viernes, 16 de enero de 2015

Origen, Efecto y Tratamientos.


El biogás procedente de vertederos (rellenos sanitarios), plantas de metanización y depuración de aguas residuales (EDAR) constituye un valioso material para la producción de energía, biocombustibles y elaboración de productos químicos como el hidrógeno y el metanol. Al ser una fuente de energía renovable es inagotable, limpia y se pueden utilizar de forma planificadas. Su uso genera una menor contaminación ambiental y constituyen una alternativa viable al agotamiento ya sensible de energías fósiles, como el gas natural y el petróleo, dónde ya se mantiene un incremento en sus precios. 

El biogás desde un punto de vista técnico es una mezcla multicomponente de gases, tanto en su composición básica (CH4, CO2, H2, O2, N2, vapor de agua, etc.) como, en sus componentes perjudiciales (NH3, siloxanos, hidrocarburos halogenados, BTEX, VOCs, H2S, etc.). Su composición esta íntimamente relacionada con el tipo de materia que se somete al proceso de digestión anaerobia, y en cierta medida, con la tecnología que se usa para su producción, de aquí que se pueda hablar en termino generales de dos tipos de biogás.

Sistemas incontrolados. Biogás de vertedero, rellenos sanitarios, pantanos
Sistemas controlados. Planta de depuración de aguas residuales urbanas (EDAR) y de plantas de digestión anaerobia (alta carga orgánica). 

En términos generales se puede plantear que los últimos se caracterizan por tener elevada concentración de H2S su principal componente contaminante, y en el caso de EDAR la presencia de siloxanos, mientras que en los primeros se caracterizan por la aparición de los siloxanos y los hidrocarburos de alto peso molecular. 

Los siloxanos proceden de las siliconas que están presentes en materiales como: shampoo, jabones, tensoactivos, aceites, productos farmacéuticos, etc., que se somete al proceso de digestión anaerobia.

Desde el punto de vista de proceso se puede plantear que el biogás es el gas procedente del proceso de digestión anaerobia de la fracción orgánica de diferentes tipos de materias y que se caracteriza por su elevada concentración en metano (CH4) que es quien le da su característica como biocombustible. Encontrando esta concentración entre el 40 al 80 % v/v del gas generado en dicho proceso.

Por otro lado, toda instalación deaprovechamiento/valorización del biogás cuenta de tres partes fundamentales: producción del biogás (sistema de DA), captación-limpieza y sistema de valorización (electricidad, vapor, biocombustibles o como materia prima para la elaboración de otros productos). 

Todas estas etapas son consecutivas, es decir, trabajan en línea con una función específica cada una. En ella, juega un papel fundamental la limpieza/acondicionamiento del biogás y sus tecnologías pues garantiza.

1.- Un óptimo funcionamiento de los equipos y máquinas (motores, turbinas, calderas, pilas de combustible) involucradas en su aprovechamiento como material combustible.

2.- Una vida útil prolongada de las máquinas utilizadas para su transporte, extracción y compresión (soplantes y compresores).

3.- Una mejora en las emisiones de los gases de escape de las máquinas involucradas en su aprovechamiento energético, pues elimina su causa antes de entrar a proceso.

4.-Reducción del coste de mantenimiento (reparación y cambio de aceites) de las máquinas involucradas en este tipo de instalación. 

Origen.

Entre los componentes de mayor incidencia en el aprovechamiento energético del biogás generado en plantas depuradoras y vertederos están los siloxanos, los cuales producen daños en los máquina empleadas reduciendo la vida útil de las mismas por el efecto abrasivo que producen en las partes internas de éstos, así como, aumenta el coste de operación por los reiterados cambios de aceites y partes interna de las mismas. 


Los siloxanos son una familia de compuestos orgánicos formados por cadenas lineales o cíclicas de silicio, oxigeno y grupos metilos. Son fabricados en un abanico de formas, entre los que se incluyen fluidos de alta y baja viscosidad, gomas, elastómeros y resinas, se encuentran en cantidades significativas en una amplia y variada gama de productos domésticos, tales como detergentes, champús, desodorantes, pastas dentífricas, cosméticos, entre otros.

La mayoría de ellos se volatilizan rápidamente a la atmósfera y con el tiempo se degradan en dióxido de carbono, sílice y agua. Pero algunos, no obstante, acaban en las aguas residuales y en los sólidos urbanos de desguace y se produce su inevitable acumulación en vertederos y depuradores, donde se consideran uno de los contaminantes más difíciles de controlar.

Estos son compuestos orgánicos formados por siliconas, oxígeno y grupos metilos con unidad estructural –(CH3)2SiO, y peso molecular típicamente en el rango comprendido entre 150 a 600. Su solubilidad en agua decrece con el aumento de su peso molecular y éstos pueden ser volátiles o no. 

Las tablas 1 y 2 muestran diferentes especies de siloxanos encontrados en el biogás de vertedero y EDAR, así como, algunas de sus propiedades básicas.

