Instalaciones de captación/Limpieza del biogás.

Biogas & Gases Technologies.

BGasTech.

MAQUINAS, EQuipos y tecnologias en Linea de biogas 
EN EDAR 

Introducción.

Las EDAR son plantas dedicadas  a la depuración de aguas residuales urbanas con el fin de devolver a los cause naturales, rio, lagos y mar un agua que cumpla con los estándares de vertido a dichos causes. Como resultado de esta depuración se obtiene un lodo (biomasa residual) que por su carga orgánica puede ser valorizada vía digestión anaerobia, proceso a partir del cual se obtiene, por un lado, el biogás que por su contenido en metano (CH₄) es un gas susceptible de ser utilizado para producir energía u otros productos químicos y, por otro lado, el digestato que previo tratamiento constituye otra fuente de energía y productos.

En el caso particular de las EDAR es dónde se distinguen mejor los dos tipos de impurezas que se presentan en el biogás y con ellas los dos tipos básicos de  limpiezas a la que se somete este gas.

DESARROLLO.

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

• Producción/generación de biogás. Sistema de digestión anaerobia de lodos.
• Captación y almacenamiento. Limpieza/acondicionamiento.
• Generación/aprovechamiento del biogás.

En el caso de la producción de biogás en las EDAR, la mejor opción de gestión de este gas es producir energía para satisfacer las necesidades energéticas de la propia planta, tanto en forma de energía térmica (los fangos necesitan estar a una cierta temperatura para poder ser digeridos) como en la producción de energía eléctrica (utilizable para los consumos eléctricos de la planta) y el excedente para la venta al sector eléctrico.  

 El biogás que se produce en ele digestor es un gas sucio que requiere una eliminación de sus impurezas o contaminantes que tiene el biogás. En el caso de las EDAR se distinguen dos tipos de impurezas. 

Impurezas externas. No son parte del flujo de biogás. Estas deben de ser la primeras en eliminar. Estos generalmente se eliminan mediante operaciones mecánicas como la filtración y/o el cambio de las condiciones hidrodinámicas del flujo de biogás como: cambio en la dimensión o dirección del flujo.

Dentro de estas impurezas se encuentran por lo general. Sedimentos, espumas, partículas y condensados.  Este tipo de impurezas se encuentran principalmente en la corriente de biogás que sale del digestor. Principalmente en los sistema de producción controlados como en las EDAR.

Esta limpieza del biogás se define como. Eliminación gruesa o bruta.

Impurezas internas. Son parte del flujo de biogás. Suelen ser las últimas en retirarse. Para su eliminación se utilizan técnicas físicas, químicas, biológicas o una combinación de ellas como la bioquímica. Dentro de estas impurezas podemos encontrar. Vapor de agua, siloxanos, hidrocarburos, COVs, NH₃ o H₂S.

Esta limpieza/purificación de biogás se define como. Eliminación fina o pulido. Esta limpieza es útil para tener un biogás calidad materia prima para su uso, por ejemplo en. Producción de energía u otros productos químicos como: Biometano, H₂ o metanol. Este tipo de eliminación  garantiza el buen funcionamiento de las máquinas y tecnologías involucradas en su transformación y adecuados costes operativos.

Para poder realizar dichas operaciones antes descritas se necesitan un conjunto de máquinas, equipos y tecnologías que son necesarias para poder  alcanzar dicho propósito.

Máquinas, equipos y tecnologías en las instalaciones DE BIOGÁS en EDAR.

Limpieza gruesa. 

El biogás procedente del proceso de biodigestión de los fangos de la EDAR es una gas sucio que incorpora partículas sólidas, condensados, sedimentos y espumas. Para evitar que estos tipos de materiales produzcan daños a la instalación en general y. 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.

El biogás además de ser un gas complejo en cuanto a su composición es, a su vez, un gas complejo en cuanto a las corrientes que puede presenta, principalmente cuando sale del biodigestor dada las posibles fases involucradas en sus flujos. Esta fases generalmente son: fases gaseosa, biogás y vapor (agua), fase solida, partículas, fases semisólida espumas y sedimentos y fase liquida, condensados. Por ello, esta corriente se puede decir, en cuanto a las fases involucradas, que es un corriente multifásica formada por varios flujos (fases)

Rompedores/separadores de espumas. La presencia de espumas, que pueden tener gruesos comprendidos entre los milímetros hasta más de un metro, puede afectar negativamente la operación de planta de distintas maneras. En casos extremos cuando el contenido de espuma supera la altura disponible dentro del reactor, puede rebosar e incorporarse al flujo de biogás generado, creando diferentes problemas en la línea de transporte del biogás, en su instrumentación y accesorios. Para la eliminación de la espuma en la corriente de biogás se suelen usar los rompedores de espumas, ubicado generalmente en la tubería a la salida del reactor. Estos, a su vez, sirven como retenedores de sedimentos procedentes del reactor.

