Limpieza del biogás. Eliminación del vapor de agua
Secado del biogás.
Eliminación del vapor de agua (H2Ovap)
Humedad en el biogás.
Origen, Efectos y Tratamientos.
Origen.
En el proceso de producción del biogás, el agua forma parte intrínseca, tanto del material a digerir (biomasa), como del propio proceso, medio en el cual se desarrolla la de producción del biogás, independientemente si el proceso de digestión es seco o húmedo el biogás que se produce contendrá vapor de agua. La cantidad de vapor de agua contenido en el biogás generado en el digestor es un función de la temperatura a la cual se desarrolla el proceso de digestión anaerobio: psicrófilo, mesofílico y termofílico y de la presión a la cual se encuentra en el digestor (reactor).
El biogás en el digestor se encuentra saturado en vapor de agua. En general la humedad absoluta del biogás se mueve en una rango comprendido entre 2.5 a 7 % de su volumen a temperatura ambiente.
La figura 1 muestra la curva típica de producción del biogás en función de la temperatura y tipo de proceso, así como, la cantidad de vapor de H2O que contiene dicho biogás a la temperatura del proceso por cada Nm3 de biogás.
Este vapor de agua que contiene el biogás posee cierto
grado de acides que se debe, por un lado, al contacto intimo con
gases ácido como el H2S, CO2 y ácido orgánicos
volátiles (AGV) presentes en el biogás y, por otro, al equilibrio químico y
termodinámico con el sustrato (fase liquida) que le dio origen. Este líquido,
al formar parte del proceso de digestión (etapa acidogénesis donde se producen
diferentes tipos de ácidos orgánicos) al estar en contacto con los mismos eleva
su acides.
Tanto la cantidad de vapor de agua que contiene
el biogás, como su acides son dos aspectos para tener en cuenta en
una instalación de biogás con el fin de evitar daños y
mal funcionamiento de la misma, así como en su posible uso.
Efectos.
Uno de los efectos de la presencia de vapor de agua en
el biogás es que disminuye drásticamente el PCI del biogás, por tal motivo, se
ve afectado el rendimiento energético de los equipos involucrados en su
utilización como biocombustible (motores, turbinas, calderas, etc.) y con ello
la producción de energía.
Las figuras 2 y
3 muestran la interrelación entre la temperatura, el contenido de vapor de agua
en el biogás y su PCI. Y como afecta el contenido de humedad en el
rendimiento energético del motor de combustión (ƞ = 40 %).
Figuras 2. Variación
del PCI del biogás vs temperatura. Figuras 3. Variación de la potencia vs
temperatura del biogás.
Otro de los efectos que produce la presencia de vapor
del agua en el biogás es la formación de condensados debido al enfriamiento que
sufre el flujo de biogás aguas abajo al entrar en contacto con partes frías de
la instalación que se encuentran a la temperatura ambiente. Estos condesados
si no se eliminan, por cualquier medio, se acumulan y producen la
formación de tapones o sellos hidráulicos que obstruyen el transporte del
biogás y en caso de bajas temperaturas puede llegar a congelar formado tapones
de hielo.
La figura 4 muestra la formación de tapones o sellos
hidráulicos que produce la condenación continua del vapor de agua en tuberías
debido a la acumulación de los condesados.
Figuras 4. Muestra la
formación de tapones de condesados debido a la condensación del vapor que tiene
lugar en el transporte del biogás.
Está formación y acumulación de condesado facilita a su vez la formación de ácidos corrosivos como, el ácido sulfhídrico (H2Saq), el cual se produce cuando este entrar en contacto con gases ácidos como el sulfuro de hidrógeno (H2Sg) y el CO2 presentes también en el biogás. Esto por tanto facilita la corrosión y el deterioro de los: sistema de tuberías, maquina de flujo y sistema de generación de energía.
Tratamientos.
La eliminación del vapor de agua, por tanto, se hace
necesaria para evitar la acumulación de condensados en la línea de gas, equipos
y máquinas, y con ello, evitar problemas atascos, formación de ácidos
corrosivos y hielo en caso de bajas temperaturas.
Existen varios métodos de eliminación o reducción del
vapor de agua en el biogás. Estos se pueden clasificar en dos grandes grupos.
Métodos de condensación y métodos de secado. La tabla 1 muestra las
técnicas más comunes a aplicar para la eliminación del vapor de agua en el
biogás según el método que se desee aplicar
La tabla 1 muestra las técnicas de eliminación de vapor agua en el biogás.
Método. Técnica de
condensación
Es una de las operaciones (técnica) más utilizadas y
se basa en el principio de la remoción del condensado por enfriamiento del
biogás debajo del punto de rocío (sobre saturación y parte de saturación). En
este tipo de operación se aprovecha tanto la variación de cantidad de
movimiento que experimenta el flujo de biogás en su transporte
(cambio de dirección y dimensión del flujo), como el diferencial de temperatura
entre el flujo de biogás y la del ambiente que rodea al sistema de tuberías.
Por ello, en la línea del biogás con
frecuencia aparecen a determinadas longitudes equipos como potes de condesados,
trampas de goteo e hidrociclones. Cuando se aprovechan el intercambio térmico
entre el flujo de biogás que circula por la tubería y la temperatura ambiente
está se instala con cierta inclinación y se colocan trampas de
recolección de condensados en el punto más bajo, el condensado que se forma
fluye hacia la parte baja y se recolecta en la trampa de goteo que garantiza su
salida del sistema. Este procedimiento es válido, tanto para tuberías instalada
sobre superficie, como para tuberías soterradas, dónde
el enfriamiento es aún mayor. Una condición para esta operación, con
el fin que el biogás pueda ser enfriado, es que la tubería de gas
sea lo suficientemente larga para producir dicho enfriamiento.
