Autor
Joaquín Reina Hernández
Article original publicat a Industria Química el 18 de febrer de 2015. Veure article
Seccions
- Tipus de biogàs i fonts
- Origen dels siloxans
- Efecte dels siloxans
- Tractament dels siloxans
- Solució CLEAN-BGAS® MP DRY
TIPUS DE BIOGAS I FONTS
El sector energètic és un dels més importants i de major desenvolupament actual. El món ha comprès, des del segle XX, que ha de renovar i ampliar les seves fonts d’energia per poder satisfer les necessitats creixents de la societat, cuidant alhora el medi ambient.
El biogàs procedent de abocadors (emplenaments sanitaris), plantes de metanització i depuració d’aigües residuals (EDAR) constitueix un material valuós per a la producció d’energia, biocombustibles i elaboració de productes químics com l’hidrogen i el metanol.
En ser una font d’energia renovable, és inagotable, neta i es pot utilitzar de forma planificada. El seu ús genera una menor contaminació ambiental i constitueix una alternativa viable a l’esgotament ja sensible d’energies fòssils, com el gas natural i el petroli, on ja es manté un increment en els seus preus.
EL BIOGÀS, des d’un punt de vista tècnic, és una barreja multicomponent de gasos, tant en la seva composició bàsica (CH4, CO2, H2, O2, N2, vapor d’aigua, etc.) com en els seus components perjudicials (NH3, siloxans, hidrocarburs halogenats, BTEX, VOCs, H2S, etc.). La seva composició està íntimament relacionada amb el tipus de matèria que es sotmet al procés de digestió anaeròbia i, en certa mesura, amb la tecnologia que s’utilitza per a la seva producció.
D’aquí que es pugui parlar, en termes generals, de dos tipus de biogàs:
- Sistemes incontrolats. Biogàs d’abocador, emplenaments sanitaris, pantans
- Sistemes controlats. Planta de depuració d’aigües residuals urbanes (EDAR) i de plantes de digestió anaeròbia (alta càrrega orgànica).
De forma general, es pot plantejar que els segons es caracteritzen per tenir elevada concentració de H2S, el seu principal component contaminant, i, en el cas d’EDAR, la presència de siloxans; mentre que en els primers es caracteritzen per l’aparició dels siloxans i els hidrocarburs d’alt pes molecular.
Els siloxans procedeixen de les siliconas que estan presents en materials com xampú, sabons, tensioactius, olis, productes farmacèutics, etc., que es sotmeten al procés de digestió anaeròbia.
Des del punt de vista de procés, es pot plantejar que el biogàs és el gas procedent del procés de digestió anaeròbia de la fracció orgànica de diferents tipus de matèries, i que es caracteritza per la seva elevada concentració en metà (CH4), que és qui li dóna la seva característica com a biocombustible, trobant aquesta concentració entre el 40 al 80% v/v del gas generat en aquest procés.
D’altra banda, tota instal·lació d’aprofitament/valorizació del biogàs compta amb tres parts fonamentals: producció del biogàs (sistema de DA), captació-neteja i sistema de valorizació (electricitat, vapor, biocombustibles o com a matèria primera per a l’elaboració d’altres productes).
Totes aquestes etapes són consecutives, és a dir, treballen en línia amb una funció específica cadascuna. En ella juga un paper fonamental la neteja/acondicionament del biogàs i les seves tecnologies, ja que garanteix: 1 2 3
- Un funcionament òptim dels equips i màquines (motores, turbines, calderes, piles de combustible) involucrades en el seu aprofitament com a material combustible.
- Una vida útil prolongada de les màquines utilitzades per al seu transport, extracció i compressió (bufadors i compressors).
- Una millora en les emissions dels gasos d’escapament de les màquines involucrades en el seu aprofitament energètic, ja que elimina la seva causa abans d’entrar a procés.
- Reducció del cost de manteniment (reparació i canvi d’olis) de les màquines involucrades en aquest tipus d’instal·lació.
