Tractament del biogàs

Què és el biogàs?

El biogàs és un combustible que es genera amb la degradació de la matèria orgànica.

És molt habitual que es produeixi en llocs com abocadors, que acumulen grans quantitats de residus sòlids que pateixen processos de descomposició.

Aquest biogàs no pot ser emès a l’atmosfera, ja que conté un elevadíssim percentatge de metà, que és un gas altament inflamable i que també pot provocar asfíxia. D’altra banda, el biogàs acostuma a generar problemes d’olors.

La gestió del biogàs se centra en 2 grans alternatives:

• Eliminació: existeixen antorxes destinades a cremar el biogàs i evitar així la seva emissió a l’atmosfera
• Valorització energètica (tractament i reutilització): el biogàs ha de ser captat i sotmès a un tractament, després del qual pot ser aprofitat per generar energia elèctrica, aprofitant així la seva capacitat per generar energia elèctrica. Aquesta energia pot ser reutilitzada a l’abocador mateix o incorporada a la xarxa de distribució elèctrica si s’aconsegueix generar la quantitat suficient. D’aquesta manera aconseguim reaprofitar recursos naturals i generar estalvis econòmics.

Valorització energètica del biogàs

Actualment la producció de biogàs com a resultat de la valorització energètica dels residus amb matèria orgànica biodegradable, està en constant creixement.

És una font d’energia renovable que es pot utilitzar per produir energia elèctrica i energia tèrmica mitjançant motors de cogeneració o microturbines, es pot condicionar per al seu ús a les piles de combustible i fins i tot es pot purificar per utilitzar-se com a combustible per a vehicles i fins i tot per a la seva injecció a la xarxa de gas natural.

Així doncs, la valorització energètica permet a més de donar una sortida ambientalment satisfactòria als residus, obtenir un rendiment econòmic que redueixi els costos d’explotació de la resta d’instal·lacions.

La utilització del biogàs per a l’obtenció d’energia es deu al seu elevat contingut en metà (CH4).

Una composició típica del biogàs podria ser:

• Metà (CH4): 55-70%
• Diòxid de carboni (CO2): 30-45%
• Hidrogen (H): 1-3%
• Nitrogen (N): 0,5-3%
• Àcid sulfhídric (H2S): 0,1-0,2%
• Traces de vapor d’aigua

No obstant això, la composició concreta dependrà del substrat a partir del qual s’obté el biogàs (aigües residuals, abocadors, residus agrícoles i ramaders, subproductes carbonatats de la indústria, etc.), així com dels paràmetres del procés de digestió (temperatura, pH, temps de residència, etc.).

En ocasions, en funció del seu origen, el biogàs conté elevades concentracions de contaminants que impedeixen el seu aprofitament si no són eliminats prèviament. Aquests contaminants, principalment, són:

• Àcid sulfhídric (H2S): es forma per reducció biològica dels sulfats en condicions anaeròbies.
• Siloxans: família de compostos que contenen silici i que procedeixen de l’ús dels cosmètics i de les siliconas.

En funció del tipus d’aprofitament del biogàs que es desitgi realitzar, s’haurà d’eliminar algun contaminant, si no tots. A la taula es mostren les substàncies, tant contaminants com substàncies pròpies de la composició habitual del biogàs, que han de ser eliminades en funció de l’aplicació del biogàs.

Tal com es pot deduir de la taula, el tractament del biogàs serà específic en funció del tipus d’aprofitament que es desitgi realitzar i dels contaminants presents. Així doncs, mitjançant diferents tècniques, consolidades i eficients, es pot realitzar el tractament més convenient del biogàs de manera que aquest s’adeqüi a les condicions necessàries per al seu ús posterior.

Tècniques de purificació de biogàs segons contaminant

A continuació, s’analitza per a cada tipus de contaminant quan s’ha d’eliminar i quina tècnica és la més convenient:

Àcid sulfhídric (H2S)

Es tracta d’un compost molt olorós, tòxic i corrosiu. A més, la seva combustió genera SO2, el qual és un dels causants principals del fenomen de la pluja àcida.

