DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE BIODIGESTORES Y PLANTAS DE BIOGÁS MANUAL PRÁCTICO DE DISEÑO

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1 DIMENSIONAMIENTO, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE BIODIGESTORES Y PLANTAS DE BIOGÁS MANUAL PRÁCTICO DE DISEÑO

2 PROLOGO Hace más de 100 años, la biomasa de origen animal o vegetal era la fuente de energía más importante para la humanidad y en ella se basaba la producción industrial. Con el uso masivo de combustibles fósiles el aprovechamiento energético de la biomasa fue disminuyendo progresivamente y en la actualidad presenta en el mundo un reparto muy desigual como fuente de energía. Mientras que en los países desarrollados ubicados en América del Norte y en Europa, la energía renovable y el aprovechamiento de los desechos agropecuarios esta en boga, en muchos países en vías de desarrollo esta fuente de energía provoca, en muchos casos, problemas medioambientales como la contaminación y deforestación. Una de las maneras de contrarrestar el calentamiento global y trasformar este residuo contaminante en un recurso valioso, es su aprovechamiento controlado en biodigestores para la producción y captación de biogás, su aprovechamiento energético y la producción de fertilizante orgánico. El aprovechamiento de la biomasa es de importancia para sustituir las tradicionales fuentes energéticas no renovables, escasas y costosas, convirtiendo la explotación agropecuaria en una actividad económica más rentable y menos contaminante. En este libro se tratan todos los fundamentos técnicos de la digestión anaeróbica, el aprovechamiento de desechos agroindustriales, también considerando los desechos que se producen en Latino América, como las vinazas, efluentes de extractoras de aceite de palma africana, gallinaza, estiércol de cerdo y ganado, forrajes, etc. Se exponen ampliamente las bases del dimensionamiento de biodigestores y plantas de biogás y se presentan los criterios de diseño, esquemas, diagramas y ejemplos reales para el diseño de biodigestores y sus estructuras auxiliares como tanques de mezcla y entrada, sistemas de bombeo, tuberías de captación de biogás, sistemas de purificación de H2S, válvulas de seguridad, sistemas de generación de energía eléctrica y calor, análisis financiero, rentabilidad, etc. Este libro se basa en mas de 20 años de experiencia en el dimensionamiento y diseño de plantas de biogás para la producción de energía eléctrica y calorífica y fertilizante orgánico. Se ha escrito mayormente para el diseño de digestores semi industriales e industriales, pero debido a la amplitud y detalles de los conceptos técnicos expuestos, se lo puede utilizar también para el dimensionamiento de digestores domésticos. El libro trata también la construcción de biodigestores utilizando materiales de construcción muy utilizados en Latino América, como geomembrana, hormigón, ladrillo, etc.

3 CONTENIDO Capitulo 1 Capitulo 2 Capitulo 3 Capitulo 4 Capitulo 5 Capitulo 6 Capitulo 7 Capitulo 8 Capitulo 9 Capitulo 10 APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA BIOMASA Y PRODUCCION DE BIOGÁS CLASIFICACIÓN DE LOS BIODIGESTORES ACONDICIONAMIENTO Y APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES DISEÑO DE BIODIGESTORES Y ESTRUCTURAS AUXILIARES OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BIODIGESTORES APROVECHAMIENTO DE BIOABONO ANALISIS FINANCIERO Y RENTABILIDAD Capitulo 11 BIO DIGESTORES Y EL PROTOCOLO DE KYOTO Capitulo 12 APLICACIÓN DEL SOFTWARE BIODIGESTOR

4 EDICIÓN: Aqualimpia Beratende Ingenieure AUTOR: Dipl. Ing. Sanitario Ambiental Ing. Civil Gabriel Moncayo Romero DISEÑO GRÁFICO: Ing. Gunther Zimmerman ILUSTRACIONES: GeoCad - Diseño gráfico ISBN: INDICE Version 1: 06/2008 3

5 INDICE CAPITULO 1: APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA 1.1 Historia de la aplicación del biogás Los biodigestores en el siglo Beneficios que aportan los biodigestores CAPITULO 2: LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA 2.1 Caracteristicas del proceso Principales factores que influencian la producción del biogás Ausencia de oxigeno Tipo y calidad de biomasa Almacenamiento Preparación de la biomasa Clasificación, eliminación de materia extraña Higienización Troceado, trillado de la biomasa Mezcla y homogenización Alimentación del digestor Masa seca (MS) Masa volátil (MV) Carga orgánica volumétrica (COV) Temperatura del proceso Tiempos de retención hidráulica (TRH) Acidez Alcalinidad

