44

2. TECNOLOGÍAS EMPLEADAS EN LOS RELLENOS SANITARIOS PARA LA

OBTENCIÓN DE METANO A PARTIR DE BIOGAS.

En este capítulo se presenta el proceso de producción de biogás en vertederos, la forma

de obtención, los sistemas de limpieza y las técnicas de tratamiento.

2.1 PRODUCCIÓN DEL BIOGÁS EN LOS VERTEDEROS DE RESIDUOS SÓLIDOS

URBANOS (RSU´s).

En condiciones ambientales normales, los gases que se producen en el suelo por

descomposición de la materia vegetal, van a la atmósfera mediante difusión molecular.

En el caso de un vertedero activo, los gases producto de la descomposición de la basura,

están a una presión interna que normalmente es mayor a la presión atmosférica, lo que le

permite al gas de vertedero salir mediante difusión y flujo convectivo (conducido por

presión). A continuación se describen las fases de generación del biogás y algunas de las

tecnologías para la extracción y tratamiento

2.1.1 Proceso de generación del biogás en un relleno sanitario. Se considera que

la generación de los principales gases del vertedero se produce en cinco o menos fases

secuenciales. A continuación se describe cada una de ellas:

Figura 7. Fases generales en la generación de gases de vertedero. Fuente : TCHOBANOGLOUS, George ; THEISEN, Hilary y VIGIL, Samuel A. Gestión Integral de residuos sólidos. España : McGraw Hill, 1994. p.434

45

Fase I: Ajuste inicial: Es la fase, en la cual los componentes orgánicos biodegradables de los RSU’s sufren descomposición microbiana. En esta fase, la descomposición

biológica se da bajo condiciones aerobias, porque hay cierta cantidad de aire atrapado

dentro del vertedero. La fuente principal de organismos, aerobios y anaerobios,

responsables de la descomposición de los residuos, es el suelo que se utiliza como

cubrición diaria y final. Otras fuentes de organismos son el lixiviado reciclado y los fangos

digeridos de plantas de tratamiento de aguas residuales evacuados en muchos

vertederos de RSU’s 33 . Fase II: Fase de transición. En esta fase se reduce el oxígeno y comienzan a desarrollarse las condiciones anaerobias. Mientras el vertedero se convierte en

anaerobio.

Los miembros de la comunidad microbiana, responsables de la conversión orgánica de

los RSU’s en metano y dióxido de carbono, empiezan un proceso de tres pasos (ver

figura 8), que se inicia con la conversión del material orgánico complejo en ácidos

orgánicos y otros productos intermedios como se describe en la fase III 34 .

Figura 8. Ruta de producción de metano y dióxido de carbono Fuente : TCHOBANOGLOUS, George ; THEISEN, Hilary y VIGIL, Samuel A. Gestión Integral de residuos sólidos. España : McGraw Hill, 1994. p.765

33 VILLARRUBIA, M. and VILLARRUBIA, J. Producción de biogás en vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU) En : Montajes e instalaciones. Madrid. Vol.31, no.355 (Nov. 2001) ; p.95 ; [TCHOBANOGLOUS, George ; THEISEN, Hilary y VIGIL, Samuel A. Gestión Integral de residuos sólidos. España : McGraw Hill, 1994. p. 34 Ibid., p.

46

Fase III: Fase ácida. Durante esta fase se acelera la actividad microbiana iniciada en la fase II, con la producción de cantidades significativas de ácidos orgánicos y pequeñas

cantidades de Hidrógeno. El primer paso implica la transformación, mediada por enzimas

(hidrólisis), de compuestos con alto peso molecular (por ejemplo, lípidos, polisacáridos,

proteínas y ácidos nucleicos) en compuestos aptos para ser utilizados por los

microorganismos, como fuentes de energía y de carbono celular. El segundo paso

(acidogénesis) implica la conversión microbiana de los compuestos resultantes del primer

paso, en compuestos intermedios de bajo peso molecular, como son el ácido acético

(CH3COOH) y las pequeñas concentraciones de ácido fúlvico y otros ácidos más

complejos. El dióxido de carbono (CO2) es el principal gas generado durante la fase IlI,

aunque también se producen cantidades más pequeñas de hidrógeno (H2). Los

microorganismos implicados en esta conversión, llamados colectivamente no

metanogénicos, son bacterias anaerobias 35 .

