Agronomía Colombiana, 1996 Volumen XIII, No. 1;pag 76-90

TECNOLOGIAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDOPOR LA DIGESTION ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGANICA

Technologies for the utlllzatlon of gas derived from anaerobic digestionof organic matterLuis Alfredo Hemández A. 1

RESUMEN

El aprovechamiento energético del gasmetano, compuesto principal del biogás,subproducto gaseoso producido de la fermen-tación anaeróbica de la materia orgánica, enforma sólida o soluble, constituye un factorimportante que complementa las bondadestenológicas para la implantación y desarrollode sistemas de tratamiento de residuos orgá-nicos mediante la digestión anaeróbica.

El presente artículo muestra las bon-dades técnicas y operativas en laimplementación de tecnologías para el apro-vechamiento energético del biogás en moto-res de combustión, lámparas para alumbra-do, quemadores domésticos e idustriales ycalderas.

Palabras claves: Biogás, energía deresiduos orgánicos, digestión anaeróbica,energético.

SUMMARV

Energetic use of methane gas, maincomponent of biogas, by product gas ofanaerobic fermentation of organic materialboth solid or soluble forms. It's a moreimportant factor that helps to implantation oftechnologies for the development of sistem fortrataments of organic wastes from anaerobicdigestions.

, Profesor Asociado. Facultad de Agronomía,Universidad Nacional de Colombia. Santaféde Bogotá.

The present article shows the technicaloperative advantages in the improvement oftechnologies for energetics use of biogas forcombustion engines, lamps of lightening,domestic and industrial fires and boilers.

Key words: Biogas,energy from organicwastes, anaerobic, digestion, energy.

INTRODUCCION.

El gas producido en el proceso de des-composición anaeróbica, más conocido comobiogás, representa la materia orgánica en pro-porciones que varían entre 10 Y 40%, depen-diendo de las formas y sistemas de control alos cuales esté sujeta su estabilización, ya seaen condiciones naturales o activadas por elhombre.

Este gas, compuesto principalmente pormetano y bióxido de carbono, almacena unaconsiderable cantidad de energía que puedeser aprovechada mediante la combustión endiferentes procesos como motores de com-bustión, lámparas de iluminación, quemadoresdomésticos e industriales, calderas y en sis-temas de refrigeración, mediante tecnologíasapropiadas que, además, aliviarían efectosambientales adversos que el biogás puedeproducir cuando es descargado a la atmósfe-ra sin una depuración adecuada.

Aunque el desarrollo investigativo y latransferencia de tecnología no han tenido unaalta resonancia a nivel nacional e internacio-nal, se pretende, con el presente trabajo des-pertar el interés en estos sectores hacia laimplementación de sistemas anaeróbicos conrecuperación de biogás en la solución de pro-

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blemas derivados de altas producciones demateriales orgánicos, principalmente en lossectores de tratamiento de aguas residualesdomésticas, agroindustriales, de vertimientossólidos y líquidos de mataderos o plantas desacrificio de animales, de las basuras de pla-zas de mercado y de la descomposición delmaterial orgánico en los rellenos sanitarios.

APROVECHAMIENTO DEL BIOGAS ENMOTORES DE COMBUSTiÓN

El metano, principal componente delbiogás (CH4, CO2 y SH2), producido de la di-gestión anaeróbica de residuos orgánicos,como cualquier hidrocarburo gaseoso, se pue-de utilizar eficientemente como combustibleen motores de combustión interna.

Un biogás con un contenido de metanoentre 55 y 65%, al entrar en combustión, pro-duce una llama azul y puede tener un podercalorífico entre 22.000 a 26.000 KJ.m-3.

Para tener idea del comportamiento ter-modinámico del biogás en el proceso de com-bustión interna, es conveniente, como punto

de referencia, conocer el comportamiento delmetano o gas natural como combustible, talcomo se puede apreciar en el cuadro 1.

La estequiometría de la combustión delmetano se plantea en la siguiente reacción:

CH4 + 202 + 7,52N2 - CO2 + 2HP + 7,52N2

De esta forma, la relación en peso deaire/combustible será:

(202 + 7,52N2)/(CH4) = (64 + 210,5)/16,04 =17,1 Kg de aire por cada kg de metano que-mado.

Si se tiene en cuenta que la relación decompresión del metano o gas natural está delorden de 8/1, siendo similar a la de otroscombustibles gaseosos y gasolinas y ademásel óptimo índice de octanos (similar al de unagasolina etílica), su relación aire/combustibleen peso (la relación de compresión para lagasolina es de 7,5/1), la posibilidad decompresión por encima de la establecidapara motores de combustión del ciclo Otto(130 P.S.I. a c.s.t.p.) permite predecir unbuen comportamiento del biogás y, especí-ficamente, el metano como combustible en

CUADRO 1. Características físico-químicas y energéticas del metano.

Características Valor

Fórmula CH4

Peso molecular 16,042

Punto de ebullición a 760mm Hg -161,5°C

Punto de congelación a 760mm Hg -182,5°C

Presión crítica 474 kgcm-2

Volumen específ.a 15,5°C y 760mmHg 1,47L.g-'

Poder calorífico (stc) 38,130 KJ/kg

Vol.aire/vol.comb. en combustión 9,53

Indice de octanos 130

Kg de O/kg de CH4 en combo 3,98

Temperatura de ignición 65°C

Relación CO/CH4 en peso para combo 2,74

Fuente: elaboración propia.

