MANUAL DE DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BIODIGESTORES INDUSTRIALES PARA CLIMA TROPICAL

Transcripción

1 º MANUAL DE DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BIODIGESTORES INDUSTRIALES PARA CLIMA TROPICAL 1

2 EJEMPLO DE BIODIGESTOR TROPICALIZADO 2

3 3

4 AGCL AGV ANSI ASTM AWWA AG BG BHP BTU C C:N Ca(OH)2 CaO Cd CDM CERs CH4 CHP CHV CO&M CO2 COV DQO d DBO5 DBO5 kg/t DBO5 DQO/SO4 AQFlex g/kg g/kg SSV g/l g/l DQO GEI GHG GLP H H2O H2S Lista abreviaturas Ácidos Grasos de Cadena Larga Ácidos Grasos Volátiles American National Standard Institute American Society for Testing and Materials American Water Works Association Ácidos Grasos Producción de Biogás Boiler Horse Power Boiler Thermal Units Carbono Relación Carbono - Nitrógeno Cal hidratada Cal virgen Cadmio Clean Development Mechanism Certificados de emisiones reducidas Biogás Metano Combined Heat and Power Carga Hidráulica Volumétrica Costos de Operación y Mantenimiento Dióxido de carbono Carga Orgánica Volumétrica Demanda Química de Oxigeno día Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda Bioquímica de Oxígeno kilogramos por toneladas Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda Química de Oxigeno/Sulfatos Etileno, Propileno, Dieno, Monómero Gramos por kilogramo Gramos por kilogramos Sólidos Volátiles Gramos por litro Gramos por litro de DQO Biogás de Efecto Invernadero Green House Biogás Biogás Licuado Petróleo Hidrógeno Agua Sulfuro de Hidrógeno 4

5 HCl HDPE IPCC ISO K K2O kg kg/m 3.d kgmv/m 3 kw kwh l/kg.d m 3 m 3 /d m 3 /kg m 3 /m 3 *d m 3 /t m 3 /t MH m 3 /t MDL metano/kg DQO mg Mg mg/kg mg/l MJ Mn MS MV MW N NH3 NH4 NH4HCO3 Ni Nm 3 /kg NMOC N-NH4 O2 OTS Lista abreviaturas Ácido clorhídrico Membrana de alta densidad Panel Intergovernamental de Cambio Climático International Standard Organization Potasio Óxido de Potasio Kilogramos Kilogramo por metro cúbico por día Kilogramo de Masa Volátil por metro cúbico Kilovatio Kilovatios por hora Litros por kilogramo por día Metros cúbicos Metro cúbico por día Metro cúbico por kilogramo Metro cúbico por metro cúbico por día Metros cúbicos por toneladas Metros cúbicos por toneladas Masa Húmeda Metros cúbicos por toneladas Mecanismo de Desarrollo Limpio Metano por kilogramo de Demanda Química de Oxígeno Miligramos Magnesio Miligramos por kilogramos Miligramos por litro Mega Joule Manganeso Masa Seca Masa Volátil Megavatios Nitrógeno Amoniaco Amonio Bicarbonato de amonio Níquel Volumen normado de biogás por kilogramos Concentraciones mínimas de compuestos orgánicos no metánicos Nitrógeno Amoniacal Oxígeno Organik Trocken Substanz 5

6 P P2O5 Pa Pb PCI PE PFC ph POME ppm RPM SO4 SST kg/t ST STV(mg/l) t/m 3 TBG TºC UASB UE UGM UNFCCC t qq Lista abreviaturas Fósforo Fosfatos Pascal Plomo Poder Calorífico Inferior Polietileno Perfluorcarbonos Potencial Hidrógeno (Acidez) Palm Oíl Mill Efluent Partes por millón Revoluciones por minuto Sulfatos Sólidos Suspendidos totales por kilogramos y por toneladas Sólidos Totales Sólidos Totales Volátiles por miligramos por litro Tonelada por metro cúbico Tasa de Producción de Biogás Temperatura en grados centígrados Upflow Anaerobic Sludge Blanket Unión europea Unidad de Ganado Mayor C. Marco Cambio Climático de la ONU Tonelada (1000 kg) - peso Quintal 6