Fase IV: Fase de fermentación del metano. En esta fase predomina un segundo grupo de microorganismos, que convierten el ácido acético y el hidrógeno (producidos en la fase

ácida) en CH4 y CO2. . En algunos casos, estos organismos comenzarán a desarrollarse

hacia el final de la fase lII. Los microorganismos responsables de esta conversión son

estrictamente anaerobios y se llaman metanogénicos. Colectivamente, se identifican en

la literatura como metanogénicos o formadores de metano. En la fase IV la formación de

metano y ácido se produce simultáneamente, aunque la velocidad de formación de

ácidos es considerablemente más reducida 36 .

Fase V: Fase de maduración. Se produce después de convertirse el material inorgánico biodegradable en CH4 y CO2 durante la fase IV. Mientras la humedad sigue migrando a

través de los residuos, porciones del material biodegradable que anteriormente no

estaban disponibles se van convirtiendo. Durante la fase V la velocidad de generación del

gas de vertedero, disminuye significativamente; porque la mayoría de los nutrientes

disponibles se han separado con el lixiviado en las fases anteriores, y los sustratos que

quedan en el vertedero son de una degradación lenta. Los principales gases de vertedero

35 TCHOBANOGLOUS, George ; THEISEN, Hilary y VIGIL, Samuel A. Gestión integral de residuos sólidos. España : McGraw Hill, 1994. p. 36 Ibid., p.

47

que han evolucionado en la fase V son CH4 y CO2. Según las medidas de sellado del

vertedero, también pueden encontrarse pequeñas cantidades de nitrógeno y oxígeno en

el gas 37 .

La reacción química generalizada para la descomposición anaerobia de residuos sólidos

puede escribirse de la forma siguiente:

Gases Otros CO CH radable Bio Orgánica Materia O H

Sólidos siduos Organica Materia BACTERIAS

_ deg _

) _ (Re _

2 4 2 + + + → → → +

Hay que resaltar que esta reacción requiere la presencia esencial del agua 38 .

2.1.2 Tecnologías para la obtención de metano a partir del biogás. El gas de un

relleno sanitario, es explosivo e inflamable, si no se evacua de manera adecuada, se

dispersa sin control dentro del relleno e invade también terrenos adyacentes pudiendo

causar incendios o explosiones. Se han presentado casos en los cuales, el gas de relleno

se ha infiltrado dentro de sótanos de edificios y dentro del alcantarillado causando

explosiones. El metano (CH4) solo, es explosivo en concentraciones entre 5 ­ 15 % en

volumen; en concentraciones más elevadas de 15 %, es inflamable, el biogás requiere de

mayor concentración para su inflamabilidad o explosividad. Otros impactos negativos del

gas de relleno consisten en la dispersión en el suelo, donde pueden dañar las raíces de

las plantas, impidiendo el suministro de oxigeno y aire. El metano puede afectar a los

seres humanos produciendo envenenamiento por inhalación por largo tiempo. Además,

es un gas de efecto invernadero, la atmósfera y el clima 39 .

En vez de impactar negativamente el ambiente, del biogás del relleno sanitario, se puede

separar y aprovechar el metano como fuente energética.

