Trattamento del biogas

Cos’è il biogas?

Il biogas è un combustibile che si genera con la degradazione della materia organica.

È molto comune che si produca in luoghi come le discariche, che accumulano grandi quantità di rifiuti solidi che subiscono processi di decomposizione.

Questo biogas non può essere emesso nell’atmosfera, poiché contiene un altissimo percentuale di metano, che è un gas altamente infiammabile e che può anche provocare soffocamento. D’altra parte, il biogas tende a generare problemi di odori.

La gestione del biogas si concentra su 2 grandi alternative:

• Eliminazione: esistono torce destinate a bruciare il biogas ed evitare così la sua emissione nell’atmosfera
• Valorizzazione energetica (trattamento e riutilizzo): il biogas deve essere captato e sottoposto a un trattamento, dopo il quale può essere sfruttato per generare energia elettrica, sfruttando così la sua capacità di generare energia elettrica. Tale energia può essere riutilizzata nella stessa discarica o immessa nella rete di distribuzione elettrica se si riesce a generare la quantità sufficiente. In questo modo riusciamo a riutilizzare risorse naturali e generare risparmi economici.

Valorizzazione energetica del biogas

Attualmente la produzione di biogas come risultato della valorizzazione energetica dei rifiuti con materia organica biodegradabile è in costante crescita.

È una fonte di energia rinnovabile che può essere utilizzata per produrre energia elettrica e termica mediante motori di cogenerazione o microturbine, può essere condizionata per il suo uso nelle celle a combustibile e può persino essere purificata per essere utilizzata come combustibile per veicoli e persino per l’immissione nella rete di gas naturale.

Quindi, la valorizzazione energetica permette, oltre a dare una soluzione ambientalmente soddisfacente ai rifiuti, di ottenere un rendimento economico che riduca i costi di gestione delle altre installazioni.

L’utilizzo del biogas per l’ottenimento di energia è dovuto al suo elevato contenuto di metano (CH4).

Una composizione tipica del biogas potrebbe essere:

• Metano (CH4): 55-70%
• Anidride carbonica (CO2): 30-45%
• Idrogeno (H): 1-3%
• Azoto (N): 0,5-3%
• Acido solfidrico (H2S): 0,1-0,2%
• Tracce di vapore acqueo

Tuttavia, la composizione concreta dipenderà dal substrato da cui si ottiene il biogas (acque reflue, discariche, rifiuti agricoli e zootecnici, sottoprodotti carbonatici dell’industria, ecc.), così come dai parametri del processo di digestione (temperatura, pH, tempo di residenza, ecc.).

Talvolta, in base alla sua origine, il biogas contiene elevate concentrazioni di inquinanti che ne impediscono l’utilizzo se non vengono eliminati preventivamente. Questi inquinanti sono principalmente:

• Acido solfidrico (H2S): si forma per riduzione biologica dei solfati in condizioni anaerobiche.
• Silossani: famiglia di composti contenenti silicio che provengono dall’uso di cosmetici e siliconi.

In base al tipo di utilizzo del biogas che si desidera realizzare, sarà necessario eliminare qualche inquinante, se non tutti. Nella tabella sono mostrati le sostanze, sia inquinanti che proprie della composizione abituale del biogas, che devono essere eliminate in base all’applicazione del biogas.

Come si può dedurre dalla tabella, il trattamento del biogas sarà specifico in base al tipo di utilizzo che si desidera realizzare e agli inquinanti presenti. Quindi, mediante diverse tecniche consolidate ed efficienti, si può effettuare il trattamento più conveniente del biogas in modo che esso si adatti alle condizioni necessarie per il suo uso successivo.

Tecniche di purificazione del biogas in base all’inquinante

Di seguito si analizza per ogni tipo di inquinante quando deve essere eliminato e quale tecnica è la più conveniente:

Acido solfidrico (H2S)

Si tratta di un composto molto odoroso, tossico e corrosivo. Inoltre, la sua combustione genera SO2, che è uno dei principali responsabili del fenomeno delle piogge acide.