ORIGEN DELS SILOXANS
Entre els components de major incidència en l’aprofitament energètic del biogàs generat en plantes depuradores i abocadors hi ha els siloxans, els quals produeixen danys en les màquines emprades, reduint la vida útil d’aquestes per l’efecte abrasiu que produeixen en les parts internes d’aquestes, així com augmenta el cost d’operació pels reiterats canvis d’olis i parts internes de les mateixes.
Els siloxans són una família de compostos orgànics formats per cadenes lineals o cíclics de silici, oxigen i grups metils. Són fabricats en un ventall de formes, entre les quals s’inclouen fluids d’alta i baixa viscositat, gomes, elastòmers i resines. Es troben en quantitats significatives en una àmplia i variada gamma de productes domèstics, com detergents, xampús, desodorants, pastes dentífrices, cosmètics, entre altres.
La majoria d’ells es volatilitzen ràpidament a l’atmosfera, i amb el temps es degraden en diòxid de carboni, sílice i aigua. Però alguns, no obstant això, acaben a les aigües residuals i en els sòlids urbans de deixalles, i es produeix la seva inevitable acumulació en abocadors i depuradores, on es consideren un dels contaminants més difícils de controlar.
Són compostos orgànics formats per siliconas, oxigen i grups metils, amb unitat estructural (CH3)2SiO, i pes molecular típicament en el rang comprès entre 150 a 600.
La seva solubilitat en aigua decreix amb l’augment del seu pes molecular; i aquests poden ser volàtils o no. La Figura 1 mostra la unitat estructural de diferents tipus de siloxans.
Figura 1.1 – Nomenclatura de siloxans de grups M i Dn
Figura 1.2 – Estructura lineal d’octametiltrisiloxà (MDM)
Figura 1.3 – Estructura cíclica d’octametilciclotetrasiloxà (D4)
Les Taules 1 i 2 mostren diferents espècies de siloxans trobats en el biogàs d’abocador i EDAR, així com algunes de les seves propietats bàsiques.
EFECTE DELS SILOXANS
Les siliconas, a diferència dels sofre, no reaccionen amb l’aigua per formar àcids. Tanmateix, durant la combustió, les molècules de siloxans es trenquen alliberant oxigen i silici. Aquest últim es combina amb altres elements formant silicats, sílice i altres compostos cristal·lins, que es dipositen a la cambra de combustió (fonamentalment a la part alta de la camisa), a les culates i a les cares de les vàlvules.
Aquestes incrustacions provoquen el desgast, per abrasió, de diferents parts internes dels motors. La Figura 2 mostra les incrustacions que causen els siloxans en diferents tipus de màquines.
Figura 2 – Motors
Figura 2 – Calderes
Figura 2 – Turbines
El contingut de siliconas permès per a un bon funcionament dels motors de generació no ha d’excedir, per regla general, < 5 mg/Nm3, encara que cada fabricant de màquina estableix els seus límits. Un contingut superior indicarà possibles problemes de deposició de sílice i, amb això, la crema de vàlvules d’escapament.
En el cas de les turbines a biogàs, atès que operen a altes velocitats de rotació, és a dir, per sobre de les 10.000 rpm, requereixen un balanceig, tant estàtic com dinàmic, de les seves parts mòbils molt precís. Aquestes disposicions de siloxans poden crear descompensacions bastant greus en les mateixes, arribant a provocar avaries importants.
TRACTAMENT DE SILOXANS
Els sistemes actuals per a l’eliminació d’aquests compostos utilitzen tècniques que posseeixen, per regla general, una o dues etapes involucrades, entre les quals es poden citar el subrefredament, l’adsorció en carbó actiu/silicagel, filtres de grafits, determinats tipus de resines, el rentat amb certs reactius (metanol, àcid sulfúric, mescla d’hidrocarbur, etc.).
Tanmateix, les tècniques més aplicades s’enuncien a continuació:
Refredament (Figura 3)
- Fins als 4ºC.
- Subrefredament (refredament fins a -25°C)
Adsorció
- Carbó activat
- Tèrmica regenerativa
- Silica gel
Rentat amb certs reactius
Combinació de tècniques
La Figura 3 mostra el comportament de la remoció de siloxans amb la temperatura.
Figura 3. Efecte de la temperatura en la reducció dels siloxans
CLEAN-BGAS® MP DRY
CLEAN-BGAS® MP DRY és una tecnologia multipropòsit (neteja/acondicionament), basada en la combinació d’operacions, que es fonamenta en el refredament, condensació, rentat, assecat i adsorció en carbó actiu, que minimitza tant el consum energètic com el de carbó actiu.
La tecnologia compta amb dues etapes bàsiques: una d’eliminació gruixuda de contaminants, incloent els siloxans tipus D, hidrocarburs i acondicionament del biogàs per a l’entrada a filtres de carbó actiu via tèrmica, i una altra de refinament (eliminació de siloxans tipus L i D) via adsorció en carbó actiu. Una part important d’aquesta tecnologia és el recuperador rentador que garanteix l’acondicionament del biogàs en tots els sentits.
Una altra de les avantatges d’aquesta tecnologia és que permet eliminar tant els hidrocarburs pesats, com els que contenen compostos de clor o fluor, que incideixen, al seu torn, en el bon funcionament del motor, així com en el compliment de les emissions dels sistemes de generació d’energia.
Aquesta tecnologia CLEAN-BGAS® MP DRY és el resultat del treball d’I+D+i d’Energy & Waste dins del Grup Condorchem, que porta més de 15 anys treballant en el tema de neteja i acondicionament de diferents tipus de gasos, i en particular en el biogàs (Figures 4 a 6).
Figura 4. Condensats abans i després de la tecnologia CLEAN-BGAS® MP DRY. Eliminació d’hidrocarburs
Figura 5. CLEAN-BGAS® MP DRY. Abocador d’Arico-Tenerife
Figura 6. CLEAN-BGAS® MP DRY. EDAR Mataró. Barcelona
Referències.
[1].R.Huppmann, H.W. Lohoff, H.F. Schroder, Fresenius J. (1996). Cyclic siloxanes in the biological waste water treatment process- Determination, quantification and possibilities of elimination, Anal.Chem. 354 (66-71).
[2] Determination of Low Molecular Weight Silicones in Plasma and Blood of Women after Exposure to Silicone Breast Implants by GC-MS, Anal Chem., 2001, 73, 606-61 1.
[3] J. Reina. et al (Nov. 2002). Plant for biogas treatment for its use as biofuel. 9° Congreso Mediterráneo de Ingeniería Química. Barcelona- España.
[4] J. Reina. Humedad y siloxanos en el biogás generado en vertederos y depuradoras. Info enviro. Octubre 2006.
[5] J. Reina. Biolimp-Siloxa. Planta multipropósito para la limpieza del biogás. Infoenviro. Julio/agosto 2008.
[6] Estrella Jara. (Abril. 1999). La lubricación de motores a biogás.. Mobil Oil S.A. Infopower.
[7] M. Constant, H. Naveau, G.-L. Ferrero and E.-J. Nyns. Biogas end-use in the European community. Commission of the European communities. Elsevier applied science.
[8] Estibaliz. A, José. I. Ciria. (2004). Siloxanos en motores de gas. Boletín mensual sobre lubricación y mantenimiento.
[9] Jeffrey L. Pierce, PE. Vice President SCS Energy Long Beach, California. SILOXANE QUANTIFICATION, REMOVAL AND IMPACT ON LANDFILL GAS UTILIZATION FACILITIES. 8TH ANNUAL MOP CONFERENCE AND PROJECT EXPO. January 10-11, 2005. Baltimore, Maryland
[10] Dr. Robert Eden. SHOULD WE BE CONCERNED ABOUT LANDFILL GAS. http://www.organic.com.
[11] Dr. Joaquín Reina. Técnicas de Tratamiento del Biogás. http://www.ewtech-ing.com
[12] Biogás, parámetros comunes. Especialidad Siloxanos. Ingeniería analítica. S.l. Cromatografía y espectrometría.