ESTADO DEL ARTE Y PERSPECTIVAS SOBRE PURIFICACIÓN Y ENRIQUECIMIENTO DE BIOGÁS

Transcripción

1 ESTADO DEL ARTE Y PERSPECTIVAS SOBRE PURIFICACIÓN Y ENRIQUECIMIENTO DE BIOGÁS Nombre: Guillermo Quijano Institución: Instituto de Ingeniería - UNAM

2 Fuentes alternativas de energía Energía renovable Residuos con alto contenido en materia orgánica Energía renovable en forma de BIOGÁS

3 Digestión Anaerobia Tecnología biológica robusta y ampliamente aplicada 37 C 55 C Biogás Digestato Materia orgánica

4 Digestión anaerobia: somos lo que comemos ~60% CH 4 ~39% CO 2 H 2 S (proteínas, sulfato) Metil siloxanos volátiles (MSVs) Productos cosméticos y detergentes (champú, cremas, maquillajes, acondicionadores, jabones, etc.)

5 Contaminantes más importantes del biogás H 2 O, O 2 1,000 30,000 ppm v H 2 SO 4 Corrosión Aguas residuales de papeleras, vinazas vitivinícolas, producción de ácido cítrico

6 Contaminantes más importantes del biogás mg m -3 Abrasión Principalmente biogás de relleno sanitario (vertedero)

7 Contaminantes y Aprovechamiento del Biogás Motores de ciclo combinado CHP, combined heat & power H 2 S concentración máxima 500 ppm v Siloxanos concentración máxima mg m -3 Energía térmica y eléctrica

8 Purificación del biogás La purificación del biogás para la obtención de energía renovable a nivel industrial es hoy en día es necesaria La inversión requerida para la purificación del biogás es una limitante para su uso masivo, sobre todo en plantas pequeñas

9 Tecnologías Fisicoquímicas de purificación de biogás Alto consumo de agua Uso intensivo de reactivos químicos Contaminación secundaria Costos de operación de ~ 3.6 m -3 h -1 Alto consumo energético Altos costos de inversión Contaminación secundaria Costos de operación de ~ 7.2 m -3 h -1 El sistema más costoso de purificación Lavado químico (absorción) Columnas de adsorción (adsorción regenerativa)

10 Sistemas Biológicos de Eliminación de H 2 S 1.2 m -3 h -1 Biogas Biogas O 2 H 2 S S 0 Air outlet Biogas + H 2 S Biogas + H 2 S S 0 SO 4 2- Air inlet SO 4 2- O 2 Air inlet Thipaq /Shell Paques HS O 2 S 0 + OH - Sulphus /SOX HS - + 2O 2 SO H +

11 Pros y Contras: Thipaq /Shell Paques Air outlet Air inlet S 0 Biogas Biogas + H 2 S HS O 2 S 0 + OH - Excelentes para tratar altas cargas de H 2 S Bajo consumo de O 2 (aireación/compresor) Se pueden tratar altas cargas de H 2 S Al generase OH -, disminuye el uso de reactivos químicos Se produce S 0, el cual precipita Valorización de S 0 Baja pureza de S 0 (20% sulfato) Requiere altas tasas de recirculación de líquido ( 20 m h -1 ) Sulfato: forma química asimilada por plantas, S 0 requiere etapas posteriores de oxidación. Otras aplicaciones del S 0 requieren pureza mínima del 99.2%. Etapas de purificación posteriores

12 Pros y Contras: Biofiltros percoladores SO 4 2- Biogas Air inlet Biogas + H 2 S HS - + 2O 2 SO H + Excelentes para tratar concentraciones de H 2 S < 5,000 ppm v Sistemas eficientes en un rango muy amplio de ph (2 9) Tiempos de retención de gas muy competitivos (2-8 min) Se produce SO 4 2-, que puede valorizarse como fertilizante Poca robustez a concentraciones de H 2 S > 5,000 ppm v Exceso de aireación: dilución de biogás Limitación de oxígeno: acumulación de S 0, pérdida de carga y taponamiento de lecho. Requiere altas velocidades de líquido (e.g. 20 m h -1 ) para obtener conversión a sulfato >80%