                        Figura 1. Rompedor de espumas. Cortesía de BGasTech

Filtro de grava. Es utilizado en el caso del biogás 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 proceso 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 con contrachapa de soportación para los mismos..

Potes de condensados. El biogás procedente de la etapa de digestión y equipos de lavado es una gas húmedo dado el equilibrio liquido vapor que se establece al entra el biogás en contacto con el agua de lavado o la propia agua del digestor. Por ello, es recomendable antes de entrar a proceso o la etapa de deshumidificaion 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). Pueden ser de tipo pared de  choque o tipo ciclónico.    Figura 2. Pote de condensando. Cortesía de BGasTech

Almacenamiento/distribución

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.

Control de la producción

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.

Limpieza fina/pulido.

Reducción/eliminación de H2S. El biogás producido en las estaciones de depuración de aguas residuales EDAR se caracteriza por una elevada concentración de H2S dada la carga orgánica de los lodos y/o la presencia de sulfatos en ellos. Esta concentración esta comprendidas en el rango de valores de 1000 a 5000 ppm de forma general y a veces algo mayor. Por ello, para un aprovechamiento del biogás se requiere la disminución de la concentración del H2S por debajo de las 250 ppm para el caso de generación de electricidad via motores. Las turbinas son más permisibles en este sentido.

Esta eliminación de H2S se suele hacer en dos punto de la planta de biogás.

- En origen/bioreactor. Por adición de químicos, aire u oxigeno.
- En línea. Por medio de diferentes tecnologías existentes en el mercado

Varias técnicas (químico, físicos, biológico y bioquímico) de eliminación del H2S existen en la actualidad, sin embargo, uno de los de mayor aplicación por sus ventajas técnicas-económicas es el proceso bioquímico,  Este proceso se sustentan, por un lado, absorción química (desulfuración) y por otro lado. en el proceso de recuperación del solvente (proceso biológico). 

Las ventajas principales se pueden resumir en.

• Alta eficiencia: H2S reducción de hasta un 98%. Concentraciones de H2S inicial de hasta 3 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 operativos: Bajos consumo de reactivo en comparación con otras tecnologías.
• Alta seguridad. Debido a las características de este proceso. No existe inyección de aire
• No diluye el biogás con otros gases como el N₂

Sus desventajas.

• Consumo de reactivo químico como el NaOH.
• Formación de espumas. Etapa recuperación del solvente.

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, así como, la composición del biogás

Secado del biogás. La deshumidificacion 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 (lineal o cíclico) y la temperatura de operación, se puede llegar alcanzar la totalidad de eliminación de estos componentes.

Algunos sistemas de secado 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 maquina 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. Dos tipos de máquinas fundamentalmente aparecen en el mercado.   Figura 3. Secador de biogás. Cortesía de BGasTech

Tipos de máquinas.

 

1.- Maquinas de desplazamiento positivo. Tipo lobular, paletas y pistón.

2.- Maquinas rotodinámicas. 

• Tipocentrífugas mono/mutietapicas  
• Tipo canales laterales.

Entre las soplantes mas usadas para este tipo de aplicación se encuentran dependiendo del caudal y presión las soplantes centrífugas multietapicas y la de canales laterales. Cuando se requieren presiones elevadas es recomendable usar máquinas del tipo lobular.

Es recomendable que las máquinas de flujo utilizada 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 le 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 maquina para evitar posibles danos en la instalación. 

Apagallamas/Cortallamas. 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.

Tecnologías para la limpieza. Para un uso adecuado del biogás como biocombustible para la generación de energía (térmica o eléctrica) se necesita eliminar de él diferentes componentes peligrosos (Siloxanos, H2S e hidrocarburos entre otros) para las maquinas involucradas en este fin. Es recomendable, a su vez, reducir la humedad del biogás por debajo del 50 % para favorecer un mejor aprovechamiento de la energía contenida en el biogás.   

 Figura 4. Planta de captura/limpieza del biogas. Cortesía de BGasTech

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 esta en funcionamiento el otro esta 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 la EDAR exportación de electricidad, será el tipo de máquina o equipo que se utiliza para el aprovechamiento/utilización del biogás.

 Figura 5. Filtro carbón activado. Cortesía de BGasTech

Generación de calor. En forma de vapor o agua caliente

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: 

1. Características del biogás, 
2. Consumo de biogás a tratar, 
3. Rendimientos deseados.

• Producción  de calor. Turbinas
• Producción de electricidad. Motor

Otra opción de uso sería la producción de Biometano y dado la calidad de este biogás, muy superior al biogás procedente de los procesos no controlados (Vertedero) existen una amplia gama de tecnologías a aplicar para este fin.

• Lavado químico.
• Lavado con agua
• Lavado con solvente orgánico.
• Tamiz molecular (PSA)
• Menbranas.
• Criogénesis.

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Próxima edición. 20-29 Noviembre/2023

23ª Edición

                      

Para mayor información.

Biogas & Gases Technologies 

Dr. Joaquin Reina Herdz.

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