Tecniche impiegate

• Desolforazione biologica: è la tecnica più competitiva anche quando il carico è elevato, per la sua elevata efficienza e i bassi costi di gestione.
• Controlavaggio con acqua a pressione: Assorbimento in acqua basato sulla differenza di polarità.
• Lavaggio chimico mediante scrubber: si usa come alternativa biologica. È una tecnica efficiente ma non così economica e si impiegano prodotti chimici.
• Dosaggio di sali ferrici nel digestore: permette di attenuare la formazione di questo inquinante, per precipitazione del solfuro (riducendo la formazione di solfidrico)

Anidride carbonica (CO2)

Non si tratta di un inquinante proprio del biogas, poiché è innocuo per la maggior parte delle applicazioni. Tuttavia, deve essere separato quando si desidera disporre di metano concentrato, sia per il suo uso come combustibile per automobili sia per la sua immissione nella rete di gas naturale.

Tecniche impiegate

• Controlavaggio con acqua a pressione: Assorbimento in acqua basato sulla differenza di polarità. Sia il CO2 che l’H2S vengono trattenuti mentre il metano no, a causa delle differenze di polarità tra le prime due molecole e il metano, che è abbastanza apolare. La solubilità del CO2 in acqua dipende dalla pressione, dalla temperatura e dal pH. Per eliminare completamente il CO2, questa fase può essere completata con una precipitazione con Ca(OH)2 di H2S e CO2, ottenendo CaCO3 e CaS.

Acqua (H2O)

All’uscita del digestore il biogas è saturo di vapore acqueo e per la maggior parte delle applicazioni sarà necessario asciugarlo. Per questo si può raffreddare la tubazione e raccogliere l’acqua.

Tecniche impiegate

• Raffreddamento: Si raffredda la tubazione permettendo di raccogliere l’acqua condensata. Se si desidera un’eliminazione totale del vapore acqueo, si può assorbire mediante un agente essiccante come gel di silice o Al2O3.

Silossani

Si tratta di una famiglia di composti di silicio che sono in forma di vapore nel biogas. In parte cristallizzano formando silice che causa una grande abrasione negli impianti meccanici. Si separano dal biogas mediante adsorbimento con carbone attivo.

Tecniche impiegate:

• Adsorbimento con carbone attivo: con questa tecnica si ottiene un’elevata efficienza che permette di ridurre questi composti a ppb(v).

BTEX, idrocarburi e composti alogenati

Nei filtri a carbone attivo vengono anche adsorbiti quelli che il biogas può contenere.

Quando si desidera metano con un potere calorifico inferiore (PCI) simile a quello del gas naturale, esiste un’alternativa di purificazione consistente nella filtrazione a membrana.

Il gas da purificare fluisce attraverso una membrana selettiva e in base alla diversa permeabilità della membrana ai diversi composti, questi permeano e il metano si arricchisce.

Il design della membrana è il più adatto per la separazione selettiva di diversi gas, principalmente CO2 e metano. La purificazione è efficace, anche se c’è una certa perdita di metano insieme al CO2 separato, oltre al fatto che sono sistemi costosi.

Arricchimento del biogas o “biogas upgrading”

Tra le diverse tecnologie impiegate per il trattamento del biogas, possiamo evidenziare il controlavaggio con acqua a pressione.

Questa tecnologia è la più flessibile possibile per il trattamento del biogas, indipendentemente dalla sua qualità e quantità. Viene impiegata per arricchire il biogas alla qualità del gas naturale, permettendo il suo riutilizzo nelle stesse installazioni o la sua connessione alla rete di fornitura del gas naturale.

Mediante la sua applicazione si separano con grande efficacia il CO2 e il solfuro di idrogeno in un solo passaggio e con un processo completamente automatizzato.

I principali vantaggi ottenuti sono:

• Le centrali sono realizzate in moduli standard con diverse capacità e di facile implementazione.
• Il CO2 viene eliminato dal biogas attraverso la tecnologia di depurazione con acqua a pressione.
• Non si consumano prodotti chimici.
• Non è richiesta una desolforazione preventiva.
• Non c’è richiesta di calore.
• Efficienza di recupero del metano del 99%.
• Grande flessibilità di fronte a variazioni del contenuto di CH4.
• Energia verde.