2.1.2.1Sistemas de extracción del biogás en un relleno sanitario. El gas de relleno

producido se puede evacuar mediante drenaje activo o pasivo. El drenaje activo consiste

en la succión del gas mediante un soplador. Cuando se hace el drenaje pasivo, se

controla la difusión natural de los gases, con el fin de evacuarlos solo por los lugares

37 Ibid., p. 38 Ibid., p.

48

previstos. Se logra una mayor eficiencia con el drenaje activo, pero los costos del drenaje

pasivo son mucho más bajos. Como se presenta en la figuras 9 y 10, si se realiza el

drenaje pasivo con pozos de desfogue hay que construirlos durante la operación del

relleno sanitario, estos tienen una alta permeabilidad para el biogás y en consecuencia

queda muy baja cantidad por la superficie del cuerpo de basura, garantizando seguridad

en las instalaciones.

A continuación, se presenta en la tabla 2, de acuerdo con el tipo de relleno, el porcentaje

de biogás generado que se puede captar.

Tabla 2. Porcentaje (%) de gas de relleno captado

Porcentaje de gas de relleno que se puede captar (%) Tipo de relleno

0 Relleno sin ningún sistema de drenaje de gas

10 – 20 Relleno con drenaje puntual pasivo (chimeneas u orificios), mal compactado y sin cobertura suficiente.

25 – 50 Relleno con drenaje activo (soplador), mal compactado y sin cobertura suficiente

30 – 60 Relleno con drenaje pasivo, bien compactado y con cobertura diaria suficiente

40 ­ 70 Relleno con drenaje activo, bien compactado y con cobertura diaria suficiente

70 ­ 100 Relleno cerrado con taludes y capa final impermeable y bien compactada, drenaje pasivo o activo

Fuente : ROBEN, Eva. Diseño, construcción, operación y cierre de rellenos sanitarios municipales. [En línea] Loja, Ecuador : DED, 2002. < http://ecuador.ded.de/cipp/ded/lib/all/lob/return_download,ticket,g_u_e_s_t/bid,578/no_mime_type,0 /~/roeben_2002_dise_o.pdf>[Consulta : Octubre de 2005]

Los pozos de desfogue se pueden construir de dos maneras: La primera es una jaula de

malla con cuatro puntales de madera y la segunda es un tubo perforado, ambos llenos de

piedra o grava (ver figura 9).

Si se realiza el drenaje pasivo con pozos de desfogue, es muy importante que se queme

el biogás que sale de las chimeneas, de lo contrario estas constituyen un peligro

importante para los obreros en el relleno, porque los gases que salen pueden causar

39 VILLARRUBIA, M. and VILLARRUBIA, J. Producción de biogás en vertederos de residuos

49

dolores de cabeza, náuseas (exposición corta, impacto a corto plazo), asfixia (casos

extremos), daños al cerebro y al sistema nervioso (exposición durante largo tiempo) y

graves daños al medio ambiente 40 .

La quema de gas se puede hacer a través de chimeneas, protegiendo los pozos de

desfogue con un tubo de hormigón o un capuchón metálico. Este capuchón se puede

fabricar de material reciclado de la misma basura (ver figura 9).

Figura 9. Chimenea con tubo perforado para drenaje pasivo y capuchón para

incineración del biogás

Fuente : ROBEN, Eva. Diseño, construcción, operación y cierre de rellenos sanitarios municipales. [En línea] Loja, Ecuador : DED, 2002. < http://ecuador.ded.de/cipp/ded/lib/all/lob/return_download,ticket,g_u_e_s_t/bid,578/no_mime_type,0 /~/roeben_2002_dise_o.pdf>[Consulta : Octubre de 2005]

sólidos urbanos (RSU) En : Montajes e instalaciones. Madrid. Vol.31, no.355 (Nov. 2001) ; p.95 40 Eva. Diseño, construcción, operación y cierre de rellenos sanitarios municipales. [En línea] Loja, Ecuador : DED, 2002. < http://ecuador.ded.de/cipp/ded/lib/all/lob/return_download,ticket,g_u_e_s_t/bid,578/no_mime_type,0 /~/roeben_2002_dise_o.pdf>[Consulta : Octubre de 2005]

50

Figura 10. Sistema de control pasivo mediante chimeneas en un vertedero.