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motores de combustión especialmente paraaquellos que trabajan con gas y gasolina,aunque es factible, por la alta compresibilidad,poder utilizarse en motores de combustión tipoDiesel.

Desde el punto de vista físico-mecáni-co, se hace imperativa la necesidad de elimi-nar la mayor cantidad de vapor de agua y gassulfídrico que contiene como impurezas.

Además, se debe tener en cuenta quela presencia de bióxido de carbono en el gasde combustión incrementa las pérdidas en lossistemas de escape del motor, por ser un gasque no contribuye en la combustión.

Cuando se utilizan mezclas de metanoy bióxido de carbono comprimidas en moto-res de traslación, la licuefacción del CO2 a al-tas presiones produce deterioro rápido de loscompresores que alimentan de gas a los ve-hículos.

Cuando s~ necesita disponer de biogáspara utilizarse en motores de combustión es-tacionarios, es recomendable almacenar elgas en recipientes similares a los utilizadospara el envase de oxígeno o de gas comercial.

El acondicionamiento de motores a gasradica en los cambios en el sistema de ali-mentación y dosificación (carburación) delcombustible a las cámaras de compresión delmotor. El sistema de alimentación de gas paraestos motores se realiza a través de válvulas,que, en general, funcionan dentro de los si-guientes parámetros (ver esquema de válvu-la en la figura No 1).

Oscilación de temperatura -10 a 50°C

Presión máxima a la entrada 8 bar

Presión de salida a las cámaras del motor.....2 bar

La experiencia realizada en Medellín enmotores para vehículos de transporte muestrala necesidad de disponer de dos válvulas parala alimentación de combustible: una parareducir la alta presión de almacenamiento delgas (134 bar) al nivel que se usa en lascámaras de combustión del motor (2 a 3 bar),y otra para bajar la presión en la tubería deconducción por debajo de la presiónatmosférica, cuando el motor no estáfuncionando.

e

K

PresiÓn

Ingreso [=:JSalida [·:::::·:1

A

FIGURA 1. Corte de una válvula de diafragma reguladora de presión.

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Experiencias importantes son las cita-das por Hernández-1989, en el aprovecha-miento de biogás producido en un reactoranaeróbico tipo chino procesando los residuosdel matadero del municipio de Yopal(Casanare); esta experiencia mostró el fun-cionamiento de un motor de combustión de20 Kw alimentado con biogás y accionandouna planta eléctrica de 18 Kw. La operaciónde ésta máquina se mantuvo por períodos de1 hora con variaciones de presión en el gasdentro del reactor anaeróbico entre 450 a 1550mm C.A., consumiendo en promedio 4,7 m3

de biogás a un ritmo de 78,3 LPM Y un consu-mo específico de 261 Litros por Kwh.

Al asignarle al biogás un poder caloríficomedio de 700 B.T.U. por pie cúbico (6186 Kcal/m3) y, si se tiene en cuenta que para lageneración de un Kwh, son necesarias 860Kcal, el sistema mecánico funcionó con unaeficiencia del 53%.

En la actualidad, éste no está operan-do, debido a que la demanda de carne supe-ró la capacidad del sacrificio del matadero y,por ende, la capacidad de diseño del reactoranaeróbico, el cual operó eficientemente para16 vacunos sacrificados (actualmente, la de-manda de carne para el municipio es de aprox.30 reses).

Ensayos hechos por Cárdenas, (1994)aprovechando el biogás producido en la plan-ta U.A.S.B (Proyecto del río Frío) para el tra-tamiento anaeróbico de las aguas residualesde Bucaramanga, operando un motor de com-bustión interna tipo Otto de 18 Hp a 3600r.p.m., encontró una eficiencia térmica del40,3%, utilizando un biogás con las siguien-tes características:

CH. : 76,05% en volumen

H2S: 0,10% en volumen

CO2 :. 9,01 % en volumen

H20: 5,80% en vol. como vapor

N2: 8,01 % en volumen

Luego de un proceso de purificación, seobtuvo un biogás con las siguientesconcentraciones (en volumen):

CH.: 87,87%

H2S: 0,05%

CO2: 3,50%

H20: 0,85%

N2: 7,01%,

encontrándose un incremento de la eficien-cia térmica del orden del 20%.

ELlMINACION DE H2S Vénturi

Válvula de control de airetipo mariposa

/ Control de resorte#. /'""IIt,

_Acoplealmotor

Red esférica dealambreVálvula de paso

Biogás

Vénturi hecho con láminas hechas dehierro galvanozado

'1I

lm:~ffi_~\~-~-F~I~Uj;O;d~e:l'i·a~~lr~em!·6t

ITubo del biogás

FIGURA 2. Sistema de alimentación de biogás - Motores Otto y Diesel.

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A pesar de encontrar altas concentra-ciones de metano en el biogás producido, pre-ocupa la presencia de nitrógeno gaseoso, elcual no debe aparecer cuando el proceso esanaeróbico; esta situación se puede originarpor la contaminación de la muestra antes deser analizadas en el cromatógrafo.

Cabe mencionar que el motor no pre-sentó señales de corrosión, ni presencia deazufre en el lubricante.

