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40 Industria Química Julio-agosto 2018

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J. ReinaEnergy & Waste S.L. Grupo Condorchem

D. PorteroCanal Isabel II

Estudio de la influencia de la limpieza del biogás en las prestaciones del sistema de cogeneración Tecnología BTS-Biolimp-MPdry

En el presente trabajo se muestran los resultados de la investigación a escala industrial llevada a cabo en la EDAR Alcalá Oeste de la comunidad de Madrid, propiedad de la entidad Canal Isabel II, al aplicar la tecnología BTS-Biolimp-MPdry, con vistas a demostrar la necesidad de la limpieza del biogás para su uso en la producción de energía con vistas a satisfacer necesidades de las propias entidades. Los resultados demuestran los beneficios que reporta realizar la limpieza de este gas en cuanto a la producción de energía, calidad de sus emisiones y costes operativos.

Palabras clave: Biogás, Limpieza, Contaminantes, Tecnologías, Cogeneración, EDARs.

In the present work the results of the research on an industrial scale carried out in the WWTP Alcalá Oeste of the community of Madrid, owned by the entity Canal Isabel II, are shown, by applying the BTS-Biolimp-MPdry technology, with a view to demonstrate the need to clean up biogas for use in energy production with a view to satisfying the needs of the entities themselves. The results demonstrate the benefits of cleaning this gas in terms of energy production, quality of its emissions and operating costs.

Keywords: Biogas, Cleaning, Pollutants, Technologies, Cogeneration, WWTPs

INTRODUCCIÓNLas EDARs son grandes consumidoras de energía (térmica y eléctrica). Como resultado de la digestión anaerobia de los lodos procedentes del tratamien-to de aguas residuales se obtiene el biogás, que, por su concentración en metano (CH4), constituye un biocom-bustible factible de ser usado para la producción de energía.

La mejor opción para la gestión de este gas, dentro de las EDARs, es su uso en la generación de energía. De esta forma, por un lado, se satisfacen en parte las necesidades energéticas de la EDARs y, por otro lado, se evitan emisiones de gases efectos inverna-deros.

El biogás es una mezcla de gases, formado principalmente por metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), va-por de agua (H2O) y trazas de otros componentes perjudiciales para las maquinas involucradas en su uso. Por

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tanto, para un uso adecuado del bio-gás se requiere reducir su contenido de humedad y separar de él todos estos compuestos perjudiciales en la vida útil de los equipos involucrados en su aprovechamiento como biocom-bustible.

Actualmente el aprovechamiento energético del biogás generado en plantas depuradoras se ve afectado por la aparición de compuestos, tales como los siloxanos y el sulfuro de hi-drogeno (H2S), principalmente, y, en menor medida, por la aparición de hi-drocarburos de diferentes tipos.

Los siloxanos producen daños en los motores, reduciendo la vida útil de los mismos por el efecto abrasivo que producen en las partes interna de estos, debido a la presencia de sílice, mientras que el sulfuro de hidrogeno (H2S) produce corrosión y degradación del aceite de lubricación.

Los sistemas actuales para la elimi-nación de mencionados compuestos utilizan técnicas que poseen por lo general una etapa, básicamente re-lacionada con la deshumidificación o con la adsorción en carbón activado o químico, como, por ejemplo, el lavado con determinados reactivos.

Tanto los siloxanos como los hidro-carburos pertenecen a la familia de los compuestos orgánicos volátiles, conocidos como COVs. Estos COVs, en el argot de limpieza del biogás, se conocen como COVs perjudiciales: por un lado, los halogenados, cuando se oxidan en la cámara de combustión del motor, liberan los átomos de Cl, F o Br para formar ácido que daña las partes internas del motor y contamina el aceite de lubricación; por otro lado, los siloxanos, cuando se oxidan, libe-ran sílice que destruye la parte interna del motor por erosión y rozamiento.

Una de las técnicas más usuales en la eliminación de estos compontes es la adsorción en carbón activo. El proceso de adsorción es un proceso competitivo cuando existe una mezcla de gases (diferentes tamaños de mo-léculas), como es el caso del biogás, pues tiende a captar más a unos que a

otros componentes. Esto provoca que la eficiencia de este proceso tenga ciertos límites de captación.