7 Índice de contenido 1. BASES TÉCNICAS BIODIGESTIÓN Características del proceso de biodigestión Masa seca (MS) Masa Volátil (MV) Carga orgánica volumétrica (COV) Tiempo de retención hidráulica (TRH) Acidez Alcalinidad Porcentaje de degradación Ejemplo de control de parámetros BIOMASA Residuos agropecuarios Aprovechamiento de los desechos Producción de biogás Producción de biogás de estiércol de animales Ejemplo #2: Cálculo de la producción de biogás de gallinaza Problemas al aprovechar gallinaza pura en un biodigestor Estiércol de cerdo Aprovechamiento de estiércol de cerdo Ejemplo #3: Cálculo de producción de biogás de estiércol de cerdo Ganado vacuno Producción de biogás de estiércol de ganado vacuno Desechos de mataderos y rastros

8 3. DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES Carga orgánica volumétrica (COV) Dimensionamiento de un biodigestor Selección de la COV Ejemplo #6: Dimensionamiento de biodigestor para purín de cerdo (2.000 cerdos) Ejemplo #7: Dimensionamiento de biodigestor para estiércol de ganado vacuno (200 vacas) Ejemplo # Dimensionamiento de biodigestor para purín de cerdo mas gallinaza Ejemplo #9: Dimensionamiento de biodigestor para vinazas Ejemplo #9: Dimensionamiento de biodigestores para aprovechar vinazas BIODIGESTORES TROPICALIZADOS TIPO LAGUNA Construcción de la laguna Muro perimetral para sujetar la membrana de cubierta Tanques de alimentación Tuberías de alimentación y descarga Tuberías de alimentación Colocación de tuberías de alimentación Tuberías de descarga Tuberías de captación de biogás Válvulas de seguridad Presión de operación de biodigestores Materiales para cubrir el fondo y cubierta de los biodigestores Membranas de cubierta Sistemas de agitación Extracción y recirculación de lodos Laguna de descarga

9 Dimensionamiento de lagunas de descarga Lecho de secado de lodos Tuberías de conducción Control de proceso Temperatura ph Redox Producción de biogás FOS/TAC Antorchas Tren de calibración Sopladores Norma alemana para instalación de sopladores Requerimientos de calidad del biogás APROVECHAMIENTO / TRATAMIENTO DE EFLUENTES DEL BIODIGESTOR 6. APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS Dimensionamiento de generadores a biogás Ejemplo # Selección de generador a biogás Ejemplo #14: Selección de generador a biogás Ejemplo #15: Selección de generador a biogás Aprovechamiento de biogás en calderas Combustión del biogás en calderas Ejemplo #16: Dimensionamiento de una caldera para biogás Ejemplo #17: Cálculo de reemplazo de bunker en una caldera Ejemplo #18:

10 Cálculo de reemplazo de bunker en una caldera ANÁLISIS COSTO - BENEFICIO Costos de inversión Depreciación de las instalaciones Costos de operación y mantenimiento (O&M) Ingresos por generación de energía eléctrica Ingresos por comercialización de bonos de carbono Ingresos por venta de fertilizante orgánico Análisis costo beneficio EMPRESAS ALEMANAS DE CONSULTORÍA Y SUMINISTRO DE COMPONENTES PARA BIODIGESTOTES 10