En Italia, motores de ciclo Otto operandocon biogás han demostrado un consumo es-pecífico entre 600 a 800 litros de biogás porcada Kwh generado. La anterior oscilación devariación es debida a los cambios permanen-tes que se encuentran en el suministro de gas.

Experiencias con motores tipo Diesel enChina, India y Nepal señalan la necesidad deutilizar mezclas de un 20% de ACPM con un80% de biogás para producir una eficientecombustión. Para este fin, se han utilizadoadaptaciones y cambios en el sistema de ali-mentación y dosificación como las observa-das en la figura 2.

La razón para que el solo biogás noopere en forma eficiente en motores Dieselradica en la alta relación de compresión deéstos (aproximadamente el doble a la de losmotores de ciclo OUo).

UTILIZACiÓN DEL BIOGÁS ENLÁMPARAS DE ILUMINACiÓN

Un gas en combustión, al pasar a tra-vés de un filamento le produce incandescen-cia y es éste el principio para la utilización delbiogás en lámparas específicas, siendo suforma de empleo menos complicada que parael caso de motores de combustión.

En cuanto a la remoción de vapor deagua y gas sulfídrico, los requerimientos decalidad del gas son iguales y más exigentes alos planteados en el caso de motores.

Para la operación de una lámpara degas, es necesario una mezcla controlada deaire y biogás, con el fin de ajustar lailuminación a las necesidades y exigencias,ya sean de carácter doméstico o industrial.

El consumo de una lámpara de biogásestá en función de la presión de suministro(600 a 1.500 mm CA) y de la potencia deiluminación. Es lógico, suponer que, al au-mentar la presión de suministro y mejorar lacalidad del biogás, se tiene un incremento enla intensidad de iluminación.

Una lámpara de gas, como algunas degasolina, para producir iluminación utiliza unacaperuza, preferiblemente impregnada de al-gún material radiactivo el cual incrementa laintensidad lumínica por incandescencia. Comoel material de fabricación de la caperuza esbastante frágil, se hace necesaria la protec-ción de ésta de las corrientes de aire, insec-tos y manipuleo por medio de un globo devidrio esférico, sobre el cual se coloca un re-flector para su protección y cubrimiento, ade-más de fijar un radio de iluminación.

Una lámpara de gasolina o de gas detipo comercial se puede adaptar a biogás ha-ciendo una ampliación o sustitución de la to-bera de descarga del gas a aproximadamen-te 1.5mm de diámetro.

La intensidad luminosa de una lámparade biogás puede estar entre 100 a 200 can-delas (bujías), dependiendo de la calidad ypresión de biogás utilizado. El consumo degas en función de la intensidad luminosa y elnúmero de bujías se presenta de la siguienteforma:

Lámparas con potencia de 100 cande-las y 1 caperuza: 0,1 a 0,15 m3/hora.

Lámparas con potencia de 100 cande-las y dos caperuzas: 0,12 a 0,16 m3/hora.

Lámparas con potencia de 100 cande-las y tres caperuzas: 0,15 a 0,20 m3/hora.

Un diseño de Lara (1987), citado porG.T.Z. para el estudio de la difusión de la tec-nología del biogás en Colombia, se muestraen la figura 3.

El funcionamiento de esta lámpara esde la siguiente forma: la válvula (1) regula elflujo de gas y enroscada a ésta se encuentrala tobera (4), provista de un inyector (5), pordonde fluye el biogás arrastrado para queentre a las ranuras de admisión (6) y cuyo flujo

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123456789101112131415

VálvulaPerillaEntrada de gásToberaInyectorRanura de admisiónRegulador de aireTubo de mezclaManguitoRejillaReflectorBaseSoporte inferiorVidrioCaperuza

FIGURA 3. Lampara de biogás -Modelo G. T. Z.

es controlado por medio de un regulador (7).La mezcla de aire se hace en el tubo (8) hastallegar al manguito (9), donde se encuentra lacaperuza (15) en la cual se produce lacombustión.

La experiencia del matadero de Yopal(Hernández, 1989) muestra la operación de12 lámparas de 200 candelas cada una tra-bajando ocho horas diarias (durante la jorna-da nocturna de sacrificio), a una presión desuministro de gas entre 600 a 1.200 mmC.A.(ver figura NoA). Esta lámpara de gasconsta de una válvula en T (1) que regula laentrada de gas; inmediatamente debajo deésta y haciendo parte de un sistema integral,se encuentra un anillo enroscado (2), que re-gula la entrada de aire mediante 5 orificios cir-culares sobre el perímetro del tubo de con-ducción. Aquí, se realiza y reacciona la mez-cla sobre el soporte de caperuza (3) de cerá-mica con perforaciones circulares de 1 mmde diámetro para la salida de la mezcla deaire y biogás.

Encima del soporte de la caperuza seubica el soporte del globo de vidrio (4), el cualdispone de un tornillo para fijar éste al sopor-te. El biogás llega a la lámpara a través de untubo de alimentación fabricado en aluminio de1/4·de diámetro y 40 cm de longitud.

La presión de entrada de biogás se midepor medio de un manómetro en "U", fabrica-do con manguera transparente de 1/4" de diá-metro, donde se marca la presión en mm CAen agua teñida con naranja de metilo sobreuna lámina vertical calibrada en mm.

Un esquema para la instalación de lám-paras de biogás se puede presentar en el si-guiente diagrama.

1: reactor anaeróbico

2: manómetro en «U ..