Uno de los cuidados en la aplicación de esta
técnica en países fríos o estaciones invernales prolongadas es evitar, la
congelación del condesados en equipos, tubos, trampas de goteo, y
dispositivos de evacuación del condesados. Por ello, deben de ser
de fácil acceso , su instalación debe ser a prueba de congelación y ser
vaciadas en intervalos regulares.
Método.
Técnica de secado
En general, la deshumidificación del biogás se realiza
por medio de una operación de enfriamiento del gas al ponerlo en contacto con
una superficie fría y posterior remoción del condensado. Para ello, el gas es
conducido a través de un intercambiador de calor del tipo tubo-coraza bañado
con un fluido de enfriamiento por lo general agua
con glicol para evitar la congelación del medio refrigerante cuando
se trabaja a temperaturas por debajo de 0 ºC. En este equipo
el líquido refrigerante fluye en dirección contraria al gas
absorbiendo el calor presente en el biogás y enfriándolo a una
temperatura en el que el vapor de agua contenido en el gas condensa,
lo que permite la remoción del vapor de agua del biogás. Mediante esta técnica
además de vapor de agua, se eliminan también sustancias tales como gases
solubles en agua (H2S y NH3),
diferentes tipos de hidrocarburos, siloxanos del tipo D4 y
D5 siempre y
cuando la temperatura alcanzada en el biogás sea menor de los 4 ºC para este
último caso.
Debido a que en esta operación de condensación suelen
aparecen tres fases es recomendable vincular a este sistema técnicas de
condenación como tanques de condensados y separadores de nieblas que garantizan
una mayor eficacia de remoción del vapor de agua de la corriente del biogás.
El método más utilizado, por la simplicidad en la
operación y por su reducido costo operativo, es el de sistemas de
enfriamiento figura 5.
También se suelen utilizar otras técnicas de secado
para reducir la humedad del biogás antes de su utilización entre
ellas: compresión y/o enfriamiento del biogás, adsorción en
silicagel, tamiz molecular o alúmina activa, o por absorción utilizando
soluciones de glicol o sales higroscópicas. Pero estas técnicas debido a su
complejidad y costes operativos se han visto desplazada por la técnica de
enfriamiento.
Adsorción.
La adsorción es una técnica muy aplicada en
el secado de gases, pues es posible alcanzar alta eficiencia de
secado y con ellos bajos puntos de rocíos como en el caso del Biometano para su uso vehicular requiere punto de
rocío por encima de los -20 ºC, pero para ello se requieren altas
presiones 6 a 10 bar por lo que limita un tanto su uso en al secado del biogás
por su coste operativo. Como material adsorbente se emplean gel de
sílice, el alúmina activa y los tamices moleculares. Los adsorbentes utilizados
se instalan en un lecho fijo y se operan alternadamente a una presión de. Los
materiales de adsorción saturados pueden ser regenerados en caliente o en frío.
Este tipo de técnica de secado se
emplean, por ejemplo, para ajustar el contenido de humedad del Biometano
después del secado por enfriamiento y así garantizar que éste alcance una
calidad equivalente a la del gas natural antes de su inyección en los
gasoductos.
Absorción.
La eliminación de humedad por adsorción es un proceso
físico dónde se suele usar un solvente
higroscopio como el glicol para absorber la humedad del biogás cuando entran en
contacto dentro de una torre de relleno. En esta operación el biogás fluye en
una torre absorbente a contracorriente de una solución de glicol o
trietilenoglicol, con lo que se remueven del gas crudo, tanto el vapor de agua
(humedad), como los hidrocarburos pesados pero dada su complejidad operativa
suele ser poco aplicadas en la actualidad en el biogás..
Secado
por enfriamiento. Caso práctico
La figura 5 muestra la tecnología BTS-Dryer desarrollada por BGasTech para el secado del biogás donde se combinan varios métodos de eliminación de humedad e incluye un sistema de recuperación de energía con lavado del biogás por borboteo con su propio condesado. Con esta tecnología BTS-Dryer no solo se elimina humedad absoluta sino además se reduce la humedad relativa, este grado de reducción está de acuerdo con el diferencial de temperatura de trabajo del equipo. Esto presta interés cuando el biogás seco pasa a una etapa de adsorción en carbón activo.
Figura 5. Tecnología BTS-Dryer. EDAR Molina de Segura-Murcia- Horizontal.
BTS-Dryer. EDAR Alcalá Oeste-Madrid- Vertical. Cortesía de BGasTech
Temperaturas de condensación en un rango de 2 a 4 ºC
son las temperaturas de operación más comunes en estos tipos de equipos lo cual
permite, además de reducir la humedad absoluta, eliminar otros componentes como
los siloxanos de cadena cíclica principalmente los del tipo D4 y
D5. Si el biogás se comprime antes de entrar a la etapa de
enfriamiento aun será mayor su rendimiento de eliminación de humedad se obtiene
debido al aumento de la presión parcial del vapor de agua en la corriente del
biogás.
La tabla 2 muestra los resultados alcanzados en su
aplicación práctica en el secado del biogás en la EDAR Alcalá Oeste-Madrid.
Como se puede observar de la tabal 2 por esta técnica
se puede logar una reducción de la humedad absoluta por debajo del < 1 % y
reducir a su vez otros tipos de componentes indeseables en el biogás.
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Para mayor información.
Biogas & Gases Technologies.
www.bgastech.com
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