19 diciembre 2011

Ingeniería de diseño de digestores anaeróbicos (5ª PARTE)



Aislamiento térmico

Ya que la temperatura de fermentación es más alta que la temperatura exterior, los biorreactores usualmente requieren aislamiento térmico.
El poliuretano espumado o las láminas de poliestireno se colocan normalmente en el área del fondo húmedo.
Para la superficie del tanque superior, la lana mineral, la fibra mineral o los plásticos espumados son una alternativa preferida.

Agitadores

La mezcla en un nuevo sustrato se realiza por convección térmica, y la elevación de burbujas de gas es normalmente suficiente para plantas de biogás agrícolas. Solamente las plantas pequeñas pueden operar sin agitadores.
La operación de mezcla se hace mecánicamente moviendo dispositivos en el biorreactor, hidráulicamente por bombas localizadas en el exterior del tanque, o neumáticamente ya sea bombeando biogás o usando la presión del gas generado autónomamente para el trabajo de la bomba, potencialmente con boquillas de dos componentes.
Si la mezcla es excesiva se incrementa el consumo de energía, se deteriora el equilibrio de energía y se perturban los microorganismos, por lo cual en último término decrece la producción de gas. 
Consecuentemente, varias estrategias de mercado se han desarrollado
  • Agitadores de movimiento lento con brazos y remos que alcancen todo el espacio de fermentación, con bajo consumo energético y operando continuamente.
  • Agitadores de media velocidad funcionando intermitentemente o continuamente con un consumo de energía modesto.
  •  Agitadores operando intensamente, alta velocidad con alto consumo de energía, que conmutan repetidamente pero solamente en un corto espacio de tiempo. Ej, cada tres horas al día durante 15 minutos.

Los agitadores de tornillo más habituales usan un motor sumergido ajustable verticalmente, horizontalmente, y con ángulo de inclinación variable.
Los intervalos y tiempos de agitación requeridos deben determinarse individualmente para cada instalación de biogás. Brevemente después de la instalación, la mezcla se realizaría más frecuentemente y durante tiempos más largos por precaución.

Calentamiento

Los siguientes sistemas de calentamiento deben ser considerados:
Calentadores de pared: Los calentadores de pared consisten en tubos de acero inoxidable o no ajustados a lo largo de las paredes interiores. Este tipo de calentador se instala frecuentemente.
Calentadores de suelo: El calentador de suelo consiste en tubos puestos en espiral en el suelo. Este tipo de calentador es conveniente para almacenamiento de estiércol líquido, pero es difícil de limpiar, así que no suele recomendarse.
Calentadores sumergidos: La energía de calentamiento decrece cuando el calentador se encuentra cada vez más sucio, por ello el calentador tiene que quitarse ocasionalmente para su limpieza. Existen dos tipos:
  • Intercambiador de calor: Este tipo se usa junto con un sistema de bombeo del sustrato.
  • Calentador del agitador: El calentamiento se hace mediante el eje de un agitador hueco. El sistema no suele recomendarse porque el área de calentamiento es demasiado pequeño.

Eficiencia

La eficiencia de las instalaciones de biogás agrícolas depende de las condiciones de la planta:
  • Capacidad o tamaño de la planta.
  • Fracción de energía autónomamente generada.
  • Instalación estándar y nivel de automatización.

La relación entre el rendimiento de la instalación y la biomasa disponible puede estimarse aproximadamente según las cifras de la siguiente tabla.

Costes

En la siguiente tabla vemos unas orientaciones aproximadas que pueden ayudar a estimar aproximadamente los costes iniciales de una instalación.


INSTALACIÓN CON DILUCIÓN DEL SUSTRATO Y SEPARACIÓN SUBSIGUIENTE DEL AGUA

La biomasa, como por ejemplo los bio residuos que no pueden bombearse y por lo tanto no se mezclan durante la fermentación, se diluyen con la adición de agua fresca.

En principio, en estas instalaciones el contenido correcto de agua mínimo es del 75 %. Después de la fermentación, el agua se separa nuevamente, debido a que los residuos de la fermentación no pueden usarse en la proximidad inmediata.

Equipo

Para mezclar biomasa y agua, se usan recipientes estacionarios cilíndrico-cónico con fondos muy puntiagudo. El extremo del fondo acaba en la entrada de una bomba de pistón de gran volumen, como las que se usan con el hormigón.

Muchas plantas se construyen a menudo con hormigón reforzado, que es estanco al aire y al gas y tiene buena resistencia a la corrosión y aislamiento.  El aislamiento térmico obtenido por encima del suelo tendrá un valor k de 0,25-0,35 W/m2K,  que se alcanza con lanas mineral y placas espumadas.  Bajo el suelo usualmente no se aplica aislamiento. El aislamiento queda encerrado entre láminas de aluminio en el exterior. 

Un espacio debe existir entre las láminas de aluminio y el material aislante para evitar que quede húmedo y permite que se seque.

En plantas con volumen de hasta 2500 m3, las torres de digestión están hechas normalmente de acero inoxidable y no requieren protección contra la corrosión donde están en contacto con los líquidos debido al proceso de degradación.  Sólo el espacio del gas se pinta con una capa de protección contra la corrosión. El exterior es aislado térmicamente y cubierto con una capa de protección.

Al menos los siguientes dispositivos tienen que montarse en la cobertura del gas de la torre del digestor:
  • Cúpula para la retirada de gas con manómetro y medidor de vacío.
  • Protección contra sobre y baja presión con trampa de agua en línea. 

Proceso de degradación

El proceso de degradación de los residuos tiene lugar asintóticamente, y se para en el límite de degradación técnico. Este límite se alcanza cuando se desarrolla el 90 % de la cantidad de gas de degradación a 15 º C. En ese punto, aproximadamente la mitad de la sustancia orgánica alimentada en el proceso es degradada.
El volumen de la torre de digestión depende de la cantidad de lodos de aguas residuales, la concentración de sólidos en el lodo, y el tiempo de residencia.
Dependiendo de la ingeniería de proceso y máquinas, se eligen los siguientes los siguientes tiempos de residencia.
  • Tiempo de fermentación de 120 días si se usan biorreactores con base sobre suelo.
  • Tiempo de fermentación de 60 días si se usa un digestor simple como tanques Imhoff.
  • Tiempo de fermentación de 30 días si se aplica fermentación mesofílica.
  • Tiempo de fermentación de 10 días si se aplica fermentación termofílica.

Bibliografía: Deublein & Steinhauser. Biogas from Waste and Renewable Resource. Wiley-VCH
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