Fuente : ROBEN, Eva. Diseño, construcción, operación y cierre de rellenos sanitarios municipales. [En línea] Loja, Ecuador : DED, 2002. < http://ecuador.ded.de/cipp/ded/lib/all/lob/return_download,ticket,g_u_e_s_t/bid,578/no_mime_type,0/~/roeben_ 2002_dise_o.pdf>[Consulta : Octubre de 2005]

En los sistemas de drenaje activo (figura 11), se succiona el gas con un soplador que se

conecta con los colectores de gas y los pozos de desfogue. Posteriormente los gases van

por un sistema de tubería a un quemador ó a un sistema que consume de gas pobre (con

mucha cantidad de CO2 y otros gases) ó a una planta de tratamiento de biogás para

aprovecharlo posteriormente como gas dulce (con poca concentración de CO2 y otros

gases) en la generación de energía eléctrica.

51

Figura 11. Sistemas de drenaje activo para el biogás.

Fuente : ROBEN, Eva. Diseño, construcción, operación y cierre de rellenos sanitarios municipales. [En línea] Loja, Ecuador : DED, 2002. < http://ecuador.ded.de/cipp/ded/lib/all/lob/return_download,ticket,g_u_e_s_t/bid,578/no_mime_type,0 /~/roeben_2002_dise_o.pdf>[Consulta : Octubre de 2005]

Partes que componen un sistema de drenaje activo:

1) Pozos de desfogue, 2) Colector de gas, 3) Talud del relleno, 4) Punto de recepción, 5)

Soplador (compresor), 6) Incinerador (Antorcha), 7) Tubería de transporte gas pobre, 8)

Líneas de transmisión energía eléctrica, 9) Planta de tratamiento del biogás, 10)

Motogenerador gas­energía eléctrica, 11) Casa de máquinas, 12) Consumidor gas pobre.

Las partes más importantes (incluyendo sus funciones) del sistema activo son las

siguientes:

Pozos de desfogue (1): Son los pozos con las chimeneas verticales que se colocan en el

cuerpo de la basura. Colectores de gas (2): El gas aspirado en diferentes chimeneas se

conduce a ellas y se junta. Punto de recepción (4): las aguas condensadas se separan

del flujo de gas mediante un sifón ó equipo refrigerador y con una bomba se llevan a la

planta de tratamiento de las aguas lixiviadas. Soplador (5): El soplador produce depresión

52

para succionar los gases del cuerpo de relleno y sobrepresión para mandar los gases al

incinerador ó a la planta de tratamiento de biogás ó al sistema consumidor de gas pobre.

Incinerador (6): Unidad compuesta de la antorcha y es donde se quema el biogás que no

se consume en ningún proceso bajo control. Planta de tratamiento del gas (9): En esta se

da la separación de gases, para obtener el gas enriquecido (gas dulce) que es más rico

en metano y con menores cantidades de otros gases. El gas enriquecido se aprovecha

en un motogenerador (10) para obtener energía eléctrica y conectarla a la red de

distribución (8) El biogás o gas pobre puede tener consumidores (12) que no necesiten

tratarlo (para retirarle los gases indeseables) y aprovechar su potencial energético.

2.1.2.2 Sistemas de limpieza del biogás para la extracción de metano. El

enriquecimiento de un gas consiste en aumentar, mediante procesos físico­químicos, el

porcentaje de un determinado gas con base en ir eliminando paulatinamente el resto de

componentes no deseados. Para el caso del biogás, el objetivo es la separación del

metano de los demás componentes asociados.

Los principales constituyentes de este biogás son: vapor de agua, CH4, CO2, H2S, y otros

como los componentes halogenados (dada la fecha de cierre del relleno sanitario Curva

de Rodas, se consideran que la producción de los componentes halogenados es nula).

