sta Pretratamiento del biogás procedente de la digestión anaerobia de lodos de EDARs para su posterior valorización energética Arantxa Bomboí

Transcripción

1 C/Còrsega, 112, Pretratamiento del biogás procedente de la digestión anaerobia de lodos de EDARs para su posterior valorización energética Arantxa Bomboí

2 ambiente tecnología consultores at estudios expertos Ingeniería y tratamiento de COV y olores at&:c/còrsega,112, local 1; Barcelona, delegación Madrid, @-at.com // web:

3 ambiente tecnología consultores at estudios expertos Sistemas de pretratamiento de depuración de biogás (H 2 S y siloxanos) Sistemas de Enriquecimiento de biogás ha GNC o GNL at&:c/còrsega,112, local 1; Barcelona, delegación Madrid, @-at.com // web:

4 Algunas referencias

5 Alcance de la presentación Entre las actividades de STA deca la realización de proyectos y comercialización de sistemas de tratamiento avanzado y enriquecimiento de biogás Los aspectos que se tratarán en la presente ponencia son: Caracterización experta de biogás Tecnologías existentes de pretratamiento del biogás procedente de EDAR: Eliminación de humedad Desulfuración o eliminación de H 2 S Eliminación de derivados organosilícicos (siloxanos, silanoles y otros)

6 Valorización energética del biogás Qué es el biogás? El biogás es un gas que se produce en la degradación anaerobia de la materia orgánica y que se compone de metano, dióxido de carbono, residuos orgánicos ebilizados y otros productos (H 2 S, NH 3, siloxanos, ) que deben ser eliminados (parcial o totalmente) antes de la valorización energética del biogás. Composición típica del biogás según distintos tipos de fuentes EDAR Vertedero Digestor CH 4 - metano (%) 45-70% 35-45% 45-65% CO 2 (%) 30-55% 55-65% 35-55% H 2 S (ppm) Siloxanos (ppm) 5-50 (1500!!)

7 Caracterización del biogás Para poder valorizar energéticamente el biogás es necesario Una caracterización representativa y fidedigna del biogás en la que se determine los rangos de concentración de los compuestos principales: CH 4, CO 2, CO, N 2, así como H 2 S, H 2, derivados organosilícicos (siloxanos y silanoles), COV (hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, aminas, mercaptanos, ácidos grasos volátiles, ), aceites, HX y, además, partículas, Tª, humedad, PCI... Parámetro Uds Resultado CH 4 % 61,1 CO 2 % 35,3 O 2 % 1,2 H 2 S ppmv 1560 NH 3 ppmv 91 CO ppmv 416 H 2 ppmv 367

8 Caracterización del biogás COV en Biogás de EDAR Familias de COV EDAR 1 EDAR 2 Σ Hidrocarburos C 2 -C 5 <5 165 Σ Hidrocarburos C 5 -C 10 7,2 263 Σ Hidrocarburos >C 10 29,2 <5 Σ BTEX 5,2 4,6 Σ Otros hidrocarburos aromáticos 1,1 Σ Terpenos 0,6 Σ Hidrocarburos halogenados 44,3 Σ Cl orgánico 40,8 Σ F orgánico <0,1 Otras famílias 1,9 Total 89,6 442

9 Caracterización del biogás Siloxanos en biogás de EDAR antes y en un episodio Siloxanos Biogás (Normal) Biogás (Episodio) (mg/nm 3 ) (mg/nm 3 ) Trimetilsilanol <0,05 <0,05 Hexametildisiloxano (M2) <0,05 <0,05 Hexametilciclotrisiloxano (D3) <0,05 <0,05 Octametiltrisiloxano (MDM) <0,05 <0,05 Octametilciclotetrasiloxano (D4) 7,2 173,8 Decametiltetrasiloxano (MD2M) <0,05 <0,05 Decametilciclopentasiloxano (D5) 2,4 101,6 Dodecametilciclohexasiloxano (D6) <0,05 1,2

10 Aprovechamiento del biogás ELIMINACIÓN DE HUMEDAD O SECADO DEL BIOGÁS

11 Pretratamiento: Secado de biogás Porqué hace falta realizar un secado del biogás para su posterior valorización? Se evita así la producción de condensados no deseados en la línea de gas Es requisito de calidad del combustible de entrada a los motores (50-80% HR) Es necesario para aumentar la duración de un sistema de adsorción posterior (p.e Carbón activo) Si se pretende enriquecer el biogás ha gas natural, será absolutamente necesario en algunas tecnologías eliminar al 100% la humedad.