Tabla 1. Diferentes especies de siloxanos encontrados en biogás de vertedero.
Species
Molecular Weight
% Silicon
Gas Concentration
Silicates Generated (as SiO2)
ppm v/v
mg/m3
lb/Hr
Kg/H
lb/Yr
Kg/Yr
Tetramethylsilane
88.2 
31.84
1.0
3.66 
0.0013
0.0006
11.4
5.2
Trimethylsilanol
90.2 
31.14
1.0
3.74 
0.0013
0.0006
11.4
5.2
Tetramethyldisiloxane
134.3 
41.82
1.0
5.57 
0.0026
0.0012
22.9
10.4
Pentamethyldisiloxane
148.4 
37.87
1.0
6.15 
0.0026
0.0012
22.9
10.4
MM (L2)
162.4 
34.60
1.0
6.73 
0.0026
0.0012
22.9
10.4
Hexamethyltrisiloxane
208.5 
40.42
1.0
8.64 
0.0039
0.0018
34.3
15.6
MDM (L3)
236.5 
35.63
1.0
9.80 
0.0039
0.0018
34.3
15.6
MD2M (L4)
310.7 
36.17
1.0
12.88 
0.0052
0.0024
45.7
20.7
MD3M (L5)
384.9 
36.50
1.0
15.95 
0.0065
0.0030
57.2
25.9
D3
222.5 
37.88
1.0
9.22 
0.0039
0.0018
34.3
15.6
D4
296.6 
37.88
1.0
12.29 
0.0052
0.0024
45.7
20.7
D5
370.8 
37.88
1.0
15.37 
0.0065
0.0030
57.2
25.9
D6
444.9 
37.88
1.0
18.44 
0.0078
0.0036
68.6
31.1
Conditions: Silicates generated based on 238 Nm3/h for a 1 MW Generator Engine

Tabla 2. Propiedades de algunas especies de siloxanos.                          
 Especie       Peso         Presión de           Punto de         Solubilidad en H2O
                 Molecular   Vapor (mmHg)     Ebullición ºF              (mg/l)
                                          25 ºC                                                25 ºC
D3                222              10                        275                         1.56
D4                297              1.3                       348                         0.056
D5                371              0.4                       412                         0.017
D6                445              0.02                     473                         0.005
L2                162              31                        224                         0.93
L3                236              3.9                       0.035
L4                310              0.55
L5                384              0.07


Efecto.

Las siliconas a diferencias de los sulfuros no reaccionan con el agua para formar ácidos; sin embargo, durante la combustión las moléculas de siloxanos se rompen liberando oxígeno y silicio; esta última  se combina con otros elementos formando silicatos, sílice y otros compuestos cristalinos que se depositan en la cámara de combustión (fundamentalmente en la parte alta de la camisa), en las culatas y en las caras de las válvulas.

Estas incrustaciones provocan el desgaste por abrasión de diferentes partes internas de los motores. La figura 2 muestra las incrustaciones que causan los siloxanos en diferentes tipos de máquinas. 

El contenido de siliconas permisibles para un buen funcionamiento de los motores de generación no debe exceder por lo general < 5 mg/Nm3, aunque cada fabricante de máquina pone sus límites. Un contenido superior indicará posibles problemas de deposición de sílice, y con ello, el quemado de válvulas de escape. 

1.- Siloxanos en motores.

2.- Siloxanos en turbinas

3.- Siloxanos en calderas

Figuras 2. Incrustaciones que causan los siloxanos en diferentes tipos de máquinas.


Tratamientos.
Los sistemas actuales para la eliminación de dichos compuestos utilizan técnicas que poseen por lo general una o dos etapas involucradas, entre las cuales se pueden citar: el subenfriamiento, la adsorción en carbón activo/silicagel, filtros de grafitos, determinados tipos de resinas, el lavado con ciertos reactivos (metanol, ácido sulfúrico, mezcla de hidrocarburo, etc.). Sin embargo, las técnicas más aplicada se enuncia a continuación


Técnicas comunes para la eliminación de siloxanos.

1.- Enfriamiento.
  • Hasta los 4 ºC.
  • Subenfriamiento (enfriamiento hasta -25 ºC).
2.- Adsorción.

  • Carbón activado.
  • Térmica regenerativa.
  • Silica gel.
3.- Lavado con ciertos reactivos

4.- Combinación de técnicas.

  • Biolimp-Siloxa.

Biolimp-MPdry. Es una tecnología multipropósito (limpieza/acondicionamiento) basada en la combinación de operaciones que se fundamenta en el enfriamiento, condensación, lavado, secado y adsorción en carbón activo, que minimiza, tanto el consumo energético, como el de carbón activo. La tecnología cuenta de dos etapas básicas. Una de eliminación gruesa de contaminantes incluyendo los siloxanos tipos D, hidrocarburos y acondicionamiento del biogás para entrada a filtros de carbón activo vía térmica. Otra de refinamiento (eliminación de siloxanos tipo L y D) vía adsorción en carbón activo. Una parte importante de esta tecnología es el recuperador lavador que garantiza el acondicionamiento del biogás en todos los sentidos.


Otra de las ventajas de esta tecnología es que permite eliminar, tanto los hidrocarburos pesados, como lo que contienen compuesto de  cloro o flúor, que inciden, a su vez, en el buen funcionamiento del motor, así como, en el cumplimiento de las emisiones de los sistemas de generación de energía.

La  tecnología Biolimp-MPdry y otras tecnologías desarrolladas para el tema de limpieza del biogás es el resultado del trabajo de I+D+i del grupo Energy & Waste S.L que lleva más de 15 años trabajando en el tema de limpieza y acondicionamiento de diferentes tipos de gases y en particular en el biogás.

Figura 3. Biolimp-MPdry. Planta para la limpieza del biogás.


Curso de formación. Instalaciones de captación/limpieza del biogás.


Para mayor información.

Energy & Waste S.l.
+34 930019877.
+34 717120104
jreina@ewtech-ing.com
www.ewtech-ing.com


1 comentario:

  1. Podrías subir porfavor la bibliografia que utilizaste? Muy buena informacion.

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