La tecnología BTS-Biolimp-MPdry para el tratamiento del biogás es una tecnología multipropósito que cuenta con un sistema de recuperación de energía. Esta consta de dos etapas: una para la reducción de humedad vía enfriamiento-condensación y la otra la adsorción en carbón activo (CA).

Otro tema de interés en la genera-ción de energía a partir de combusti-bles no convencionales (renovables) es el aspecto correspondiente a los gases de escape y el efecto que pueden te-ner la misma sobre el medioambiente y las personas.

Los gases de escape del motor con-tienen, además de sustancias inocuas como vapor de agua, dióxido de car-bono y nitrógeno, también otras sus-tancias nocivas para las personas y/o el medio ambiente, como monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HC), dióxido de azufre (SO2) y óxido de ni-trógeno (NOx).

El gas de escape de una combustión es el gas que sale a la atmósfera a tra-vés de un conducto (chimenea), pro-cedente de un motor, caldera o tur-bina. La calidad de sus emisiones esta relacionada, tanto con la eficiencia de la maquinas como con la calidad del combustible utilizado.

La Figura 1 muestra un diagrama de la composición típica del gas de es-capa de motor y de sus componentes contaminantes.

El objetivo del presente trabajo de investigación a escala industrial es analizar la influencia que tiene la lim-pieza del biogás en las prestaciones del sistema de cogeneración de la EDAR Alcalá Oeste. Este se centra funda-mentalmente en las prestaciones del motor (contaminación del aceite de lubricación y ciclos de mantenimien-tos) y en la calidad de sus emisiones (gases de escape) a la atmosfera. Este último aspecto centrado en aquellos contaminantes que tiene influencia en la calidad de estas emisiones (SO2, SO3 y Aldehídos).

DESARROLLODESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍASLa tecnología para el acondiciona-miento del biogás BTS-Biolimp-MPdry cuenta con un conjunto de equipos que, interconectados entre sí, permi-ten eliminar por medio físico (mecáni-co, térmico y químico-físico) el conte-nido de humedad, reducir el nivel de siloxanos y trazas H2S hasta valores adecuados para su uso en la genera-ción de electricidad o calor con míni-mo consumo de energía y adsorbente. Cuenta con un panel de control don-de se visualizan diferentes variables de operación como temperatura, flujo, presión y humedad.

Arquitectura del sistema de tratamiento del biogás BTS-EDAR Alcalá Oeste. MadridLa planta está conformada por tres zonas fundamentales.

a) Zona de máquinas. En ella es-tán ubicada la máquina de refrigera-ción encargada de suministra el agua fría para la deshumidificación del bio-gás y el compresor para la producción de aire industrial para el accionamien-to neumático de las válvulas y la bom-ba de condensados.

b) Zona de proceso. Esta zona está dividida en dos partes.

FIGURA 1. Composición de los gases de escape de un motor a diésel


Estudio de la influencia de la limpieza del biogás en las prestaciones del sistema de cogeneración

•Zonadesecado/deshumidificacióndel biogás, donde están ubicados di-ferentes equipos de eliminación de humedad, entre ellos pote de conde-sados, recuperador, deshumidificador, tranque de condesados con separa-dor de gotas.

•Zonadelimpieza(eliminacióndesiloxanos y H2S), donde está ubica-do el filtro de carbón activo. En esta zona se encuentran, a su vez, las so-plantes, tipo émbolos rotativos, en-cargada de suministra la energía ne-cesaria para el transporte del biogás por toda la planta y hasta su destino final, y el enfriador del gas que sale de la soplante.

c) Zona de control y recogida de señales. Esta zona comprende el cuadro neumático, el cuadro eléctri-co, donde está ubicado el variador de velocidad, y el cuadro de control ubi-cado en la sala de control de la planta de tratamiento de aguas.

La Foto 1 muestra una imagen de la planta construida en la EDAR Al-calá Oeste, que explota la entidad Acciona Agua, propiedad del Canal Isabel II.

Característica de la instalación:

•La tecnología, en el casode laEDAR Alcalá Oeste, se encuentra ins-talada entre el gasómetro (almacena-

miento y distribución) y el sistema de cogeneración, es decir, en condiciones de carga (presión). Modelo en alta pre-sión dado que el diferencial de presión sobrepasa los 100 mbar.

•Laplantaestádiseñadaparaunaca-pacidad de tratamiento de 360 Nm3/ h y posee dos motores de cogeneración de la marca Guascor.