11 INDICE DE FOTOGRAFIAS FOTOGRAFÍA 1: BIODIGESTOR EN VENEZUELA FOTOGRAFÍA 2: BIODIGESTOR PARA APROVECHAR VINAZAS FOTOGRAFÍA 3: BIODIGESTOR PARA APROVECHAR VINAZAS FOTOGRAFÍA 4: BIOMASA PARA APROVECHAMIENTO EN BIODIGESTOR FOTOGRAFÍA 5: PRODUCCIÓN DE ESTIÉRCOL DE GANADO VACUNO FOTOGRAFÍA 6: GALLINAZA FRESCA PARA APROVECHAR BIODIGESTOR FOTOGRAFÍA 7: CRIADERO DE CERDOS EN BRASIL FOTOGRAFÍA 8: CHANCHERAS TÍPICAS DE LATINOAMÉRICA FOTOGRAFÍA 9: "TRATAMIENTO DE PURINES DE CERDO" FOTOGRAFÍA 10: ESTIÉRCOL DE GANADO PARA BIODIGESTOR EN NICARAGUA FOTOGRAFÍA 11: AGITADOR PARA BIODIGESTOR FOTOGRAFÍA 12 : FORMACIÓN DE COSTRAS FOTOGRAFÍA 13: COSTRAS FORMADAS EN BIODIGESTOR SIN AGITACIÓN FOTOGRAFÍA 14 : GANADO VACUNO EN FEED LOT FOTOGRAFÍA 15 : GANADO VACUNO EN FEED LOT FOTOGRAFÍA 16: VERTIDO DE AGUAS ROJAS A POZO DE ALCANTARILLADO FOTOGRAFÍA 17: SEPARACIÓN AGUAS ROJAS Y VERDES FOTOGRAFÍA 18: SEPARADOR DE SÓLIDOS EN MATADERO DE BRASIL FOTOGRAFÍA 19: DESECHO DE SEPARADORES DE GRASAS FOTOGRAFÍA 20: BIOMASA FOTOGRAFÍA 21: LAGUNA DE VINAZAS FOTOGRAFÍA 22 : BIODIGESTOR CONSTRUIDO EN CLIMA FRÍO FOTOGRAFÍA 23: BIODIGESTOR PARA CLIMAS FRÍOS FOTOGRAFÍA 24 : BIODIGESTOR CONSTRUIDO EN CLIMA TROPICAL FOTOGRAFÍA 25 : BIODIGESTORES TROPICALIZADOS CONSTRUIDOS POR AQUALIMPIA ENGINEERING FOTOGRAFÍA 26: BIODIGESTOR AQUALIMPIA ENGINEERING E.K FOTOGRAFÍA 27: BIODIGESTOR TROPICALIZADO EN MATADERO DE VENEZUELA FOTOGRAFÍA 28: CONSTRUCCIÓN DE TALUD EN SUELO ARENOSO FOTOGRAFÍA 29: REVESTIMIENTO DE TALUD FOTOGRAFÍA 30 : BIODIGESTOR CON TALUDES ESTABILIZADOS FOTOGRAFÍA 31: LAGUNA PARA BIODIGESTOR EN TERMINACIÓN FOTOGRAFÍA 32: MURO PERIMETRAL FOTOGRAFÍA 33 : MURO PERIMETRAL PARA BIODIGESTOR PEQUEÑO FOTOGRAFÍA 34 : CANAL CON SELLO HIDRÁULICO FOTOGRAFÍA 35 : CANAL DE HORMIGÓN ARMADO FOTOGRAFÍA 36 : BIODIGESTOR TROPICALIZADO EN CONSTRUCCIÓN FOTOGRAFÍA 37 : TANQUE DE ALIMENTACIÓN UBICACIÓN PRIVILEGIADA FOTOGRAFÍA 38 : AGITADOR DE TANQUE DE ALIMENTACIÓN FOTOGRAFÍA 39 : COLOCACIÓN DE TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN FOTOGRAFÍA 40: TUBERÍAS COLOCADAS FOTOGRAFÍA 41: TANQUE DE DESCARGA FOTOGRAFÍA 42 : VÁLVULA CASERA DE SEGURIDAD FOTOGRAFÍA 43 : VÁLVULA DE SEGURIDAD INSTALADA FOTOGRAFÍA 44 : VÁLVULA DE SEGURIDAD ALEMANA PARA BIODIGESTORES TROPICALIZADOS FOTOGRAFÍA 45: MEMBRANA DE HDPE ENLOGADA FOTOGRAFÍA 46: MEMBRANA HDPE INSERVIBLE, UTILIZADA EN BIODIGESTOR DE VENEZUELA FOTOGRAFÍA 47 : MEMBRANA AQFLEX