El biogás contiene concentraciones de H2S que le dan un carácter contaminante ya que

aún en muy pequeñas cantidades resulta ser tóxico y corrosivo, constituyéndolo en un

potencial agresor ambiental por lo que hace necesaria su eliminación. El CO2 a pesar de

que no es considerado altamente tóxico o corrosivo le resta poder calorífico al biogás y

hace que pierda atractivo como combustible. Una forma de depuración del biogás es

eliminar al máximo su contenido en CO2 H2S y vapor de agua. El metano le confiere la

característica de combustible, el valor energético estará determinado por su

concentración.

o Me biogás PCI CH PCI tan 4 * % =

53

2.1.2.3. Técnicas para el Enriquecimiento del biogás. Son varias las técnicas utilizadas

para obtener un gas con un elevado porcentaje de metano a base de eliminar el resto de

componentes del biogás, CO2, H2S y otros gases. Y no es solamente el interés por

aumentar la calidad del combustible por lo que se lleva a cabo esta técnica, sino porque

con este procedimiento se obtiene como subproducto (en nuestro caso en particular) gas

CO2, producto muy utilizado en la industria en general, el cual posteriormente se puede

comercializar. Es importante destacar que se recupera CO2, con lo cual ese puede

obtener lo siguiente: Combustible de gran poder calorífico parecido al Gas Natural, la

valoración energética del biogás del relleno sanitario, poder comercializar el CH4 y

opcionalmente el CO2 y la venta de emisiones evitadas de CO2 equivalente.

La elección de un método para purificar el biogás depende de la naturaleza química del

componente a eliminar.

En la tabla 3, se describen las diferentes técnicas más empleadas para el tratamiento del

biogás.

Tabla 3. Técnicas de tratamiento de biogás.

PROCESO/COMPUESTO H2O CO2 H2S CFC´s ADSORCIÓN ­ X X X ABSORCIÓN (Física ó Química) ­ X X X FILTRADO EN MEMBRANAS ­ X X X ENFRIAMIENTO/CONDENSACIÓN X X ­ X Fuente : ENTE VASCO DE ENERGÍA. Estudio de viabilidad del aprovechamiento energético del biogás generado en el relleno sanitario de Curva de Rodas (Medellín, Colombia): informe final. Medellín: EE.VVM, 1999. p.85

De acuerdo con la bibliografía, existen varios procesos, química y físicamente diferentes,

entre los cuales se cuentan: La Absorción física y química, la Adsorción, el enfriamiento

(criogenia o condensación) entre otros.

Método de absorción. Este se basa en la transferencia de masa entre la sustancia

gaseosa a depurar y un líquido denominado absorbedor. La absorción esta acompañada

54

de una reacción química en la cual el material a eliminar reacciona y forma un compuesto

que posteriormente es retirado 41 .

La absorción, o penetración íntima de un gas en el seno de un líquido o un sólido, es la

opción idónea para la extracción de gases ácidos (CO2 entre otros), y puede ser utilizada

también para purificar gases que contengan pequeñas cantidades de otros componentes,

como amonio, hidrocarburos pesados, agua, y compuestos orgánicos de azufre. Existen

diversos métodos basados en la absorción para la recuperación de la fracción de dióxido

de carbono contenido en dichos gases 42 . Para lo cual existen varios procesos como el de

Girbotol y el de carbonato de sodio que se describen a continuación.

Proceso Girbotol. El más común de los procesos para retirar dióxido de carbono (CO2) y

sulfuro de hidrógeno (H2S), consiste en la absorción de los gases en una solución acuosa

de amina, formando un complejo a bajas temperaturas; posteriormente este complejo

pasa por una columna de vapor donde, con calentamiento, los gases ácidos son retirados,

regenerando la amina y posteriormente retornado a la columna de absorción. Este

proceso permite obtener un metano de alta pureza.

En la figura 12, se presenta el diagrama general del proceso.