•Laplantadecogeneraciónseinstalóal mismo tiempo que la tecnología de limpieza del biogás.

ANALÍTICAS REALIZADASDiseño de tecnología. BTS-Biolimp-MPdryPara el diseño y selección de equipos de la tecnología para la limpieza del biogás se desarrollaron analíticas rela-cionadas con la composición del bio-gás, que, junto con el caudal, cons-tituye la base para la selección de la tecnología a aplicar y realizar el diseño de los equipos. Esta analítica también es útil para conocer el tipo de adsor-bente a usar -en caso del uso de car-bón activo-, su cantidad y el tiempo de vida útil del mismo.

Desarrollo del trabajoPara el desarrollo del trabajo se reali-zaron diferentes tipos de ensayos de operación con vistas a evaluar, por un lado, la eficacia de la tecnología de limpieza en cuanto a la eliminación de diferentes componentes perjudiciales del biogás, entre ellos humedad (H2O), sulfuro de hidrogeno (H2S) y siloxanos, y, por otro, su influencia en las presta-ciones del sistema de cogeneración. Es-te último aspecto está centrado en dos puntos del sistema de cogeneración.

FOTO 1. Sistema de tratamiento del biogás instalado en la EDAR Alcalá Oeste. Cortesía de Energy & Waste S.L. Grupo Condorchem

TABLA 1.

COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS A LA ENTRADA DE LA TECNOLOGÍA STB-BIOLIMP-MPDRY


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a) Uno relacionado con la calidad de las emisiones emitidas a la atmosfera.

b) Otro relacionado con el conte-nido de contaminantes (sílices) en el aceite de lubricación de los motores.

Estas analíticas son:

a) Analitica de la composición del biogás en dos puntos diferentes de la tecnología. Entrada y salida de la tecnología de limpieza del biogás con vistas a evaluar la eficacia de la tec-nología y la incidencia del sistema de secado en sus resultados.

b) Analitica del contenido de sílice en el aceite de los motores.

c) Analitica de la composición de los gases de escape con vistas a evaluar el efecto que tiene su limpieza en las emisiones de los gases de escapes, principalmente en las emisiones de SO2. SO3 y aldehídos.

Las analíticas del biogás se desarro-llaron durante tres días consecutivos para tener en cuenta la posible varia-bilidad de la composición del biogás en el tiempo. Las tomas de muestra (biogás) se realizaron en varios puntos

de la tecnología, con vistas a analizar la influencia que podrían tener las dife-rentes operaciones que se realizan en la tecnología de limpieza del biogás.

En el caso de las analíticas del con-tenido de sílice en aceite del motor, se realizaron analíticas del contenido de estos en aceite con la tecnología de limpieza en operación y sin operación durante periodo de tiempo de 100 y 700 horas de funcionamiento del sis-tema de cogeneración en el caso de la EDAR Alcalá Oeste, ya que este fue instalado a la vez del sistema de lim-pieza. En el caso de la EDAR Butarque, el sistema de cogeneración ya estaba instalado, por lo que se contaba con un histórico de los cambios de aceite, lo cual hizo más sencilla la compara-tiva.

Para corroborar las mejoras que aporta el sistema de limpieza del bio-gás en las prestaciones del sistema de cogeneración, se aportan también los resultados que se han obtenidos en la EDAR Butarque antes y después de aplicar el sistema de tratamiento del biogás (STB), tanto en el contenido de siloxanos como en el aceite de lubri-cación de los motores. En el caso de

la EDAR Butarque ya existía con an-terioridad el sistema de cogeneración.

Resultados.Análisis del biogásLa Tabla 1 muestra la analítica realiza-da al biogás de la EDAR Alcalá Oeste antes de entrar al sistema de trata-miento del biogás.

Como se observa en dicha analítica, la concentración de CH4 se encuentran entre 61,2 y 58,5 %, con promedio de 59,86 %; la de CO2 se encuentra entre 31,6 y 32 %, con promedio de 31,7 %; la humedad absoluta, es decir, el contenido en agua en forma de vapor, se encuentra entre 3,3 y 4 %, con pro-medio de 3,56 %. Con respecto a sus contaminantes, podemos observar que se encuentran, en el caso del sulfuro de hidrogeno (H2S), entre 1,5 y 7,5 mg/m3, con promedio de 4,5 mg/m3; los si-loxanos, entre 0,33 y 1,83 mg/m3, con promedio de 1.3 mg/m3; mientras que los COVs entre 7,5 y 18,1 mg/m3, con promedio de 12,8 mg/m3.