Processo del controlavaggio con acqua a pressione

Il biogas viene compresso fino a circa 7 bar e poi lavato in un flusso a controcorrente d’acqua in una colonna di lavaggio. L’anidride carbonica e il solfuro di idrogeno hanno una solubilità in acqua molto maggiore del metano e si dissolveranno in essa.

Per ridurre la perdita di metano nel processo, l’acqua di lavaggio viene trasferita a un serbatoio di espansione. Una parte dei gas disciolti si rigasifica e può essere nuovamente compressa.

In una colonna di desorbimento, l’acqua di lavaggio viene rigenerata separandola dall’anidride carbonica e dal solfuro di idrogeno in un flusso d’aria a controcorrente per ridurre così al minimo il consumo di acqua fresca.

Dopo questo processo otteniamo tre risultati:

1. L’acqua di lavaggio, che viene raffreddata a bassa temperatura per poter essere riutilizzata dal lavatore.
2. Il biogas, ormai pulito, che viene asciugato (prima in un filtro coalescente e poi in due colonne di adsorbimento in parallelo a punti di rugiada bassi) e può già essere riutilizzato.
3. L’aria proveniente dalla colonna di desorbimento, che è carica di anidride carbonica, solfuro di idrogeno e tracce di metano, quindi deve essere trattata prima di essere emessa per rispettare la normativa vigente.

L’ossidazione termica rigenerativa (RTO) è la migliore tecnologia per raggiungere i valori di emissione conformi alla normativa di ogni paese.

Questi sistemi si caratterizzano per includere dispositivi, chiamati rigeneratori, che recuperano il calore dei gas depurati.

Questi rigeneratori sono elementi in materiale ceramico che accumulano il calore dei gas che escono dalla camera di ossidazione. Mediante un sistema di valvole si stabiliscono cicli di funzionamento consecutivi per cui i gas depurati, che sono a una temperatura elevata (circa 800º C), cedono il loro calore alle masse ceramiche affinché i gas contaminati, che entrano freddi nell’impianto, prendano da esse questo calore nel ciclo successivo.

In questo modo, questo letto inerte che agisce come preriscaldatore e recuperatore a seconda del flusso d’aria che lo attraversa, permette di recuperare fino al 95% del calore prodotto nella reazione di ossidazione, rendendo possibile ridurre drasticamente i costi di gestione di questo tipo di impianti.

Possiamo trovare diversi apparecchi RTO:

• Due camere (con o senza camera di compensazione).
• Tre camere.
• Più di 3 camere per elevati flussi da trattare.

Le caratteristiche principali di questi apparecchi sono:

• Consumo minimo di combustibile con efficienze di recupero del calore molto elevate.
• Bassi costi di gestione e manutenzione.
• Alta efficacia di depurazione.
• Lunga vita utile dell’apparecchio.
• Apparecchio affidabile con risultati altamente comprovati.

Usi del biogas

La maggior parte degli impianti di biogas è equipaggiata con installazioni di cogenerazione che producono elettricità e calore. A volte non si può utilizzare l’eccesso di calore e quindi non si ottimizza il risultato degli impianti di digestione anaerobica. In questi casi l’alternativa è la produzione di biometano che offre interessanti varianti economiche.

Mediante le tecnologie di arricchimento del biogas si elimina il CO2 dal biogas in modo molto efficiente e si produce biometano con una qualità equivalente a quella del gas naturale (CH4 97-99%). Va sottolineato che il biometano è un gas rinnovabile di elevata qualità, che può essere immesso direttamente nelle reti esistenti di gas naturale.

Alcuni dei suoi usi sono:

• Combustione in impianti lontani dalla produzione (ciclo combinato).
• Biogas per il consumo diretto nelle abitazioni o nell’industria.
• Biocarburante per veicoli.