41 FERNÁNDEZ SANTANA, Elina y MONTALVO MARTÍNEZ, Silvio J. Métodos económicos y ecológicamente viables para purificar gases contaminantes. [En línea] La Habana, Cuba : Facultad de Ingeniería Química, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (ISPJAE), 2004. < http://www.cepis.ops­oms.org/bvsaidis/caliaire/peru/cubpca004.pdf> [Consulta : Octubre de 2005] 42 ESTUDIO COMPARATIVO DE PROCESOS DE RECUPERACIÓN DE CO2 POR ABSORCIÓN CON ÁMINAS : resumen. [En línea] España : Bibliotécnica, 2005. < http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/36467­1.pdf> [Consulta : 12 de junio de 2005]

55

Figura 12. Proceso de Girbotol, Diagrama de flujo básico

Fuente: STRAUSS, W. Industrial gas cleaning. 2.ed. s.l. : Pergamon Press, 1975. V.8. p.121

La eliminación del H2S puede realizarse mediante unidades de absorción de carbón

activo, limadura de hierro (método más utilizado) u otros métodos. Para permitir un

funcionamiento continuo, se suele disponer de más de una unidad, de modo que mientras

una o varias están funcionando, se puede realizar el mantenimiento o regeneración de

otras.

Proceso con carbonato de sodio. Este proceso se basa en la reversibilidad de la

siguiente reacción:

Na2CO3 + H20 + CO2 ↔ 2NaHCO3

Esta reacción se desplaza a la derecha a temperaturas bajas y tiene lugar en el

absorbedor mientras se hacen pasar los gases que contienen el dióxido de carbono en

contracorriente con esta solución. La cantidad de CO2 absorbido en la disolución depende

56

de la temperatura, presión, presión parcial del CO2 en el gas, y la concentración de la

solución. La reacción se desplaza hada la izquierda cuando se le aplica calor, pudiéndose

recuperar el carbonato sódico 43 .

Filtrado en membranas. Diferentes filtros de membranas han sido probados para la

separación de sulfuro de hidrógeno del gas. Los equipos y la operación del método son

simples, sin embargo, la eficiencia de la separación por membrana es baja y el costo de la

misma elevado, adicionalmente requiere grandes presiones y trabaja a bajas

velocidades 44 .

Este proceso se basa en la difusión de algunos compuestos que pasan a través de una

membrana selectiva. Con el objetivo de facilitar la difusión, se emplea un portador. La

permeabilidad del gas a través de la membrana es función de su solubilidad y difusividad

en dicho material 45 .

Los materiales están compuestos de polímeros porosos cerámicas, poliméricas, y una

combinación de ambas y son extremadamente finas (del orden de los micrones). Se

utilizan solamente en procesos donde el flujo es suficientemente grande para justificar la

inversión 46 .

Las membranas para la separación de gases dependen de las diferencias, tanto físicas

como químicas, entre la interacción de los gases y el material de la membrana. El

resultado es que un componente pase a través de la membrana más rápido que el otro.

43 Ibid. 44 Ibid. 45 Ibid. 46 FERNÁNDEZ SANTANA y MONTALVO MARTÍNEZ, Op. Cit.

57

Figura 13. Membranas de separación y absorción de gases Fuente: ESTUDIO COMPARATIVO DE PROCESOS DE RECUPERACIÓN DE CO2 POR ABSORCIÓN CON ÁMINAS: resumen. [En línea] España: Bibliotécnica, 2005. < http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/36467­1.pdf> [Consulta : 12 de junio de 2005]

Membranas de absorción de gases. Las membranas de absorción de gases son membranas sólidas con micro poros que son usadas como forma de contacto entre la

corriente de gas y la de líquido. El gas a retener se difunde a través de la membrana y es

eliminado selectivamente por el líquido absorbente del otro lado de la membrana. Al

contrario que las membranas de separación de gas, aquí es el líquido absorbente (no la

membrana) el que da al proceso su selectividad 47 .

Métodos de adsorción. Estos se basan en la captura selectiva de las impurezas del gas

por medio de materiales sólidos granulados, los cuales contienen una gran superficie

específica. Estos procesos tienen una serie de ventajas, dentro de las cuales se

encuentran: Una gran estabilidad térmica, Proporcionan un servicio prolongado, para su

ejecución se emplea un simple equipamiento, Son de fácil operación del sistema de

purificación y proporciona la posibilidad de una elevada selectividad en la eliminación de

sulfuro de hidrógeno.