La Tabla 2 muestra la analítica reali-zada al biogás de la EDAR Alcalá Oeste a la salida de tecnología de limpieza.

Como se observa en dicha analítica, la concentración de CH4 se encuen-tran entre 61,7 y 62,5 %, con prome-dio de 62,1 %; la de CO2 se encuentra entre 33 y 34,9 %, con promedio de 33,95 %; la humedad absoluta, es de-cir, el contenido en agua en forma de vapor, se encuentra 0,0 y 0,3 %, con promedio de 0,15 %. Con respecto a los contaminantes, podemos observar que se encuentran, en el caso del sul-furo de hidrogeno (H2S), por debajo del límite de detección del equipo de análisis; los siloxanos, entre 0,25 y 0,26 mg/m3, con promedio de 0,255 mg/m3, y los COVs no han sido detec-tados en dichas analíticas.

La Tabla 3 muestra una comparativa entre el biogás sin tratar en la planta de limpieza y el biogás tratado por di-cha planta y el porcentaje (%) de re-ducción que se alcanza en cada caso.

En ella se puede observar que existe una reducción, tanto en la concentra-ción de sus contaminantes, entre ellos

TABLA 2.

COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS A LA SALIDA DE LA TECNOLOGÍA STB-BIOLIMP-MPDRY



los siloxanos, el sulfuro de hidrogeno (H2S) y los COVs, como en la humedad absoluta, mientras que, por otro lado, hay un ligero aumento de la concen-tración de CH4 y del CO2.

Esta elevación de la concentración del CH4 y reducción de la humedad absoluta provoca el aumento del PCI del biogás y, con ello, se favorece el rendimiento energético del motor.

Gases de escape del motor del sistema de cogeneraciónLa Tabla 4 muestra la analítica realiza-da a los gases de escape del motor del sistema de cogeneración de la EDAR Alcalá Oeste.

Según las analíticas, se observa que la variación de las concentraciones en las diferentes condiciones es relativa-mente baja, y que los valores repor-tados están en todo momento por debajo de los límites establecidos de vertido de gases de escapes a la at-mósfera que se reportan, por lo que se puede plantear, en este sentido, que el sistema de cogeneración cumple con las normas de emisiones de gases a la atmosfera.

Se debe de señalar que, en el caso de la concentración de SO2, donde es

mayor la incidencia de la calidad del gas, existe una disminución 75 % al estar el biogás limpio.

La Tabla 5 muestra una comparati-va entre las analíticas realizada a los gases de escape del sistema de coge-neración y las analíticas realizadas al biogás bajo diferentes condiciones de operación, es decir, biogás sucio y bio-gás limpio, con la finalidad de conocer la influencia de los contaminantes del

biogás en la calidad de los gases de escape.

Como muestran los resultados, las concentraciones de los contaminantes en todos los casos están por debajo de los limites establecido, tanto para el uso del biogás en el sistema de co-generación como en las emisiones de los gases de escape.

En el caso de la limpieza del biogás, se alcanzan eficiencia de eliminación de sus contaminantes por encima del 97 %. Sin embargo, resultados dife-rentes se aprecian en los gases de es-capes en cuanto a las concentraciones de VOCs y SO3, los cuales se pueden deber a los limites de detección del análisis realizado en un caso o a la de-gradación del aceite de lubricación del motor por otro.

Aceite de lubricaciónEn el caso de la EDAR Alcalá Oeste, el sistema de cogeneración se instaló al mismo tiempo que el sistema de co-generación, por lo que no se cuenta con un histórico en relación con los cambios de aceite y la concentración de sílice en el tiempo de este.

La Figura 2 muestra el comporta-miento del contenido de sílice (Si) en el aceite de los motores de cogeneración a diferentes horas de operación: 100, 700 y 1.500. Para poder estudiar este

TABLA 3.

COMPARATIVA ENTRE ANALÍTICAS DEL BIOGÁS ANTES Y DESPUÉS DEL SISTEMA DE LIMPIEZA Y PORCENTAJES DE REDUCCIÓN

FIGURA 2. Comportamiento de la concentración de sílice en el aceite de lubricación de los motores del sistema de cogeneración de la EDAR Alcalá Oeste


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comportamiento se utilizó como base las primeras 100 horas de operación de los motores, los cuales trabajaron sin el sistema de tratamiento/limpieza del biogás; el segundo y tercero con el sistema de tratamiento del biogás, es decir, biogás limpio.