12 Pretratamiento: Secado de biogás Sistemas de secado de biogás: Mediante un intercambiador de calor Otros sistemas más novedosos (p.e GTP)

13 Funcionamiento GTP 6. Una vez el biogás se ha enfriado a 5ºC y se ha eliminado el agua condensada, pasa por un economizador integrado en el GTP donde se calienta de nuevo ha una temperatura aproximadamente igual a la temperatura de entrada siendo la humedad relativa del biogás a la salida de equipo GTP inferior a <40%. (importante pues alejamos la temperatura del biogás a la del punto de rocío) 1. El biogás caliente y saturado de humedad entra en el filtro GTP. 2. En una primera etapa el biogás se pre enfría con el flujo de salida del biogás frío. 4. El biogás se enfría con el agua enfriada por la unidad de refrigeración, la cual se encuentra conectada con el GTP. 5. El descenso de temperatura provoca la condensación del agua contenida en el biogás que se separa en un filtro de coalescencia especialmente diseñado por GtS. 3. La unidad de refrigeración mantiene la mezcla de agua/glicol, que circula con un caudal fijo por la carcasa del intercambiador de calor, a unos 5ºC. 5. El agua condensada se elimina por la parte inferior del filtro.

14 Unidad GTP

15 Thiopaq DESULFURACIÓN O ELIMINACIÓN DE H 2 S EN EL BIOGÁS

16 Pretratamiento: Desulfuración Por qué hace falta eliminar el H 2 S del biogás para su posterior valorización? Se evita así la posible corrosión producida por el H 2 S en la línea de gas Es requisito de calidad del combustible de entrada a los motores (el límite depende del fabricante) Es necesario para aumentar la duración de un sistema de adsorción posterior (p.e Carbón activo) Si se pretende enriquecer el biogás ha gas natural, será absolutamente necesario eliminar el H 2 S ha <100ppm

17 Pretratamiento: Desulfuración Tecnologías de desulfuración del biogás: Equipos de eliminación de H 2 S por vía Biológica Equipos de eliminación de H 2 S por vía química Equipos de eliminación de H 2 S mediante adsorción (Carbón activo) Adición de reactivos en el biodigestor (Cloruro férrico, oxígeno u otros) Equipo de eliminación de H 2 S por vía químico-biológica (THIOPAQ )

18 Pretratamiento: Desulfuración Tecnologías de desulfuración del biogás: Equipos de eliminación de H 2 S por vía Biológica Biogás tratado Eliminación de H2S mediante bacterias Aporte de 0 2 Entrada Biogás Recirculación Bomba Aporte de Agua y nutrientes Límite de tratamiento: ppm H2S Producción de purga muy ácida (Ácido Sulfúrico) Altos costes de O&M Eficiencia máxima NO inmediata ph funcionamiento: 2 Riesgo de explosión Disponibilidad: paros necesarios de limpieza

19 Pretratamiento: Desulfuración Tecnologías de desulfuración del biogás: Equipos de eliminación de H 2 S por vía química Eliminación de H 2 S mediante Sosa (NaOH) Límite de tratamiento: no tiene Eficiencia máxima inmediata ph funcionamiento: 12 Cuidado! Combinación con la sosa del H 2 S pero también del CO 2 que es mucho más abundante y formación de carbonatos!! Altos costes de O&M Disponibilidad: paros para limpieza

20 Pretratamiento: Desulfuración Tecnologías de desulfuración del biogás: Equipos de eliminación de H 2 S mediante adsorción (Carbón activo) Eliminación de H 2 S mediante adsorción Límite de tratamiento: no tiene Altos costes de O&M Eficiencia máxima inmediata Disponibilidad: paros usado para sustitución del carbón Genera residuo: carbón usado Dosificación de reactivos en biodigestor (Cloruro férrico, etc) Difícil control de concentración final Altos costes de O&M

