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TRATAMIENTO DEL BIOGÁS
El
biogás 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.
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 más 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.
Para 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.
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 este 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
Las ventajas principales se pueden resumir en:
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.
Sus desventajas:
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 en 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.
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: máquina
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.
MÁQUINA DE FLUJO. Las máquinas de flujo
utilizadas para este caso en cuestión son los 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.
POST ENFRIADOR. El biogás procedente del
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 óptimo funcionamiento de
los equipos antes mencionados. Estos posts 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.
Entre 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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árboles para vender, por lo que no disponemos de catálogos
escritos, remitiendo a nuestros corresponsales a nuestro sitio en Internet, (www.emison.com o www.emison.es) que
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