3: Expansión para la reducción de hu-medad

4: Reducción del contenido de H2S conFep30ZnO

5: Válvula de paso

6: Lámpara de iluminación.

A continuación, se presentan algunasrecomendaciones para la operación y mante-nimiento de lámparas de biogás:

a.) Abrir lentamente la válvula que con-trola el paso de biogás.

b.) Iniciar la combustión utilizando unavela o cerilla sin tocar la caperuza. Una cape-ruza nueva debe ser previamente quemada afin de que adquiera una configuración rígida yaproximadamente cilíndrica.

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FIGURA 4. Sistema de Alumbrado adaptado paraYopal - Lampara de gas.

c.) Después de calentar la caperuza,regular las válvulas de paso de aire y biogás,hasta obtener la iluminación deseada.

d.) Hacer la limpieza de la tobera de gassemanalmente, a fin de eliminar la formaciónde material carbonoso.

e.) Hacer mantenimiento general de lalámpara una vez al mes.

f.) Utilizar una bolsita de plástico paraintroducir la caperuza dañada en el momentode la reposición y evitar su contacto o inhalarsus cenizas.

APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS ENQUEMADORES V CALDERAS

1. Bases termoquímicas

Antes de hacer referencia a los aspec-tos tecnológicos del aprovechamiento ener-gético del biogás en quemadores y calderas,

es necesario conocer la dinámica de la com-bustión del metano como principal constitu-yente del biogás.

Teniendo en cuenta que la unión quími-ca de los átomos de la molécula del CH4 sehace en forma covalente, las energías deunión para éstas formas de enlace tienen elcarácter exotérmico con valores negativos, enrazón a que se libera energía cuando se for-ma un enlace químico de la combinación dedos radicales y éste actúa como una fuerzaestabilizadora por naturaleza. Por lo tanto, laenergía de unión puede usarse para el cálcu-lo de los calores de formación de las sustan-cias químicas y, a su vez, de los calores dereacción, gracias al principio de aditividad delas energías de unión. Luego, la energía totalde unión de un gas, como el metano, será lasuma de todas las energías de unión de losenlaces que lo forman:

CH4 + 202- CO2 + 2HP

Los enlaces rotos serán:

4 C-H con l:lH = 4(87,3)Kcal = 349,2 Kcal

20=0 con ~H = 2(139,6)Kcal = 279,2 Kcal

La energía total absorbida es de 488,8Kcal y a partir de los enlaces formados:

2 C=O :~H 2(-149)Kcal = -298,0 kcal

4 H-O :~H 4(-110,2)Kcal= -440,8 Kcal

La energía (H) total liberada será de-440,8Kcal; luego, la energía neta total (Hn)producida, al quemar una mol de metano,será de 250 Kcal.

El anterior valor de Hn para el CH4 con-cuerda con el calor de reacción y de forma-ción (Hf), basado en el principio de conserva-ción de la energía.

A partir de las leyes de Lavoisier y Hess,se obtiene un valor de 212 Kcal/mol al reac-cionar una mol de metano con dos moles deoxígeno (la diferencia radica en la aproxima-ción que se hace al tomar la energía de untipo de enlace como el promedio de la mismaen distintos compuestos).

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En la eficiente combustión del metano,deben controlarse tres aspectos para un altoaprovechamiento energético, como son latemperatura, la presión y la composición delgas, la cual se relaciona con la cantidad deaire necesaria para una perfecta combustión.

También, se debe considerar que lareacción podría generar estados dehidroxilación que, generalmente, conducenproblemas de contaminación del aire; cuandose quema metano, inicialmente se presentauna adición o asociación de oxígeno con lamolécula de metano, produciendo compuestoshidroxilados inestables, que, a su vez, formanaldehidos, disociándose y oxidándose paraproducir finalmente bióxido de carbono yagua,como se observa en los siguientes pasos:

1. CH + 0.502 -> CHpH

11. CHpH + 0.502 -> HCOH + HP

111. CHp -> CO + H2

IV. CO + 0,502 -> CO2 y H2 + 0,502 P HP

En el interior, la llama de combustión deun gas se forma un cono azul con espesor deaproximadamente 0,2mm, seguido de unasegunda zona en forma de penacho, quecontiene los gases producidos de la reacciónde la zona interior. Si se efectúa una mediciónde temperatura en la cima de la región azulde la llama, tal registro estaría cercano a aquelestimado a partir de los calores específicosde los productos de combustión y de losvalores de las disociaciones.

Para el biogás y específicamente parael metano, existen factores que alterarían latemperatura de combustión, como las conti-nuas variaciones de la relación aire/com-bustible, la baja temperatura de la mezcla yel contenido de materiales inertes que, comoel bióxido de carbono y el N2 del aire, pue-den reducirla entre un 30 % a 40%, respecti-vamente.

Por lo tanto, la coloración de la llamase puede constituir en un indicador de la cali-dad de la reacción del gas en función de laproporción de combustible utilizado. Cuandola concentración de metano presente en lamezcla de biogás es inferior a un 30% en vo-

lumen, la zona interior de la llama tenderá auna coloración amarillenta, mientras que, sila concentración sube p. más del 55%, éstaadquiere una tonalidad azul. Esta situación esnecesario conocerla en la calibración y ope-ración de sistemas de quemadores y calde-ras que utilizan total o parcialmente el biogás.