12 FOTOGRAFÍA 48: SISTEMA DE AGITACIÓN EN BIODIGESTORES FOTOGRAFÍA 49: MOTOR DE AGITADOR PARA BIODIGESTORES FOTOGRAFÍA 50 : COSTRA FORMADA EN BIODIGESTOR FOTOGRAFÍA 51: POZO DE BOMBEO FOTOGRAFÍA 52: LLENADO DE LECHO DE SECADO DE LODOS FOTOGRAFÍA 53: LECHO DE SECADO DE LODOS FOTOGRAFÍA 54: CONSTRUCCIÓN DE LECHO DE SECADO DE LODOS FOTOGRAFÍA 55: DESCARGA DE LODO EN LECHO DE SECADO FOTOGRAFÍA 56: LODO SECO DE SECADO DE LODOS FOTOGRAFÍA 57 : LECHO DE SECADO DE LODOS FOTOGRAFÍA 58 : MEDIDOR PARA SENSORES DE REDOX, PH, TEMPERATURA FOTOGRAFÍA 59 : MEDIDOR DE BIOGÁS FOTOGRAFÍA 60: MEDIDOR DE BIOGÁS FOTOGRAFÍA 61: EQUIPO PARA DETERMINACIÓN DE FOS/TAC FOTOGRAFÍA 62 : PRESOSTATO FOTOGRAFÍA 63: ANTORCHA EN BIODIGESTOR TROPICALIZADO FOTOGRAFÍA 64 : TREN DE CALIBRACIÓN FOTOGRAFÍA 65 : TREN DE CALIBRACIÓN BIODIGESTOR AGROSANIA/EL SALVADOR FOTOGRAFÍA 66: LODOS SECOS DE BIODIGESTOR FOTOGRAFÍA 67: LODO SECO DE BIODIGESTOR FOTOGRAFÍA 68 : GENERADOR A BIOGÁS MARCA AQL INDICE DE TABLAS TABLA 1: CONTENIDO DE AGUA EN SUSTRATOS TABLA 2 : CÁLCULO DE MS, MV Y COV TABLA 3: MUESTRA DE CONTROL DE PROCESO EN BIODIGESTOR TABLA 4 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS TABLA 5 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y METANO DE VARIOS SUSTRATOS CON UN TRH DE 20 DÍAS TABLA 6 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y METANO DE DIFERENTES SUSTRATOS TABLA 7 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS DE DIFERENTES SUSTRATOS TABLA 8 : CONTENIDO MOLECULAR DE VARIOS COMPONENTES DEL BIOGÁS TABLA 9 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS ESTIÉRCOLES TABLA 10: RESULTADOS DE ENSAYOS DE PRODUCCION DE BIOGÁS CON GALLINAZA TABLA 11: ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO DE GALLINAZA TABLA 12: PRODUCCIÓN DE METANO Y BIOGÁS TABLA 13 : CÁLCULO DE LA COV PARA UNA MEZCLA DE SUSTRATO TABLA 14 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS TABLA 15 : ESPECIFICACIONES MÍNIMAS MEMBRANA EPDM - AQFLEX TABLA 16: INTERPRETACIÓN DE LA RELACIÓN FOS/TAC TABLA 17 : CONTENIDO DE NUTRIENTES EN EFLUENTES KG/DÍA TABLA 18 : RENDIMIENTO DE COSECHAS DE BIOABONO TABLA 19 : CONTENIDO DE NUTRIENTES EN BIOABONO KG/DÍA TABLA 20 : CARACTERÍSTICAS DEL BIOGÁS TABLA 21 : PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BIODIGESTOR TABLA 22 : DIMENSIONAMIENTO DE GENERADOR A BIOGÁS TABLA 23: EQUIVALENCIAS ENERGÉTICAS Y CONVERSIONES TABLA 24 : PARÁMETROS DE CONVERSIÓN Y EQUIVALENCIAS TABLA 25: QUEMADORES PARA BIOGÁS