CONCLUSIONESDe los resultados de las analíticas reali-zadas al biogás, antes y después de su tratamiento, se demuestra:

a) Que la tecnología de acondicio-namiento de biogás reduce de forma satisfactoria los contaminantes pre-sentes en el biogás producido en am-bas EDARs. Que el biogás en cuanto a su concentración en contaminantes cumple con los limites generales esta-blecidos para su uso como combusti-ble en motores.

•Siloxanos≤ 3 mg/m3

•H2S ≤ 250 mg/m3

•COVs≤ 20 mg/m3

•Hr<80%

b) Que el porcentaje de reducción de los diferentes contaminantes es su-perior al 90 %. en todos los casos

c) Que la reducción de la humedad absoluta del biogás, en la etapa de secado, produce una elevación de la concentración de CH4, lo que favorece el incremento del PCI del biogás y con ello un incremento en la producción de energía.

d) Que la reducción/eliminación del H2S que existe se puede deber funda-mentalmente a la ruptura del equilibrio termodinámico que tiene lugar en ma-yor medida en los equipos de secado del biogás, debido a la disminución de su temperatura, ya que la tecnología carece de otro medio para este fin.

e) Que las concentraciones de con-taminantes en el biogás reportada por las analítica, el tiempo de operación del filtro de carbón activo puede pro-longarse hasta aproximadamente un año de operación.

f) Que, como resultado de su ope-ración, también se reducen los COVs.

TABLA 4.

COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE DEL MOTOR DEL SISTEMA DE COGENERACIÓN EDAR ALCALÁ OESTE

TABLA 5.

COMPARATIVA ENTRE LAS ANALÍTICAS DE LOS GASES DE ESCAPE PARA DIFERENTES CONDICIONES DEL BIOGÁS

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Nota. Este trabajo fue premiado con un accésit al mejor Proyecto de Energía en el recién efectuado I Congreso de Ingeniera Energética, realizado en la Ciudad de Madrid durante los días 27 y 28 de junio.



Se debe señalar que elevadas concen-traciones de COVs pueden afectar la composición de los gases de escape, aunque este no es el caso.

g) Que, debido a la eliminación del sulfuro de hidrógeno (H2S) del biogás en la etapa de limpieza, la reducción en las emisiones de SO2 en el gas de escape esta alrededor del 75 %, lo cual corrobora la necesidad de la lim-pieza del biogás para minimizar dichas emisiones.

h) Que, en el caso de las emisiones de monóxido de carbono (CO), la lim-pieza del biogás, a pesar de la elimi-nación de COVs, no reporto ningún resultado a destacar.

i) La limpieza del biogás garantiza, a su vez, que las concentraciones de contaminantes en el aceite de lubri-cación, silicio (Si), disminuyan, lo cual incide en una mayor vida útil de este consumible de los motores de gene-ración y unas mejores prestaciones de este durante un tiempo más prolon-gado.

j) El aporte económico que presen-ta la limpieza del biogás no solo debe de analizarse desde el punto de vista económico, es decir, menos recambios de partes y piezas o aumento del ciclo de cambio del aceite de lubricación, sino también desde el punto de vista medioambiental: mejoras en las emi-siones de contaminantes a la atmos-fera.

Agradecimiento.Desde Energy & Waste S.L.Condorchen Group, deseamos dar nuestro agradecimiento a la entidad Canal Isabel II por permitir y prestar todos los medios para el desarrollo de este trabajo de investigación a escala industrial. Hacer extensivo este agradecimiento a la entidad Acciona Agua por su colaboración en este trabajo.

Referencias[1] 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.

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[4] Reina, J. (2005). From the biogas to vehicle fuel. Study of CO2 absorption in a packed column. 10º Congreso Mediterráneo de Ingeniería Química. Barcelona- Spain.

[5] Reina, J. (Julio/agosto 2008). Biolimp-Siloxa.

Planta multipropósito para la limpieza del biogás. InfoEnviro.

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[8] Varnero. M1, Carú2. M, Galleguillos1. K y Achondo1. P. (2012). Tecnologías disponibles para la Purificación de Biogás usado en la Generación Eléctrica. Inf. tecnol. vol.23 no.2.

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