2. Tecnología de los quemadores debiogás

Un quemador se define como un dispo-sitivo encargado de poner en contacto el gascombustible (biogás) con el comburente. Bajoesta situación, el gas actúa como inductor,arrastrando parte del aire necesario para lacombustión (aire primario), mientras que seutiliza otro aire en el punto o encima del pun-to de combustión (aire secundario); por lo tan-to, desde el punto de vista del uso dequemadores domésticos e industriales quepuedan operar con biogás, éstos deben estarexpuestos a las condiciones atmosféricas.

Un buen diseño de los sistemas de su-ministro y conducción de gases promueve unallama estable, bien estructurada por zonas y

QUEMADOR TIPO ANILLO

A+;-b~~Ó

Vista Superior A-A

QUEMADOR TUBULAR

El largo no debe ser mayor de dos metros

Tapa

.....• • • • • • I

FIGURA 5. Tipos de quemadores utilizando biogas

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con una mínima producción de gases conta-minantes (hidrocarburos y monóxido de car-bono).

Las dimensiones de un quemador do-méstico e industrial de gas depende de facto-res como:

-Características y propiedades del biogás

-Consumo del quemador

-Presión de entrada del gas

-Consumo de aire primario y secundario; y

-Propiedades del aire.

Existen varios tipos de quemadores,pero los que han presentado más adaptabili-dad al aprovechamiento energético del biogásson los quemadores domésticos de cabezacilíndrica que se emplean tradicionalmentecon gases comerciales de propano-butano ylos quemadores industriales de los tipos deanillos concéntricos y tubulares (tipo flauta),con orificios perimetrales de salidas múltiples,como se pueden observar en la figuras 5 y 5A.

Area total de salida Orificios de salida~r ~ Id,

/~Cabeza del quemador~n~

Garganta

Orificios de bordea borde

~/::::;0;0000)000000

0000000(0000078888"

Quemadodoméstico

FIGURASA. Corte de un quemador cilíndrico parabiogás

3. Características de los quemadoresempleados con biogás

Los quemadores domésticos parabiogás trabajan con presiones entre 50 a 150mm de C.A. en estufas de 1 a 4 puestos conquemadores circulares de 2 a 10 pulgadas dediámetro. El consumo de biogás (con 55% envolumen de metano) varía según el tamañode la tobera de descarga del quemador en lasiguiente forma:

Diámetro de la tobera(mm.) Consumo(lit.lhora

2 330

4 470

6 640

Los quemadores comerciales domésti-cos se pueden adaptar a biogás ampliando eldiámetro de las toberas de descarga de gas yla del flujo de aire primario, en función de lamayor densidad del biogás, sobre todo cuan-do éste viene cargado de impurezas como pro-ducto de una deficiente limpieza. Aunque, parael propósito específico, es válido el diseño deinyectores y válvulas para garantizar una mez-cla y combustión adecuadas, las variacionesde presión, la presencia de materiales inertesdurante la generación y aprovechamiento delbiogás, no justifican dimensiones perfectas.

Los quemadores industriales de más de2 Kw, tipo anillos concéntricos y con o sin do-ble aro, demandan mayores presiones desuministro de biogás, (500 a 2.000 mm CA) y,como en los domésticos, es necesario ampliarhasta 2mm la boquilla de descarga de biogás,en comparación con quemadores del mismotipo que operen con gas comercial.

Otros quemadores industriales de unmetro de longitud y 1 pulgada de diámetro,tipo tubular, como los instalados en los pro-yectos de Yopal y Tunja, funcionan con pre-siones de gas dentro del reactor desde 60mmCA, calentando a una temperatura de 75°Caproximadamente 1.200 litros de agua parael escaldado (pelado) de porcinos. Estos que-

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CUADRO 2. Diagnóstico de problemas comunes que se pueden presentar en un quemador de biogás

Problema Causas posibles Posibles soluciones

Llama larga y amarillenta Deficit de aire primario. Aumentar entrada de aire.Exceso de combustible Reducir paso del biogás

lama despega del quemador Alta presión y velocidad del Reducir entrada aire primariogas

Llama debil y se extingue Baja velocidad del gas en la Aumentar diámetro deltobera inyector

Llama muy pequeña Deficit de combustible Limpiar orificio de inyecciónobstruido. Incrementar (2) de

orificio de descarga

Manchas amarillas en Llama Deficit de aire primario Ampliar entrada de aireprimario

Fuente: Adaptado de Deutshe Gesellschaft fuer Technische Zusammenarbeit (G.T.Z.), 1976.

madores se colocan por debajo y a lo anchodel tanque de escaldado con dimensionesasociadas al área de transferencia de calor.

El Cuadro 2, resume los problemasmás comunes que se pueden presentar en unquemador doméstico o industrial alimentadocon biogás.

APROVECHAMIENTO ENERGÉTICODEL BIOGÁS EN CALDERAS

Una caldera consiste en un sistematermo mecánico para calentar agua o generarcalor en forma de vapor, pudiéndose utilizaren procesos de generación eléctrica, controlsanitario, cocción de alimentos, procesosbioquímicos y concentración de productos(fabricación de panela y azúcar).

Básicamente, una caldera para gasconsiste en un sistema de--combustión quedispone de un quemador de tiro forzado. Elcalor generado al quemarse el gas es par-cialmente transferido a una superficie inte-gral o tubular la cual contiene o conduceceagua, que genera una cantidad de vapor, conuna energía de entalpía (H), en función de latemperatura y presión a la cual se produce elvapor.