13 TABLA 26 : EJEMPLO DE CÁLCULO DE EQUIVALENCIAS ENERGÉTICAS TABLA 27 : EQUIVALENCIAS ENERGÉTICAS TABLA 28 : COSTOS CIVILES Y EQUIPO ELECTROMECÁNICO TABLA 29 : PORCENTAJES DE OPERACIÓN DE INSTALACIONES TABLA 30 : PORCENTAJES POR MANTENIMIENTO Y REPARACIONES INDICE DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1: BIOGÁS EN LA NATURALEZA ILUSTRACIÓN 2: AGITADORES PARA BIODIGESTOR ILUSTRACIÓN 3: CONCEPTO BÁSICO DE DISEÑO DE BIODIGESTOR TROPICALIZADO ILUSTRACIÓN 4: DISEÑO CONCEPTUAL DE MURO PERIMETRAL ILUSTRACIÓN 5: TUBERÍA DE DESCARGA CON T PARA LIMPIEZA ILUSTRACIÓN 6: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE CAPTACIÓN DE BIOGÁS ILUSTRACIÓN 7: UBICACIÓN DE LOS MOTORES DEL AGITADOR ILUSTRACIÓN 8: AGITADOR PARA BIODIGESTOR ILUSTRACIÓN 9: UBICACIÓN CONCEPTUAL DE AGITADOR ILUSTRACIÓN 10: UBICACIÓN CONCEPTUAL DE BOMBAS EXTRACTORAS DE LODOS ILUSTRACIÓN 11: POTENCIAL REDOX ILUSTRACIÓN 12: MUESTRA DE MEDICIÓN DE PARÁMETRO FOS/TAC ILUSTRACIÓN 13: CURVAS PARÁMETRO FOS/TAC - BIODIGESTOR MAGDALENA/GUATEMALA INDICE DE DIAGRAMAS DIAGRAMA 1: PRODUCCIÓN DE BIOGÁS TIPOS DE BIOMASA DIAGRAMA 2: CONTROL DE PROCESO DIAGRAMA 3 : FLUJO CONCEPTUAL DE BIODIGESTOR DIAGRAMA 4 : UBICACIÓN CONCEPTUAL DE LAGUNA DE DESCARGA DIAGRAMA 5 : UBICACIÓN DE LECHO DE SECADO DE LODOS DIAGRAMA 6 : UBICACIÓN DE ANTORCHA

14 AquaLimpia Engineering de Alemania. El contenido de este libro tiene derechos reservados. Ninguna parte puede ser copiada o transferida a medios magnéticos o impresos. Tampoco puede ser traducido a otros idiomas o lenguaje de programación sin el consentimiento expreso y por escrito por parte de AquaLimpia Engineering e.k. Aspecto legal Aqualimpia Engineering ha desarrollado este libro basándose en extensas investigaciones y conocimientos técnicos sobre el dimensionamiento, diseño y construcción de biodigestores. Aqualimpia, no se hace responsable por el uso que se dé a este libro para el dimensionamiento de plantas de biogás y biodigestores. 14

15 Este manual se ha escrito para las personas interesadas en el dimensionamiento, diseño y construcción de biodigestores industriales apropiados para países tropicales de clima caliente. Los biodigestores que se construyen en países de clima frio e industrializados no deben replicarse en países tropicales con clima cálido y de bajo desarrollo industrial. En los países tropicales rigen altas temperaturas ambientales con un promedio de 25-32ºC durante casi todo el año, lo que no ocurre en países de clima frio. En el caso de Alemania, el clima predominante es frio y, rige durante días al año. Las temperaturas máximas sobre los 30ºC se alcanzan escasamente durante un máximo de días al año. Las temperaturas mínimas, pueden bajar a -30ºC y, en promedio anual no sobrepasan los 9ºC con una amplitud térmica de entre 15 y 20ºC. Los biodigestores, que se construyen en países de clima tropical deben aprovechar al máximo, la radiación solar, las altas temperaturas ambientales, deben ser económicos, deben utilizar materiales locales de construcción, de bajos costos operativos y deben ser sencillos para operar. En este manual, se describe la forma de dimensionar, diseñar y construir biodigestores industriales para climas tropicales, con tecnologías apropiadas, de bajo costo, pero tan seguros y eficientes como los biodigestores que se construyen en países industrializados. Este libro, contiene ejemplos de dimensionamiento de biodigestores para los tipos de biomasa más comunes en países tropicales, como son: los estiércoles de animales, vinazas, desechos de mataderos, desechos de mercados, etc. Deliberadamente, no se incluyen ejemplos de dimensionamiento de biodigestores para maíz, ya que en la mayoría de los países tropicales, se utiliza el maíz para consumo humano. 15

16 Fotografía 1: Biodigestor en Venezuela 16