Tratamiento del biogás

¿Qué es el biogás?

El biogás es un combustible que se genera con la degradación de la materia orgánica.

Es muy habitual que se produzca en lugares como vertederos, que acumulan grandes cantidades de residuos sólidos que sufren procesos de descomposición.

Este biogás no puede ser emitido a la atmósfera, ya que contiene un elevadísimo porcentaje de metano, que es un gas altamente inflamable y que también puede provocar asfixia. Por otra parte, el biogás acostumbra a generar problemas de olores.

La gestión del biogás se centra en 2 grandes alternativas:

• Eliminación: existen antorchas destinadas a quemar el biogás y evitar así su emisión a la atmósfera
• Valorización energética (tratamiento y reutilización): el biogás ha de ser captado y sometido a un tratamiento, tras el cual puede ser aprovechado para generar energía eléctrica, aprovechando así su capacidad para generar energía eléctrica. Dicha energía puede ser reutilizada en el propio vertedero o incorporada a la red de distribución eléctrica si se consigue generar la cantidad suficiente. De esta forma conseguimos reaprovechar recursos naturales y generar ahorros económicos.

Valorización energética del biogás

Actualmente la producción de biogás como resultado de la valorización energética de los residuos con materia orgánica biodegradable, está en constante crecimiento.

Es una fuente de energía renovable que se puede utilizar para producir energía eléctrica y energía térmica mediante motores de cogestión o microturbinas, se puede acondicionar para su uso en las pilas de combustible e incluso se puede purificar para utilizarse como combustible para vehículos e inclusive para su inyección en la red de gas natural.

Así pues, la valorización energética permite además de dar una salida ambientalmente satisfactoria a los residuos, obtener un rendimiento económico que reduzca los costes de explotación del resto de instalaciones.

La utilización del biogás para la obtención de energía se debe a su elevado contenido en metano (CH4).

Una composición típica del biogás podría ser:

• Metano (CH4): 55-70%
• Dióxido de carbono (CO2): 30-45%
• Hidrógeno (H): 1-3%
• Nitrógeno (N): 0,5-3%
• Ácido sulfhídrico (H2S): 0,1-0,2%
• Trazas de vapor de agua

No obstante, la composición concreta dependerá del sustrato a partir del cual se obtiene el biogás (aguas residuales, vertederos, residuos agrícolas y ganaderos, subproductos carbonatados de la industria, etc.), así como de los parámetros del proceso de digestión (temperatura, pH, tiempo de residencia, etc.).

En ocasiones, en función de su origen, el biogás contiene elevadas concentraciones de contaminantes que impiden su aprovechamiento si no son eliminados previamente. Estos contaminantes, principalmente, son:

• Ácido sulfhídrico (H2S): se forma por reducción biológica de los sulfatos en condiciones anaerobias.
• Siloxanos: familia de compuestos que contienen silicio y que proceden del uso de los cosméticos y de las siliconas.

En función del tipo de aprovechamiento del biogás que se desee realizar, se deberá eliminar algún contaminante, si no todos. En la tabla se muestran las sustancias, tanto contaminantes como sustancias propias de la composición habitual de biogás, que deben ser eliminadas en función de la aplicación del biogás.

Tal y como se puede deducir de la tabla, el tratamiento del biogás será específico en función del tipo de aprovechamiento que se desee realizar y de los contaminantes presentes. Así pues, mediante diferentes técnicas, consolidadas y eficientes, se puede realizar el tratamiento más conveniente del biogás de manera que éste se adecúe a las condiciones necesarias para su uso posterior.

Técnicas de purificación de biogás según contaminante

A continuación, se analiza para cada tipo de contaminante cuándo se debe eliminar y qué técnica es la más conveniente:

Ácido sulfhídrico (H2S)

Se trata de un compuesto muy oloroso, tóxico y corrosivo. Además, su combustión genera SO2, el cual es uno de los causantes principales del fenómeno de la lluvia ácida.

Técnicas empleadas

• Desulfuración biológica: es la técnica más competitiva incluso cuando la carga es elevada, por su elevada eficiencia y sus bajos costes de explotación.
• Contralavado con agua a presión: Absorción en agua que se basa en la diferencia de polaridad.
• Lavado químico mediante scrubbers: se emplea como alternativa biológica. Es una técnica eficiente pero no tan económica como ésta y se emplean productos químicos.
• Dosificación de sales férricas en el digestor: permite atenuar la formación de este contaminante, por precipitación del sulfuro (reduciendo la formación del sulfhídrico)

Dióxido de Carbono (CO2)

No se trata de un contaminante propio del biogás, puesto que es inocuo para la mayoría de aplicaciones. Sin embargo, éste debe ser separado cuando interesa disponer de metano concentrado, bien para su uso como combustible para automóviles o bien para su inyección en la red de gas natural.

Técnicas empleadas

• Contralavado con agua a presión: Absorción en agua que se basa en la diferencia de polaridad. Tanto el CO2 como el H2S quedan retenidos mientras que el metano no, debido a las diferencias de polaridad entre las dos primeras moléculas y la de metano, que es bastante apolar.La solubilidad del CO2 en agua depende de la presión, de la temperatura y del pH.Para acabar de eliminar completamente el CO2, esta etapa puede ser complementada con una precipitación con Ca(OH)2 del H2S y del CO2, obteniendo CaCO3 y CaS.

Agua (H2O)

A la salida del digestor el biogás está saturado de vapor de agua y para la mayoría de aplicaciones será necesario secarlo. Para ello, se puede refrigerar la tubería y el agua se recoge.