Su desventaja esta en que necesita utilizar grandes volúmenes de material granulado

para procesar mayores flujos de gases y que el proceso de regeneración, requiere de un

gas (vapor seco o aire caliente) que no sea retenido por el material granulado y que

elimine las impurezas del mismo 48 .

47 Ibid., p. 48 FERNÁNDEZ SANTANA y MONTALVO MARTÍNEZ, Op. Cit.

58

Las fuerzas intermoleculares entre los gases tales como el CO2 y la superficie de ciertos

materiales sólidos permiten la separación por adsorción. La adsorción selectiva de los

gases depende de la temperatura, presiones parciales, fuerzas en la superficie y del

tamaño de poro del adsorbente.

Los adsorbentes sólidos, como el carbón activo, se encuentran normalmente como lechos

empaquetados de partículas esféricas. El proceso es un ciclo repetitivo cuyas dos etapas

básicas son la adsorción y la regeneración. En la etapa de adsorción, el gas es

alimentado sobre el lecho de sólidos, que adsorbe el CO2 y deja pasar el resto de gases.

Cuando el lecho llega a su capacidad máxima de adsorción de CO2, la alimentación es

enviada a otro lecho limpio mientras se procede a la regeneración del primero,

extrayéndole el CO2 que ha sido adsorbido previamente. Aquí es donde se distingue entre:

PSA (adsorción con variación de presión): el adsorbente es regenerado mediante la

reducción de la presión.

Varios procesos basados en la tecnología de "Pressure Swing Adsorption"(PSA) se han

utilizado en la recuperación de CO2. En el proceso PSA, el CO2 se separa del Biogás

utilizando procesos de Adsorción / Desorción del CO2 mediante materiales sólidos como

zeolitas o carbones activos a diferentes presiones.

Se dispone de cuatro recipientes llenos de material adsorbente. Durante el proceso, cada

recipiente sigue un ciclo de Adsorción­Despresurización­Desorción­ Presurización.

El biogás entra por la parte inferior del recipiente (ver figura 14), a medida que asciende,

el material adsorbente capta tanto el CO2 como el O2 y el N2, hasta expulsar un gas con

un 97% de metano. Cuando el material adsorbedor de un recipiente está completamente

saturado de los gases CO2, O2 y el N2, la adsorción en ese recipiente deja de funcionar,

el biogás pasa al siguiente recipiente, el cual previamente ha sido regenerado mediante

despresurización a presión atmosférica.

Para el diseño de este tipo de lechos es necesario conocer, las densidades, porosidades

isotermas de adsorción y cinética del material adsorbente, y las propiedades dinámicas

59

del lecho fijo. Estos datos no son siempre fáciles de encontrar, por lo que el diseño

preliminar se realiza de una manera muy aproximada.

La unidad de PSA se muestra esquemáticamente en la figura 14

Figura 14. Esquema de una unidad PSA para la separación de CH4 – CO2 del biogás. Fuente: MEJORA DEL SISTEMA DE DESGASIFICACIÓN Y VALORACIÓN ENERGÉTICA DEL BIOGÁS DEL VERTEDERO DE “LA VALL D’EN JOAN”: resumen. [En línea]. España: Bibliotécnica, 2004. <http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/34308­1.pdf> [Consulta : Enero de 2006].

La técnica de PSA asegura eficacias altas (hasta el 98%), pero es un proceso

relativamente costoso.

TSA (adsorción con variación de temperatura): el adsorbente es regenerado mediante

el aumento de su temperatura.