Tècniques emprades

• Desulfuració biològica: és la tècnica més competitiva fins i tot quan la càrrega és elevada, per la seva elevada eficiència i els seus baixos costos d’explotació.
• Contrallavat amb aigua a pressió: Absorció en aigua que es basa en la diferència de polaritat.
• Rentat químic mitjançant scrubbers: s’empra com a alternativa biològica. És una tècnica eficient però no tan econòmica com aquesta i s’empren productes químics.
• Dosi de sals fèrriques al digestor: permet atenuar la formació d’aquest contaminant, per precipitació del sulfur (reduint la formació del sulfhídric)

Diòxid de Carboni (CO2)

No es tracta d’un contaminant propi del biogàs, ja que és inocu per a la majoria d’aplicacions. Tanmateix, aquest ha de ser separat quan interessa disposar de metà concentrat, bé per al seu ús com a combustible per a automòbils o bé per a la seva injecció a la xarxa de gas natural.

Tècniques emprades

• Contrallavat amb aigua a pressió: Absorció en aigua que es basa en la diferència de polaritat. Tant el CO2 com el H2S queden retinguts mentre que el metà no, a causa de les diferències de polaritat entre les dues primeres molècules i la del metà, que és força apolar. La solubilitat del CO2 en aigua depèn de la pressió, de la temperatura i del pH. Per acabar d’eliminar completament el CO2, aquesta etapa pot ser complementada amb una precipitació amb Ca(OH)2 del H2S i del CO2, obtenint CaCO3 i CaS.

Aigua (H2O)

A la sortida del digestor el biogàs està saturat de vapor d’aigua i per a la majoria d’aplicacions serà necessari assecar-lo. Per això, es pot refrigerar la canonada i l’aigua es recull.

Tècniques emprades

• Refrigeració: Es refreda la canonada cosa que permet recollir l’aigua condensada. Si es desitja una eliminació total del vapor d’aigua, es pot absorbir mitjançant un agent dessecant com sílica gel o Al2O3.

Siloxans

Es tracta d’una família de compostos de silici els quals estan en forma de vapor al biogàs. En part cristal·litzen formant sílice que causa una gran abrasió en els equips mecànics. Es separen del biogàs mitjançant adsorció amb carbó actiu.

Tècniques emprades:

• Adsorció amb carbó actiu: amb aquesta tècnica s’obté una elevada eficiència que permet reduir aquests compostos a ppb(v).

BTEX, hidrocarburs i compostos halogenats

En els filtres de carbó actiu també queden adsorbides les substàncies que pugui contenir el biogàs.

Quan es desitja metà amb un poder calorífic (PCI) similar al del gas natural, existeix una alternativa de purificació consistent en la filtració per membrana.

El gas a purificar flueix a través d’una membrana selectiva i en funció de la diferent permeabilitat de la membrana als diferents compostos, aquests van permeant i el metà s’enriqueix.

El disseny de la membrana és el més adequat per a la separació selectiva de diferents gasos, principalment CO2 i metà. La purificació és efectiva, tot i que existeix certa pèrdua de metà juntament amb el CO2 separat, a més que són sistemes cars.

Enriquiment de biogàs o “biogas upgrading”

De les diferents tecnologies emprades per al tractament del biogàs, podem destacar el contrallavat amb aigua a pressió.

Aquesta tecnologia és la de major flexibilitat possible per al tractament del biogàs, independentment de la seva qualitat i quantitat. S’empra per enriquir el biogàs a la qualitat del gas natural, permetent la seva reutilització a les pròpies instal·lacions o la seva connexió a la xarxa de subministrament de gas natural.

Mitjançant la seva aplicació es separen amb gran eficàcia el CO2 i el sulfur d’hidrogen en un sol pas i amb un procés completament automatitzat.