El quemador de una caldera de gas tie-ne un juego de electrodos de ignición, un ven-tilador y una válvula para el controlde la com-bustión. Otros dispositivos de control de estetipo de sistemas se orientan a mantener unascondiciones de carga y presión, tanto del agua,como del vapor generado.

Las calderas que se acondicionan paraaprovechar el bio¡Ws son del tipo vertical, convolúmenes en la cámara de combustión quevarían entre 4 a 20 pies cúbicos y conpotencias que oscilan comercialmente entre5 a 50 BHp.

Aunque, técnicamente, el biogás sepuede utilizar como combustible en una cal-dera corriente de gas, éste debe serexigentemente purificado, en cuanto al con-tenido de gas sulfídrico y vapor de agua, ade-más de eliminar la mayor cantidad de CO2•

La selección del tamaño de la calderaestá en función de la disponibilidad ycaracterísticas del biogás producido, de lacalidad y disponibilidad de agua y de lasnecesidades térmicas de agua caliente o vaporpara cualquiera de sus usos.

Si bien es cierto que no existenexperiencias en Colombia y no se dispone deinformación internacional sobre aplicaciones

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del uso de calderas que aprovechen parcial ototalmente el biogás como combustible, esnecesario el uso de un compresor paramantener unas condiciones reguladas desuministro del gas hacia la cámara decombustión. Además de existir la posibilidadde utilizarse el biogás como complementoenergético en calderas de petróleo crudo(crudo de castilla, combustóleo) o ACPM, sedebe establecer la compatibilidad térmica delos combustibles y reforzar los sistemas decontrol de la contaminación del aire.

Por las características y propiedadestérmicas del biogás altamente purificadocomparadas con otros gases hidrocarburos,como el propano y gas natural, no existenincompatibilidades para su conversión total oparcial.

Sin embargo, cuando se trate decomplementar energéticamentecon gas a unacaldera de petróleo, ACPM o carbón, esrecomendable instalar una alimentaciónindependiente para el biogás.

En Colombia, existe una variedad demarcas y capacidades de calderas conposibilidades de utilizarse con biogás, cuyosprecios comerciales oscilan entre 3.000 a10.000 dólares, entre las cuales se puedencitar las siguientes con sus características:

Caldera vertical (Distral), pirotubular

Potencia: 10 BHp

Presión de diseño: 150 PSI

Superficie de calefacción: 70 pies cua-dra dos

Volumen de la cámara de combustión:5,9 pies cúbicos

Generación de calor: 334.750 BTU/Hora (8.450 Kcal/Hora)

Combustible: gas, con más de 2.500BTU/pie3(22.000 Kcal/m'')

Consumo de gas : 167 piesvl+ora(4,8m3/Hora)

Producción de vapor : 345 Lbs/Hora astcpt.

Si se tiene en cuenta que el poder calo-rífico del biogás alcanza unas 6.000 Kcal/rn",sólo, podría utilizarse como complementoenergético a cualquier hidrocarburo gaseo-so, sinque se afecte la generación de entalpíaen las condiciones de diseño de la caldera;de lo contrario, habría que hacer cambios enel volumen del hogar de combustión e incre-mentar el flujo de biogás.

Otro tipo de caldera, para la cual elbiogás puede utilizarse como complementoenergético, es la fabricada o comercializadapor la firma Tecnick Ltda, la cual presenta lassiguientes características:

Tipo: pirotubular

Combustible: gas, con poder caloríficode 19.000 BTU/Lb. (2.300 BTU/pies3)

Presión de trabajo: 150 PSI

Consumo de gas: 9 Lb./Hora (4 Kg/Hora) (85 piesvl-íora)

Producción de vapor: 173 Lb/Hora.

Al igual que la caldera de Distral, exis-ten inconvenientes en el poder calorífico delgas requerido, además que un incremento enel flujo de biogás traería consecuencias ne-gativas para la eficiencia global del sistema,por la presencia de gases inertes como eldióxido de carbono.

Sinembargo,si se suponeque al biogásse le ha realizado una exigente limpieza, in-cluyendo la eliminación de alto porcentaje deCO2,su comportamiento se puede asociar algas natural y las pérdidas de calor sensibleen el escape serían ligeramente mayores,comparadas con las del propano, desde elpunto de vista de la relación estequiométricaaire/combustible,según la siguiente reacción:

C3Ha+502+ 18,8N2=>3C02 + 4HP + 18,8N2Así, se obtiene una relación

estequiométrlca apartir de los pesos atómicosde 15,6Kg de aire por Kg de combustible, lacual es unidad y media menor que la señala-da anteriormente para el metano. Desde estepunto de vista, habría un incremento del or-den del 8,7% del aire para la combustión delmetano casi puro. Bajo esta comparación, se

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tendría una reducción en la eficiencia de lacaldera de biogás por el incremento depérdidas en el sistema de escape, además dela baja calidad termodinámica del vaporgenerado.

Una ventaja relativa del uso del metanoaltamente purificado es la de requerir, para sucombustión completa, excesos de aire muyinferiores a los de combustibles sólidos comocarbón y residuos agrícolas o madera en pro-porciones que van hasta el 230%.