13 Propuesta IINGEN-Juriquilla Biogás Biogás + H 2 S Aire N 2 NO 3 - No hay dilución del biogás Eficiencias de remoción del 100% 2,500 < H 2 S < 10,000 ppm v Conversiones de S-H 2 S a sulfato superiores al 80% Velocidad de líquido m h -1 Sin pérdidas de carga Se puede usar aire o nitrato para la oxidación del H 2 S Aire SO 4 2- Fertilizantes Quijano et al., Journal of Chemical Technology & Biotechnology, DOI: /jctb.5732

14 Integración y valorización Biogás Secado Aire Sistema anóxico Biogás limpio N 2 Biogás + H 2 S Aire NO 3 - Fertilizante SO 4 2- NO 3 - Digestato NO 3 - Fracción líquida Aire Fracción sólida Composta Aire

15 Integración y valorización Secado Biogás Sistema aerobio Aire Biogás limpio Biogás + H 2 S Aire Fertilizante SO 4 2- NO 3 - Digestato Fracción líquida Aire Aire Fracción sólida Composta Aire

16 Sistemas Biológicos de Eliminación de Siloxanos Biogas Baja solubilidad en agua Constante adimensional de Henry de 1atm y 26 C Pobre transferencia de masa Air inlet Biogas + Siloxanos Nicho de investigación interesante! Eficiencia de remoción del 43% en sistemas aerobios, con tiempos de retención de gas de 19.5 min Eficiencia de remoción del 15% en sistemas anaerobios, con tiempos de retención de gas de 4 min

17 Propuesta IINGEN-Juriquilla Biogás Biogás + H 2 S 14NO 3- + [Si(CH 3 ) 2 O] H + 7N 2 + 4SiO 2 + 8CO H 2 O N 2 NO 3 - Proceso anóxico desnitrificante Sin riesgo de dilución de biogás Mejorar la transferencia de D4 y D5 con adición de una fase orgánica afín por siloxanos Sistema para el tratamiento combinado de H 2 S y siloxanos Aceite de silicón

18 Enriquecimiento del biogás BIOGÁS 60% CH 4 40% CO 2 BIOMETANO 95% CH 4 Mayor poder calorífico por m 3 de combustible Se puede inyectar en redes de gas natural

19 Tecnologías Fisicoquímicas de enriquecimiento de biogás Absorción con poliglicol Adsorción con zeolitas Membranas Operación altas presiones Taponamiento si hay vapor de agua Se requieren por lo menos 2 en línea Sistemas costosos (semejante a adsorción) Sistemas muy compactos Luo and Angelidaki, Applied Microbiology and Biotechnology 97:

20 Sistemas Biológicos de Enriquecimiento de biogás Sistemas de microalgas y bacterias Biometano [CH 4 ] 95% H 2 S SO 4 2- CO 2 O 2 Biogás CH 4 CO 2 H 2 S Quijano et al., Biotechnology Advances 35:

21 High Rate Algal Ponds (HRAP) Reactores tipo Raceway Biometano 95% CH 4 Columna de absorción CO 2 H 2 S Biogás Tratamiento de agua residual

22 Integración y valorización Biogas CH4 95% Secado CH 4 Biometano limpio Biomasa microalgal Biogás Digestato Fracción líquida Fracción sólida Composta

23 Enfoque IINGEN-Juriquilla Biogás rico en H 2 S ( 5,000 ppm v ) CH 4 Tiempo característico Módulo de de absorción: absorción min Biogas Airlift Objetivo 1: absorber tanto CO 2 como las tas cargas de H 2 S Se espera una alta acumulación de sulfato en el líquido Tiempo característico (TRH): días H 2 S: 5,000 30,000 ppm v Investigar el desempeño de comunidades de microalgasbacterias ante altas concentraciones de sulfato

24 Integración y valorización CH4 95% Secado CH 4 Biometano limpio Biogás rico en H 2 S Biogas Fertilizante SO 4 2- NO 3 - Digestato Fracción líquida Biomasa microalgal Fracción sólida Composta

25 Gracias por su atención

26 TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALES MEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADAS EN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508 Financiado por: