento).

Deshumidificador. La deshumidificación del biogás vía enfriamiento-condensación es una etapa importante en el acondicionamiento/tratamiento del biogás para su futuro uso como biocombustible. Cuenta de dos elementos fundamentales: maquina de refrigeración e intercambiador de calor/condensador. En este último se elimina la humedad por debajo del 50 % al biogás y en dependencia del tipo de siloxanos y la temperatura de operación, se puede llegar alcanzar la totalidad de eliminación de estos componentes.

Algunos sistemas de deshumidificación incorporan un sistema de lavado interno con el propio condensado producido, lo que produce una eliminación parcial de componentes como el NH3 y H2S presentes en el biogás. Otros incorporan un sistema de recuperación del frío del biogás con vista a minimizar el consumo energético de la máquina de refrigeración.

Maquina de flujo. Las máquinas de flujo utilizadas para este caso en cuestión son las soplantes, que tiene la función de incrementar la presión del biogás para llegar a los diferentes consumidores (motores, calderas, antorcha, etc.) con la energía suficiente para su utilización.

Es recomendable que las máquinas de flujo utilizadas para el transporte (bombeo) del biogás tengan instalado los siguientes accesorios.

Juntas de dilatación. Son dispositivos que tiene por finalidad absorber las dilataciones térmicas que se producen por el aumento de temperatura del fluido bombeado. Dado que en la soplante, producto del incremento de presión se produce un salto térmico en el biogás (incremento de su temperatura), es recomendable el uso de este dispositivo, tanto a la entra como a la salida de la máquina para evitar posibles daños en la instalación.

Apagallamas. Con el objetivo de proteger las unidades de proceso los apagallamas a prueba de deflagraciones son equipos, que se usan en los sistemas de manejo de mezclas explosivas, como el biogás, para mitigar las deflagraciones. Suprimen de manera fiable el efecto de las deflagraciones en las tuberías cerca de una potencial fuente de ignición (soplantes), extinguen la llama y protegen los sistemas que no pueden resistir la presión de una explosión.

Pos enfriador. El biogás procedente de la soplante es un gas caliente debido al incremento de presión y al rozamiento que experimenta en dicha máquina alcanzando un incremento de temperatura respecto a su temperatura de entrada de unos 40 ºC o más. Este gas debe de ser enfriado antes de entra a filtros y motores, por ello, se hace necesario disminuir su temperatura entre valores comprendidos entre los 20 y 30 ºC para un optimo funcionamiento de los equipos antes mencionados. Estos post – enfriadores son equipos de intercambio térmico generalmente del tipo tubo y coraza, refrigerado por agua, los cuales garantizan el enfriamiento del biogás hasta el valor deseado para su futura utilización.

Antorcha. Son equipos que se utilizan para la combustión de gases, en este caso del exceso de biogás procedente del sistema de digestión anaerobia o del sistema de cogeneración. Las antorchas pueden ser clasificadas en dos tipos fundamentales de llama vista o de llama oculta.

Filtro de carbón activo. Son equipos ampliamente usados para la limpieza de gases de diferentes tipos de contaminantes. En el caso del biogás son usados principalmente para la eliminación de H2S, siloxanos e hidrocarburos halogenados (Cl y F) presentes en el biogás. Su operación es sencilla y se fundamenta en procesos físico-químicos, para lo cual se hace pasar la corriente del biogás por un lecho de carbón activo previamente seleccionado para el tipo de compuesto a eliminar. Estos equipos generalmente operan en paralelo, es decir, mientras uno está en funcionamiento el otro está en mantenimiento/espera. Para un óptimo funcionamiento de este equipo se requiere un acondicionamiento previo del biogás con vista a disminuir su contenido en humedad y reducir la temperatura lo menor posible. También es de sumo interés una adecuada distribución del biogás dentro del filtro con la finalidad de evitar cualquier zona muerta en el mismo. Por lo que, el diseño del filtro y sus espacios libre juega en este aspecto un rol fundamental.

Estación de generación. En consecuencia, con las necesidades energéticas del proceso (calor y/o electricidad) y de los intereses de exportación de electricidad, será el tipo de máquina o equipo que se utiliza para el aprovechamiento/utilización del biogás.

Generación de vapor. Para ello, se utilizan las calderas de vapor con un quemador adaptado a la misma para trabajar con el biogás a consumir.

Entres los requerimientos para su uso en caldera esta: el caudal y la presión necesaria para entrar al quemador. Antes de entrar el biogás al quemador, se requiere una depuración previa mediante un filtro de lana de acero y una eliminación de condensados a fin de evitar corrosiones.

Generación de electricidad/calor. Motores y turbinas a gas. Son máquinas de flujo encargadas de transforma la energía química contenida en el biogás en energía mecánica para la producción de electricidad y calor. La elección de una u otra depende de varios factores entre los que se pueden citar: características del biogás, caudal a tratar, rendimientos deseados, así como, el interés en la producción combinada de calor y/o electricidad, etc.

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