Técnicas empleadas

• Refrigeración: Se enfría la tubería lo que permite recoger el agua condensada. Si se desea una eliminación total del vapor de agua, se puede absorber mediante un agente desecante como sílica gel o Al2O3.

Siloxanos

Se trata de una familia de compuestos de silicio los cuales están en forma de vapor en el biogás. En parte cristalizan formando sílice que causa una gran abrasión en los equipos mecánicos. Se separan del biogás mediante adsorción con carbón activo.

Técnicas empleadas:

• Adsorción con carbón activo: con esta técnica se obtiene una elevada eficiencia que permite reducir estos compuestos a ppb(v).

BTEX, hidrocarburos y compuestos halogenados

En los filtros de carbón activo también quedan adsorbidos los que pueda contener el biogás.

Cuando se desea metano con un poder calorífico (PCI) similar al del gas natural, existe una alternativa de purificación consistente en la filtración por membrana.

El gas a purificar fluye a través de una membrana selectiva y en función de la diferente permeabilidad de la membrana a los distintos compuestos, éstos van permeando y el metano se va enriqueciendo.

El diseño de la membrana es el más adecuado para la separación selectiva de diferentes gases, principalmente CO2 y metano. La purificación es efectiva, aunque existe cierta pérdida de metano junto al CO2 separado, además de que son sistemas caros.

Enriquecimiento de biogás o “biogas upgrading”

De las diferentes tecnologías empleadas para el tratamiento del biogás, podemos destacar el contralavado con agua a presión.

Esta tecnología es la de mayor flexibilidad posible para el tratamiento del biogás, independientemente de su calidad y cantidad. Se emplea para enriquecer el biogás a la calidad del gas natural, permitiendo su reutilización en las propias instalaciones o su conexión a la red de suministro de gas natural.

Mediante su aplicación se separan con gran eficacia el CO2 y el sulfuro de hidrógeno en un solo paso y con un proceso completamente automatizado.

Las principales ventajas que se obtienen son:

• Las plantas se realizan en módulos estándar con diferentes capacidades y de fácil implementación.
• El CO2 se elimina del biogás a través de la tecnología de depuración por agua a presión.
• No se consumen productos químicos.
• No se requiere desulfuración previa.
• No hay demanda de calor.
• Eficiencia de recuperación de metano del 99%.
• Gran flexibilidad frente a variaciones de contenido de CH4.
• Energía verde.

Proceso del contralavado con agua a presión

El biogás se comprime hasta unos 7 bares y luego se lava en un flujo a contracorriente de agua en una columna de lavado. El dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno tienen una solubilidad en agua mucho mayor que el metano y se disolverán en ella.

Para reducir la pérdida de metano en el proceso el agua de lavado se transfiere a un tanque de expansión. Una parte de los gases disueltos se regasifica y pueden ser de nuevo comprimidos.

En una columna de desorción, el agua de lavado se regenera separándola del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno en un flujo de aire a contracorriente para reducir de esta forma al mínimo el consumo de agua fresca.

Tras este proceso obtenemos tres resultados:

1. El agua de lavado, que se enfría a baja temperatura para que pueda ser reutilizada por el lavador.
2. El biogás, ya limpio, que se seca (primero en un filtro coalescente y luego en dos columnas de adsorción en paralelo a los puntos de rocío bajos) y ya puede ser reaprovechado.
3. El aire proveniente de la columna de desorción, que está cargado de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y trazas de metano, por lo que debe de ser tratado antes de ser emitido para cumplir con la normativa vigente.

La oxidación térmica regenerativa (RTO) es la mejor tecnología para alcanzar los valores de emisión que se adapten a la normativa de cada país.

Estos sistemas se caracterizan por incluir dispositivos, llamados regeneradores, que recuperan el calor de los gases depurados.

Estos regeneradores son unos elementos de material cerámico que acumulan el calor de los gases que salen de la cámara de oxidación. Mediante un sistema de válvulas se establecen ciclos de funcionamiento consecutivos por los cuales los gases depurados, que están a una temperatura elevada (unos 800º C.), ceden su calor a las masas cerámicas para que los gases contaminados, que entran fríos a la instalación, tomen de ellas este calor en el ciclo siguiente.

De esta forma, este lecho inerte que actúa como precalentador y recuperador dependiendo del flujo de aire que lo cruza, permite recuperar hasta el 95% del calor producido en la reacción de oxidación, por lo que es posible reducir drásticamente los gastos de explotación de este tipo de plantas.

Podemos encontrar diferentes equipos de RTO:

• Dos cámaras (con o sin cámara de compensación).
• Tres cámaras.
• Más de 3 cámaras para elevados flujos a tratar.

Las características principales de estos equipos son:

• Mínimo consumo de combustible con eficacias de recuperación de calor muy elevadas.
• Costes de explotación y mantenimiento bajos.
• Alta eficacia de depuración.
• Larga vida útil del equipo.
• Equipo fiable con resultados altamente probados.

Usos del biogás

La mayoría de las plantas de biogás están equipadas con instalaciones de cogeneración que producen electricidad y calor. Algunas veces no se puede utilizar el exceso de calor y por tanto no se optimiza el resultado de las plantas de DA. En estos casos la alternativa es la producción de biometano que ofrece interesantes variantes económicas.

Mediante las tecnologías de enriquecimiento del biogás se elimina el CO2 del biogás de forma muy eficiente y se produce biometano con una calidad equivalente a la del gas natural (CH4 97-99%). Cabe destacar que el biometano es un gas renovable de elevada calidad, que se puede inyectar directamente en las existentes de gas natural.

Algunos de sus usos son:

• Combustión en instalaciones alejadas de la producción (ciclo combinado).
• Biogás para el consumo directo en los hogares o industria.
• Biocombustible para vehículos.