26 diciembre 2011

Comprendiendo en detalles las propiedades del biogás




Continuamos con los artículos en los que explicamos el aprovechamiento de los residuos para producir energía vamos a centrarnos estar vez en comprender las posibilidades del biogás según su composición.
El biogás consiste principalmente en metano y dióxido de carbono, pero además contiene varias impurezas.

Tabla 1. Características generales del biogás
Composición
55-70 % metano (CH4)
30 – 45 % dióxido de carbono (CO2)
Trazas de otros gases

Contenido de energía
6,0 – 6,5 kWhm-3
Equivalente en combustible
0,60 – 0,65 L petróleo/m3 biogás
Límites de explosión
6-12 % biogás en aire
Temperatura de ignición
650-750 ºC (con el contenido de metano mencionado arriba)
Presión crítica
75-89 bar
Temperatura crítica
-82,5 ºC
Densidad normal
1,2 kgm-3
Olor
Huevos podridos (el olor del biogás desulfurizado es apenas observable)
Masa molar
16043 kgkmol-1


Tabla 2. Características del metano

Temperatura

Presión (bar)
Densidad (kgL-1)
Punto crítico
-82,59 ºC
(190,56 K)
45,98
0,162
Punto de vaporización a 1,013 bar
-161,52 ºC
(111,63 K)

0,4226
Punto triple
-182,47 ºC
(90,68 K)
0,117


Composición detallada de los componentes del biogás
En la siguiente tabla vemos las características generales de los componentes de gas típico y su impacto en la calidad del gas.
Componente
Contenido
Efecto
CO2
25 – 50 % volumen
-          Disminuye el valor calorífico.
-          Incrementa el número de metano y las propiedades anti-choque de los motores.
-          Origina corrosión (ácido carbónico en caja concentración) si el gas está húmedo.
-          Daña células de combustible alcalinas.
H2S
0-0,5 % volumen
-          Efectos corrosivos en equipos y sistemas de tuberías (corrosión de tensión); muchos fabricantes de motores establecen un límite superior de 0,05 por % en volumen.
-          Emisiones de SO2 después de los quemadores o emisiones de H2S con combustión imperfecta – límite superior 0,1 por % en volumen
-          Avería los catalizadores.
NH3
0-0,05 % volumen
-          Emisiones de NOx después de los quemadores dañan las células de combustible.
-          Incrementa las propiedades antidetonantes de los motores.
Vapor de agua
1-5 % volumen
-          Causa corrosión del equipo y sistemas de tuberías.
-          El condensado daña instrumentos.
-          Riesgo de congelación de sistemas de tuberías y boquillas.
Polvo
>5µm
-           Bloquea boquillas y células de combustibles
N2
0-5 % volumen
-          Disminuye el poder calorífico.
-          Incrementa las propiedades antidetonantes de los motores.
Siloxanos
0-50 mg m-3
-          Actúa como un abrasivo y daña motores.

Una combinación de biomasa y co-sustratos ayuda a disminuir el contenido de CO2 producido durante el proceso de fermentación.
Metano y dióxido de carbono
La composición del gas (refiriéndose principalmente al ratio de dióxido de carbono a metano) puede controlarse parcialmente. Depende de los siguientes factores:
  • La adición de compuestos con hidrocarburos de largas cadenas, por ejemplo materiales ricos en grasas, pueden ayudar a mejorar la calidad del gas, probado que las cantidades son razonables y no demasiado grandes para evitar acidez.
  • Generalmente, la descomposición anaeróbica de la biomasa mejora con el tiempo de exposición. Hacia el fin del tiempo de residencia el contenido de metano se incrementa desproporcionadamente, especialmente tan pronto como el proceso de hidrólisis de liberación de CO2 se activa
  • El proceso de fermentación tiene lugar mucho más rápidamente y uniformemente si el material en el biorreactor está bien y se activa homogéneamente. El tiempo de exposición puede ser más corto.
  • Si el sustrato está encerrado en estructuras de lignina, el tipo de desintegración del sustrato llega a ser importante.
  • Un mayor contenido de líquido en el biorreactor da como resultado una mayor concentración de CO2 disuelto en el agua, reduciendo el nivel de CO2 en la fase de gas.
  • Cuanto más sube la temperatura durante el proceso de fermentación menor es la concentración del CO2 disuelto en el agua. Puede influir la calidad del gas de una forma positiva si el material del fondo del reactor se elimina porque el CO2 es descargado.
  • La interrupción en el suministro de energía debe evitarse para una hidrólisis completa del material. Es importante que el material para descarga esté completamente descompuesto.
  • El sustrato tiene que estar bien preparado para acelerar e intensificar la descomposición.
Nitrógeno y oxígeno
En general, el biogás contiene nitrógeno y oxígeno en un ratio de 4:1. Ambos componentes del aire se introducen cuando se introduce la ventilación para retirar el sulfuro. Pequeñas cantidades de aire pueden infiltrarse si las tuberías de gas no son completamente estancas.
Monóxido de carbono
La cantidad de monóxido de carbono está por debajo del límite de detección de 0,2 % en volumen.
Amoniaco
La concentración de amoniaco es usualmente muy baja en el biogás (<0,2 mgm-3 de biogás).
Sulfuro de hidrógeno
El contenido de sulfuro de hidrógeno en el gas de los humos depende del proceso y tipo de residuo. Sin un paso de desulfuración, la concentración de H2S a menudo excedería un 0,2 % por volumen.  Si se fermenta un sustrato viscoso, el contenido de H2S a menudo excederá un 0,2 % en volumen. Si se fermenta un sustrato viscoso, el contenido de H2S es más bajo que cuando se usa un sustrato líquido. Es más bajo con bio residuos comparativamente a otros residuos, estiércol líquido y co-sustratos agrícolas.
El contenido de sulfuro de hidrógeno en el biogás está sujeto a una variación inexplicable a lo largo del día. Para mantener los niveles lo más bajos posible el biogás usualmente es desulfurizado mientras está todavía en el biorreactor.
Este paso intermedio puede ayudar a reducir su contenido por debajo de 70 mgm-3 cuando se usan co-sustratos o por debajo de 310 mgm-3 en plantas que usan estiércol líquido puro para fermentación. Pero incluso con desulfurización el contenido de H2S en el biogás es relativamente alto.
Cloro, flúor, mercaptano
La concentración de cloro, flúor y mercaptano tiene usualmente un límite de detección de 0,1 mgm-3. Los hidrocarburos de halógenos están presentes en aguas residuales y gases de vertederos.
BTX, PAK, etc
La concentración de benceno, tolueno, etilbenceno, xileno, y cumeno (BTX) están siempre por debajo del límite de detección de 1 mgm-3, con pocas excepciones en el caso del tolueno. Un valor de tolueno más alto (7,4 mgm-3) puede resultar si co-fermentan residuos especiales.
La concentración de PAH (hidrocarburos aromáticos policíclicos) puede exceder el límite de tección de 0,01 µgm-3 a veces, pero siempre sólo ligeramente, hasta un máximo de 0,03 µg/m3.
Siloxanos
Varios compuestos de silicio, los siloxanos, forman un grupo separado de materiales presentes en biogás. Los siloxanos pueden encontrarse particularmente en cosméticos, detergentes, tintas de impresión, y materiales de construcción.
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