Desde el punto de vista del estado na-tural en el cual se encuentra el metano (biogásaltamente purificado), con respecto a combus-tibles líquidos, es necesario señalar que lossegundos deben «robar» calor del medio paravaporizarse, el cual, unido al emitido a travésde las chimeneas, como consecuencia al ca-lentamiento del mayor volumen de nitrógenoatmosférico derivado de los excesos de airerespecto a las demandas teóricas exigidas,disminuye, en forma significativa, la eficien-cia del proceso.

Otra ventaja la constituye su bajoimpacto ambiental en la combustión, debidoa la no emisión de contaminantes en formade hidrocarburos parcialmente oxidados(óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre), encomparación con combustibles líquidos ysólidos. Además, su combustión producemenores volúmenes de bióxido de carbono porunidad energética producida, (50% y 30%menos que el carbón y combustibles líquidos,respectivamente), por tener una relaciónmenor de átomos de hidrógeno con respectoa los átomos de carbono.

SISTEMAS DE LIMPIEZA PARA LAPURIFICACiÓN DEL BIOGÁS

La descomposición anaeróbica deresiduos complejos genera un productogaseoso compuesto por metano, bióxido decarbono, gas sulfídrico y vapor de agua. Elmetano producido proviene de la reduccióndel ácido acético (CH3COOH) en un 75% ydel CO2 en un 25%. Gases, como el H2S y elCO2, provienen de las fases de hidrólisis yacidificación en la estabilización decarbohidratos y proteínas.

En el proceso de estabilización de lamateria orgánica, se puede volatilizar ésta en-tre un 15% a 25%, dependiendo de factoresambientales, de la velocidad de carga y delas características del tipo de substrato parametabolizar en los tanques de reacción.

El H2 S y el CO2 no contribuyen en elbeneficio del aprovechamiento energético delmetano y es el bióxido de carbono, por sualta concentración en el gas producido sonun factor en la reducción del poder caloríficodel metano.

En la degradación anaeróbica, lossulfatos son reducidos, por bacterias, asulfuros yagas sulfídrico, según la siguienteecuación:

S04= + materia or-

gánica + bacterias

S=+ 2H+ => H2S

El gas sulfídrico puede oxidarsebiológicamente hasta H2S04, el cual es alta-mente corrosivo para duetos y partes metáli-cas.

El gas sulfídrico formado, por la estabi-lización de la proteína y por la reducción desulfitos y sulfatos minerales, es un gas inco-loro, inflamable con olor característico a hue-vos podridos, lo cual, ambientalmente, difi-culta su disposición a la atmósfera.

Teniendo en cuenta la necesidad de re-mover completamente el SH2 y la mayor pro-porción de bióxido de carbono y el vapor deagua presentes en la mezcla de gases produ-cidos de la digestión anaeróbica, se han di-fundido métodos físicos y químicos que pue-den aplicarse a cualquier nivel tecnológico,desde los sistemas domésticos a los indus-triales. A continuación, se describen algunosmétodos para la remoción de los tres conta-minantes del metano.

1. Burbujeo en agua

Es el método más simple para la remo-ción de las impurezas del metano a través deun lavado del mismo. Si se tiene en cuentaque a 20°C y una atmósfera de presión, los

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requerimientos de agua para lavado son al-tos; se han diseñado columnas empacadasbajo presión, cuyo propósito es incrementarla adsorción del CO2. El método tiene los in-convenientes del uso de grandes cantidadesde agua para lograr la solubilidad del CO2 yde la calidad corrosiva de ésta al generarseestados ácidos durante la remoción del bióxi-do de carbono.

La solubilidad del CO2 aumenta en lamedida que lo hace la presión de la corrientede biogás y se reduce al incrementar la tem-peratura, según el cuadro 3.

Cuando se utilizan presiones mayoresa la atmosférica, es necesario el uso decompresores, los cuales se deterioran fácil-mente, debido a la corrosión causada por elestado ácido del agua.

En la práctica, a pesar de ser un méto-do simple, resulta inoperante, si se tiene encuenta que las presiones alcanzadas en lostanques de reacción no superan los 2.000 mm.de C.A.(2 kq.crn"), con una temperatura delos gases del orden de 25°C.

2. Adsorción química

Se utiliza en la eliminación de gassulfídrico, mediante el uso de una esponja dehierro colocada antes de ser usado el gas. ElH2S reacciona con el óxido férrico formandosulfuro férrico yagua. La regeneración del óxi-do férrico se realizará por recirculación de aire.

El proceso citado se puede presentaren la siguiente ecuación:

Limpieza: Fep3 + 3H2S => Fe2S3+ 3H20

Regeneración: 2Fe2S3+ 302=> 2Fep3 + 3S2

El Fe203 debe colocarse en una expan-sión de aproximadamente cinco veces el diá-metro de la tubería de conducción del gas,preferiblemente antes de los dispositivos deaprovechamiento energético. La concentra-ción del gas sulfídrico, antes o después delos procesos de su eliminación, se puedeevaluar por cromatografía de gases o por ab-sorción del gas a través de una columna deacetato de zinc.

La remoción química del gas de azufrea través de óxido férrico es económica y susresultados son aceptables internacionalmente.