21 Pretratamiento: Desulfuración Tecnologías de desulfuración del biogás: Sistema químico biológico THIOPAQ Biogás sin H 2 S Biogás a tratar OH - Aire (oxidación de los sulfuros HS - ) Purga (S 0 ) Absorción Regeneración de OH -

22 Thiopaq Características principales del THIOPAQ para la depuración del H 2 S del biogás Elevada eficiencia de depuración de H 2 S del biogás: 95-99% (opera a ph 8,5 mientras que en los biotricklings se opera a ph=2 y en los scrubbers a ph=12) Gran actividad biológica: Tratamiento muy eficiente de los picos de concentración Proceso muy robusto, sin adición de aire. Ausencia de riesgo de explosión Pue en marcha rápida (inoculación de los microorganismos de depuración en el agua de lavado) Funcionamiento a presión y temperatura ambiente. Sin riesgo de obturaciones Costes operativos muy bajos (ahorro de más del 90%, en comparación con las torres de lavado por vía química) No genera residuos peligrosos (ácido sulfúrico, p.e.) Se obtiene azufre sólido valorizable Disponibilidad máxima de funcionamiento

23 Thiopaq THIOPAQ en la Edar de Murcia Este Caudal biogás = 950 Nm 3 /h H 2 S entrada = ppm H 2 S salida < 150ppm Scrubber: Ø = 1m x 9,7m h Reactor: Ø = 2,4m, Vol. = 10m 3

24 Thiopaq - Otras referencias Otras referencias de THIOPAQ: Edar Fábrica McCain UK Edar Cerveza DAMM España Edar Aguas Residuales Urbanas Evreux Francia Edar Fábrica Cargill Kettle Butte U.S.A Edar Aguas Residuales Urbanas La Farfana Chile Edar Marrakech Marruecos Edar Aguas Residuales Urbanas Poznan Polonia Edar Ayuntamiento de Santiago Chile Edar fábrica Huanglong Food Industry China Otros

25 Thiopaq Comparativa EDAR Murcia depuración H 2 S: Thiopaq/ Biotrickling/Scrubber Parámetro THIOPAQ Biotrickling Scrubber Caudal biogás (Nm 3 /h) [H 2 S] entrada (ppm) [H 2 S] salida (ppm) Torre: Altura/ Diámetro (m) 9,7/1 kgs/dia eliminados Coste de Inversión ( ) Consumo agua (m 3 /día) Consumo eléctrico kwh (*) Consumo sosa 20% (m 3 /año) 198, ,67 Producción purga m 3 /día Composición purga Azufre elemental + sales Sulfúrico al 2% ph=10-12 Sales de Azufre Costes anuales de gestión (0,1 /kwh, 133 /m3naoh, 8 /m3 purga) , , ,53

26 Thiopaq Comparativa EDAR Murcia depuración H 2 S: Thiopaq/FeCl 3 /Adsorción Carbón Parámetro THIOPAQ FeCl 3 Adsorción Carbón Caudal biogás (Nm 3 /h) Concentración entrada H2S ppm (sin dosificación FeCl 3 ) Ratio dosificación Cl 3 Fe (kgfecl 3 /kgs) Consumo FeCl 3 (Tn/año) 938,1 - Costes unitarios ( /kg) 0,14 /kg FeCl 3 3,8 /Kg Carbón Capacidad Adsorción carbón (%) 60 Capacidad del contenedor filtro de carbón (kg) 800 Necesidad de carbón activado (kg/año) Reposiciones anuales de adsorbente 113 Coste personal reposición carbón activado ( /reposicion) 400 Coste de Inversión ( ) Costes anuales de gestión ( ) , , ,94

27 Pretratamiento: Siloxanos ELIMINACIÓN DE SILOXANOS DEL ELIMINACIÓN DE SILOXANOS DEL BIOGÁS

28 Pretratamiento: Siloxanos Por qué hace falta eliminar los siloxanos del biogás para su posterior valorización? Los siloxanos son compuestos orgánicos de silicio, contenidos en detergentes, champús, desodorantes, y otros productos, que al entrar en combustión dentro de los motores forman SiO 2 (sílice) produciendo erosión en las partes mecánicas. Es requisito de calidad del combustible de entrada a los motores (el límite depende del fabricante) Si se pretende enriquecer el biogás ha gas natural, en algunas tecnologías, será absolutamente necesario eliminar los siloxanos.