Les principals avantatges que s’obtenen són:

• Les plantes es realitzen en mòduls estàndard amb diferents capacitats i de fàcil implementació.
• El CO2 s’elimina del biogàs a través de la tecnologia de depuració per aigua a pressió.
• No es consumeixen productes químics.
• No es requereix desulfuració prèvia.
• No hi ha demanda de calor.
• Eficàcia de recuperació de metà del 99%.
• Gran flexibilitat davant variacions de contingut de CH4.
• Energia verda.

Procés del contrallavat amb aigua a pressió

El biogàs es comprimeix fins a uns 7 bars i després es renta en un flux a contracorrent d’aigua en una columna de rentat. El diòxid de carboni i el sulfur d’hidrogen tenen una solubilitat en aigua molt més gran que el metà i es dissolen en ella.

Per reduir la pèrdua de metà en el procés l’aigua de rentat es transfereix a un dipòsit d’expansió. Una part dels gasos dissolts es regasifica i poden ser de nou comprimits.

En una columna de desorció, l’aigua de rentat es regenera separant-la del diòxid de carboni i el sulfur d’hidrogen en un flux d’aire a contracorrent per reduir d’aquesta manera al mínim el consum d’aigua fresca.

Després d’aquest procés obtenim tres resultats:

1. L’aigua de rentat, que es refreda a baixa temperatura perquè pugui ser reutilitzada pel rentador.
2. El biogàs, ja net, que s’asseca (primer en un filtre coalescent i després en dues columnes d’adsorció en paral·lel als punts de rosada baixos) i ja pot ser reaprofitat.
3. L’aire provinent de la columna de desorció, que està carregat de diòxid de carboni, sulfur d’hidrogen i traces de metà, per la qual cosa ha de ser tractat abans de ser emès per complir amb la normativa vigent.

L’oxidació tèrmica regenerativa (RTO) és la millor tecnologia per assolir els valors d’emissió que s’adaptin a la normativa de cada país.

Aquests sistemes es caracteritzen per incloure dispositius, anomenats regeneradors, que recuperen la calor dels gasos depurats.

Aquests regeneradors són uns elements de material ceràmic que acumulen la calor dels gasos que surten de la cambra d’oxidació. Mitjançant un sistema de vàlvules s’estableixen cicles de funcionament consecutius pels quals els gasos depurats, que estan a una temperatura elevada (uns 800º C.), cedeixen la seva calor a les masses ceràmiques perquè els gasos contaminats, que entren freds a la instal·lació, prenguin d’aquestes aquesta calor en el cicle següent.

D’aquesta manera, aquest llit inert que actua com a precalentador i recuperador depenent del flux d’aire que el travessa, permet recuperar fins al 95% de la calor produïda en la reacció d’oxidació, per la qual cosa és possible reduir dràsticament les despeses d’explotació d’aquest tipus de plantes.

Podem trobar diferents equips de RTO:

• Dues cambres (amb o sense cambra de compensació).
• Tres cambres.
• Més de 3 cambres per a elevats fluxos a tractar.

Les característiques principals d’aquests equips són:

• Consum mínim de combustible amb eficàcies de recuperació de calor molt elevades.
• Costos d’explotació i manteniment baixos.
• Alta eficàcia de depuració.
• Larga vida útil de l’equip.
• Equip fiable amb resultats altament provats.

Usos del biogàs

La majoria de les plantes de biogàs estan equipades amb instal·lacions de cogeneració que produeixen electricitat i calor. Algunes vegades no es pot utilitzar l’excés de calor i per tant no s’optimitza el resultat de les plantes de DA. En aquests casos l’alternativa és la producció de biometà que ofereix variants econòmiques interessants.

Mitjançant les tecnologies d’enriquiment del biogàs s’elimina el CO2 del biogàs de forma molt eficient i es produeix biometà amb una qualitat equivalent a la del gas natural (CH4 97-99%). Cal destacar que el biometà és un gas renovable d’elevada qualitat, que es pot injectar directament a les existents de gas natural.

Alguns dels seus usos són:

• Combustió en instal·lacions allunyades de la producció (cicle combinat).
• Biogàs per al consum directe a les llars o indústria.
• Biocombustible per a vehicles.