3. Acción biológica

En nueva Zelandia, se han realizadoimportantes experiencias para el tratamientobiológico en la reducción de la concentraciónde H2S de las descargas gaseosas de plan-tas de digestión anaeróbica. Unas primerasexperiencias mostraron que, cuando el gas deazufre se encuentra en concentraciones su-periores a los 1.000 mq.L:' y es quemado jun-to. con el metano en calderas, produjo corro-sión en los sistemas de conducción, generan-do grandes cantidades de S02' gas altamen-te contaminante causante de la lluvia ácida.

CUADRO 3. Variación de la solubilidad del C02en lunción de la temperatura y presión del biogás.

SolubilidadPresión de biogás Kg de CO2 por 100 Kg de agua

kcrn" Temperatura -cO 10 20 30 40

1,03 0,40 0,25 0,15 0,10 0,10

10,30 3,15 2,15 1,30 0,90 0,75

51,70 7,70 6,95 6,00 4,80 3,90

103,00 8,80 7,20 6,60 6,00 5,40

207,00 ------- 7,95 7,20 6,55 6,05

Fuente: National Academy 01 Sciences, 1973

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Otras experiencias para el tratamientode gas sulfídrico originado en la digestión deresiduos de carnes muestran la reducción enla concentración del H2S en oscilaciones en-tre el 25 al 62% mediante incineración a tem-peraturas medias de 750°C y tiempos de resi-dencia de 0,5 segundos, pero el procedimientoresultó costoso e ineficiente. Tal vez, el méto-do integral más avanzado para la remocióndel gas sulfídrico, proveniente de plantas detratamiento de residuos complejos, sea el ci-tado por Rands,(1981), en el cual, utilizandouna pila de compost de un metro de alto for-mada por residuos de matadero (rumen, san-gre y sebos), sobre un piso de escoria y ha-ciendo fluir el gas en sentido ascendente poruna tubería perforada, se lograron remocio-nes del orden del 100%. Esto se demostró porel incremento de temperatura, causado por laactividad biológica dentro de la pila decompost.

De esta forma, además de lograr unaalta remoción de gas sulfídrico, se obtuvo uncompost de magníficas propiedades fertilizan-tes, con una reducción de la relación C/N de45/1 , cuando está crudo, a 30/1 cuando se hatratado con gas en un tiempo de retención de20 días.

4. Burbujeo alcalino

Esta técnica, utilizada para la remocióndel CO2 emplea sustancias alcalinas, comolos hidróxidos de sodio, de calcio o de potasio.Al pasar una corriente de gases que conten-gan bióxido de carbono (biogás o gases in-dustriales) a través de soluciones de las sa-les señaladas, se produce una reacción quí-mica, que, para el caso de la soda, es la si-guiente forma:

2NaOH + CO2 => Na2C03 + HP

Manteniendo a presión la corriente deCO2 sobre el carbonato de sodio, se formaráun precipitado de bicarbonato de sodio, deacuerdo a la siguiente ecuación:

Na2C03 + CO2 +HP=> 2NaHC03 (reversible)

Para mejorar la eficiencia de la reacción,la solución alcalina se debe mantener en agi-tación, promoviendo la difusión y contacto delgas en el líquido. Un segundo factor que afecta

la velocidad de la reacción es la concentra-ción de la solución, por ejemplo, con normali-dades entre 2,5 a 3,0 de NaOH, se logra unarápida reacción.

Aunque, en la industria, para laeliminación del CO2 se utiliza más el KOH, elhidróxido de calcio brinda mejoresposibilidades desde el punto de vistaeconómico y de mayor velocidad de reacción,pero se presenta alguna dificultad en laremoción del carbonato de calcio en lostanques de burbujeo, sobre todo cuando setrabaja con altas tasas de remoción de CO2•

El carbonato formado puede integrarseal sistema de tratamiento como coagulante enlas unidades primarias de sedimentación y/ocomo estabilizador del pH, cuando sepresentan condiciones ácidas en la mezclalíquida dentro de los reactores.

Si el tiempo de contacto del biogás essuficiente, también, puede ser removido elH2S, formándose un precipitado de sulfuro desodio, según la siguiente reacción:

H2S + Na2C03 => NaHS + NaHC03

El H2S y el CO2' pueden ser removidosutilizando otras sustancias alcalinas, comosoluciones amoniacales, fosfato trisódico yfenolato de sodio, pero su uso es limitado acausa d,e los elevados costos con respecto alas sustancias alcalinas de Na, Ca y K.

5. Remoción del vapor de agua

El vapor del agua es un contaminanteque reduce el poder calorífico del metano yque, junto con el H2S, puede generar esta-dos ácidos en tuberías y sistemas por dondecircula o se aprovecha el gas. El vapor de aguase produce en reactores que funcionan a másde 20°C.

Para eliminar el agua y evitar que éstacause los problemas señalados, esrecomendable instalar expansiones en latubería de conducción a un diámetro de 3 a 5pulgadas por 5" de longitud, colocadas enposición vertical; en el fondo de estaexpansión se debe colocar un registro, el cualdebe ser abierto por lo menos cada dos días.

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A nivel industrial, el agua de una co-rriente de biogás se puede eliminar a travésde un intercambiador de calor fabricado encobre y lleno de nitrógeno líquido a una tem-peratura de -230°C.

A esta temperatura, el agua se conden-sa rápidamente y el gas se conduce a lossistemas complementarios de purificación.Debe tenerse en cuenta que la remoción dehumedad es recomendable como el primerpaso en la depuración del metano.

LITERATURA CITADA

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