29 Pretratamiento: Siloxanos Tecnologías de eliminación de siloxanos del biogás: Equipos de eliminación de siloxanos mediante adsorción (Carbón activo) Eliminación de siloxanos mediante adsorción Límite de tratamiento: no tiene Altos costes de O&M (el carbón adsorbe COVs) también Eficiencia máxima inmediata Disponibilidad: paros usado para sustitución del carbón Criocondensación Genera residuo: carbón usado Eliminación de siloxanos por condensación a bajas temperaturas (-25ºC) Altos costes de O&M Equipo de eliminación de siloxanos mediante adsorción regenerativa BGAK

30 BGAK Lecho 2 en funcionamiento / Lecho 1- regenerando BGAK EDAR La Haya Holanda 3.000Nm 3 /h

31 BGAK Sistema BGAK de eliminación de siloxanos El BGAK es un innovador sistema de eliminación de siloxanos y COVs por adsorción en un polímero y su regeneración periódica mediante purga térmica Sustituye al tradicional carbón activado que se satura rápidamente al adsorber los siloxanos y los COV La capacidad de adsorción es X10 superior a la del carbón activado El adsorbente es hidrofóbico y tampoco adsorbe H 2 S La regeneración del adsorbente del BGAK se realiza con aire a 120ºC La garantía de la vida del adsorbente del BGAK es de 900 regeneraciones por lecho. Eficiencia de depuración siloxanos >95% Concentración final de siloxanos <10mg/Nm 3

32 BGAK en EDAR Algunos resultados del BGAK en una EDAR en Reino Unido Silicon compounds Inlet Outlet Tetramethylsilane mg/m³n <0.2 <0.2 Trimethylsilanol (L1) mg/m³n 91,2 1,1 Hexamethyldisiloxane (L2) mg/m³n 42,7 0,2 Hexamethylcyclotrisiloxane (D3) mg/m³n 5,2 1,9 Octamethyltrisiloxane (L3) mg/m³n 3,1 <0.2 Octamethylcyclotetrasiloxane (D4) mg/m³n 32,2 4,6 Decamethyltetrasiloxane (L4) mg/m³n <0.2 <0.2 Decamethylcyclopentasiloxane (D5) mg/m³n 6,4 1,1 Sum silicon compounds (calc.) mg/m³n 180,8 8,9 Sum silicon(calc.) mg/m³n 60,9 3,3

33 BGAK Unidades Carbón Activado PPTEK Caudal de tratamiento Nm 3 /h Funcionamiento h/día Coste de inversión Concentración siloxanos mgsilox/nm Concentración COVs mg/nm Capacidad adsorción carbón activado (COV/Silox) % 15 Consumo anual de carbón kg/año Número anual de cambios carbón cambios/año 6 Número regeneraciones diarias reg/día 1,00 Frecuencia de cambios - 2 meses 5 años Coste gestión adsorbente agotado /kg 1 Precio unitario carbón /kg 2,2 Coste de personal reposición carbón 875 Coste anual reposición adsorbente /año Consumo eléctrico ventilador kwh/año 9.182, ,6 Consumo eléctrico por regeneraciones kwh/año 0, Coste unitario electricidad /kwh 0,10 0,10 Coste anual electricidad /año 918, ,6 COSTES ANUALES TOTALES DE GESTIÓN /año Coste total a 3,3 años

34 BGAK Ejemplos de inlaciones de sistemas BGAK

35 BGAK Algunas referencias de PpTek Edar de Nothingam UK ( Severn Trent Water) Edar de Cumnock Escocia ( Scottish Water) Edar de Trowbridge UK (Wessex Water) Edar de Poole UK (Wessex Water) Edar de Fullerton UK (Southern Water) Edar de Hatton Escocia (Scottish Water) Edar de Millbrook UK (Southern Water) Edar de Davihulme, Manchester UK ( United Utilities) Edar de Avonmouth, Bristol UK (Wessex Water) Edar de Bologna Italia (Progeco) Otros...

36 C/Còrsega, 112, Gracias por su atención Arantxa Bomboí