6 Porcentaje de de degradación Nutrientes Agitación - mezclado Factores que inhiben la producción de biogás Nitrógeno amoniacal Ácidos grasos volátiles Ácidos grasos de cadena larga Compuestos azufrados en los sistemas anaerobios Cationes y metales pesados Desinfectantes y antibióticos Sulfatos CAPITULO 3: BIOMASA Y PRODUCCIÓN DE BIOGÁS 3.1 Desechos agropecuarios Estiércol de cerdo Estiércol de ganado Gallinaza o pollinaza Desechos agroindustriales Desechos de agroindustria de proceso de hortalizas Desechos de procesadoras de lácteos Desechos de industria aceitera y grasas, proceso de semillas Desechos de beneficios de café Desechos de industria pesquera Aprovechamiento de efluentes y desechos producidos en procesadoras de carnes y mataderos Aprovechamiento de vinazas en biodigestores Aprovechamiento de efluentes producidos en extractoras de aceite de palma africana Aprovechamiento de desechos de ingenios azucareros Desechos de procesadoras de pollos

7 Desechos de procesadoras de frutas Cultivos energéticos Maíz y forrajes Topinambur Pasto sudan Planta piloto para cultivos energéticos Importancia de la co-digestión Producción de biogás y co-digestión Características que definen a la biomasa Contenido de masa seca (MS) Contenido de masa volátil (MV) Demanda química de oxigeno DQO Demanda bioquímica de oxigeno DBO Relación carbono nitrógeno (C:N) Biodegradabilidad de desechos orgánicos Producción de biogás Cálculo de la producción de biogás en base a la concentración de DQO Ejemplo de cálculo de la producción de biogás para el aprovechamiento de aguas residuales en un biodigestor Calidad del biogás Producción de lodos CAPITULO 4: CLASICICACIÓN DE LOS BIODIGESTORES 4.1 Digestores carga en batch Digestores de regimen semicontinuo De regimen continuo Completamente mezclados Digestores de dos etapas Digestión seca

8 CAPITULO 5: ACONDICIONAMIENTO Y APROVECHAMIENTO DE BIOGÁS 5.1 Características del biogás Propiedades de los gases Acondicionamiento del biogás Purificación de biogás Agresividad del H 2 S Reducción de CO Problemas que causa el alto contenido de H 2 S Sistemas de purificación H 2 S Selección del proceso más adecuado Purificación biológica del biogás remoción de H 2 S Filtros biológicos Filtros biolavadores Filtros de carbón activado Filtro de limallas o esponjas de hierro Reducción de humedad Aprovechamiento energético del biogás Generación de energía eléctrica Producción de energía eléctrica en generadores Aprovechamiento de biogás en calderas Recuperación de calor de los generadores Aprovechamiento de biogás en transporte publico CAPITULO 6: DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES 6.1 Tipo y disponibilidad de biomasa Características físico-químicas Temperatura de la biomasa y del medio ambiente

9 6.4 Selección del tiempo de retención hidráulica (TRH) Ubicación geográfica - Latitud, longitud y altitud Energía requerida Carga orgánica volumétrica (COV) Dimensionamiento planta de biogás Tanques de alimentación Sistema de alimentación Dimensionamiento del digestor Tanques de descarga Lecho de secado de lodos Tuberías de captación de biogás Sistemas de purificación de biogás Tanques de almacenamiento de biogás Generación de energía eléctrica y/o calorífica Dimensionamiento de antorchas Preparación de estudios de factibilidad y diseños Selección de materiales de construcción Ejemplos de plantas de biogas CAPITULO 7: DISEÑO DE BIODIGESTORES Y ESTRUCTURAS AUXILIARES 7.1 Biodigestores Ubicación de los digestores Digestores de hormigón Digestores de hormigón Recomendaciones para las construcciones de hormigón Digestores de geomebrana HDPE Digestores de acero Cubiertas de EPDM Aislamiento de los digestores Calefacción de los digestores