ESA (adsorción mediante corriente eléctrica): la regeneración tiene lugar al hacer

pasar una corriente de bajo voltaje por el adsorbente

Adsorción por Separación mediante membranas de zeolitas. Las membranas

inorgánicas microporosas se presentan como una alternativa a las membranas

poliméricas debido a su mayor estabilidad química y térmica. Dentro de este grupo se

encuentran las membranas de zeolita. Las zeolitas son aluminosilicatos hidratados con

propiedades específicas de adsorción, intercambio iónico y que poseen un tamaño de

poro definido del orden del de las moléculas.

60

La capa de zeolita selectiva, se encuentra en el exterior de un tubo cerámico, varios de

estos tubos se introducen en una carcasa. Por el interior de los tubos cerámicos circula un

gas de barrido. Por el exterior de los tubos, interior de la carcasa, circula la mezcla de

gases CH4/CO2 a separar, como se muestra en la Figura 15. A través de la membrana

permea preferentemente el CO2.

Figura 15. Esquema del sistema de separación con membranas.

Fuente: MEJORA DEL SISTEMA DE DESGASIFICACIÓN Y VALORACIÓN ENERGÉTICA DEL BIOGÁS DEL VERTEDERO DE “LA VALL D’EN JOAN” : resumen. [En línea]. España: Bibliotécnica, 2004. <http://bibliotecnica.upc.es/PFC/arxius/migrats/34308­1.pdf> [Consulta : Enero de 2006].

Los compuestos clorados generalmente se eliminan en unidades de adsorción de carbón

activo, que puede ser regenerado periódicamente mediante el flujo de aire caliente o

vapor sobrecalentado. Al igual que con los compuestos sulfurados, es habitual tener más

de una unidad que funcione alternativamente.

Separación mediante la técnica de ENFRIAMIENTO: Criogenia o Condensación.

Criogenia: La separación criogénica es muy utilizada comercialmente para la purificación

de CO2 precedente de corrientes que ya tienen una elevada concentración de CO2

(>50%). No es utilizado en la recuperación de CO2 procedente de gases de la combustión

de carbón o gas natural debido a que es económicamente inviable. La ventaja que tiene

es que nos da una producción directa de CO2 líquido, el cual es necesario para un

transporte económico. Las aplicaciones más importantes de esta técnica pueden llegar a

ser la separación de CO2 de gases a alta presión (como en los procesos de

61

precombustión), o la combustión con oxígeno o aire enriquecido, en la cual la

alimentación contiene altas concentraciones de CO2 49 .

Condensación: Como técnica para la purificación de gases, su interés primario se centra

en la eliminación de compuestos volátiles orgánicos (VOCs) procedentes de gases de

combustión. El proceso consiste en enfriar la corriente de gas a una temperatura tal que el

componente orgánico tenga una baja presión de vapor, y colectar el condensado 50 .

2.2 TECNOLOGÍAS PARA LA INYECCIÓN DEL BIOGÁS RICO EN METANO AL

GASODUCTO DE DISTRIBUCIÓN URBANO.

Uno de los posibles métodos de inyección del biogás al gasoducto de distribución urbano,

consiste en una flauta que es introducida en la tubería y acoplada a esta. Dicha flauta debe tener perforaciones a lo largo de la misma donde el número de perforaciones y el

diámetro de las mismas, depende del perfil de velocidades y de la presión del gasoducto

en el punto de tal forma que pueda haber una dilución correcta.

Figura 16. Flauta dentro de la tubería y perfil de velocidades del fluido.

La presión de inyección debe ser ligeramente superior a la presión del gasoducto (20.7bar

[300.22 psi]), se calcula la presión de inyección del orden de 21bar [304.5 psi] (asesoría

recibida del Ingeniero Juan David Echeverri).

49 ESTUDIO COMPARATIVO DE PROCESOS DE RECUPERACIÓN DE CO2 POR ABSORCIÓN CON ÁMINAS, Op. Cit. 50 Ibid.

62

Otro método que se puede emplear es simplemente que para no tener que impactar

directamente la tubería se aprovecha un by pass, y sobre el mismo se coloca un sistema

que se encarga de inyectar el biogás al gasoducto de distribución urbano (ver anexo A).