10 7.5 Descarte de lodos y bioabono Tanques de alimentación Equipamiento para la alimentación de biomasa Sistemas de bombeo Tuberías de captación y conducción de biogás Agitadores Agitadores verticales Agitadores verticales con motor sumergido Agitadores horizontales Agitadores inclinados Tanque de descarga Lecho de secado de lodos Tuberías de conducción Sistema de control del proceso Antorchas para quema del biogás Antorchas para quema del biogás Sistema corta llamas Almacenamiento de biogás Tramo de calibración de biogás Eliminación de condensados y válvulas de control de sobre presión Sopladores Sistemas de generación de energía eléctrica Aprovechamiento en motores y generadores Eficiencia de motores y unidades de cogeneración Aprovechamiento en motores diesel Adecuación de motores de gasolina para que funcionen con biogás Aprovechamiento en microturbinas Sistemas de cogeneración Casa de máquinas Circuito de salida de los gases de escape Sistemas de seguridad para los generadores alimentación a la red pública de energía eléctrica

11 Tarifas de conexión y costos de generación La interconexión a la red publica Sistemas de seguridad Zonas de seguridad CAPITULO 8: OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BIODIGESTORES 8.1 Puesta en marcha Operación Mantenimiento Higiene y salud en la operación de digestores Reglas de seguridad Remediación de problemas CAPITULO 9: APROVECHAMIENTO DE BIOABONO CAPITULO 10: ANALISIS FINANCIERO Y RENTABILIDAD 10.1 Costos de inversión para la planta de biogás Depreciacion de las instalaciones Costos de Operación y Mantenimiento (CO&M) Ingresos por la generacion de energia electrica Ingresos por MDL Ingresos por venta de bioabono Costos de producción de energia electrica Costos Capitales (akk) Gastos de Producción (ab) Costos Mano de Obra

12 10.11 Costos Biomasa (akb) Analisis costo beneficio Costos de construcción CAPITULO 11: LOS BIODIGESTORES Y EL PROTOCOLO DE KYOTO 11.1 Proyectos MDL Cómo funciona el MDL? Porque califican los biodigestores como proyectos MDL? Mercado de emisiones Negociación de los CERs El trámite de los proyectos MDL Cómo es el ciclo de un proyecto en el marco de las Medidas para el (MDL) Los costos de transacción de un proyecto MDL CAPITULO 12: UTILIZACIÓN DE SOFTWARE: PROGRAMA BIODIGESTOR 11

13 LISTADOS DE TABLAS, FOTOS Y FIGURAS 12

14 Listado de tablas Nº Descripción Página 1 Ventajas de la digestión anaeróbica 59 Valores mínimos de parámetros físicos y químicos necesarios para la digestión anaeróbica Análisis masa seca proyecto en Chile 72 4 Contenido de agua diferentes sustratos 73 Temperatura óptima máxima, parámetros cinéticos de crecimiento de diferentes 5 cultivos metano genéticos acetoclásticos (Van Lier 1993) 78 6 Degradación de la biomasa en relación de temperatura de procesos de TRH 92 Rangos de concentración de nutrientes, necesarios para el correcto crecimiento 7 de bacterias anaerobias. 93 Concentración mínima de elementos, necesaria para la metanogénesis y 8 factores ambientales Concentración inhibidora de amonios como N (mgl) Efecto de la concentración de algunos cationes (14) Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados Concentración inhibidora de metales pesados en procesos anaeróbicos Toxicidad de antibióticos en la producción de biogás Producción de biogás estiércoles, cerdo ganado y gallinaza Resultados de análisis FQ en estiércol de animales Características físico químicas promedio de estiércol de animales Contenido de metales pesados Producción de biogás y nutrientes valores referenciales Producción de biogás excrementos de animales Producción anual de estiércol (Kg./PVA.a) y % de MS-MV y N Producción anual (Kg./.PVA/a) y porcentajes Estiércol y heces por animal y por día y producción de biogás Características físico químicas de excrementos animales 137 Producción de estiércol biogás para diferentes tipo de animal - base peso de 25 animal

15 Producción de nitrógeno y estiércol de varios tipos de animales por plaza de 26 animal Producción de heces y orinas de cerdos Composición típica de los purines porcinos frescos y digeridos anaeróbicamente Cerdos producción de excretas según el estado del animal 143 Ejemplo de producción húmeda total (heces y orina)/día para varios tipos de 30 cerdos Composición de totales 145 Rendimientos de purines de cerdo aprovechados en biodigestores, temperatura 32 en el digestor 35ºC TRH 20 días Contenidos de nutrientes estiércol de cerdo Porcentajes de MS, MV y producción de biogás de purín de cerdo 148 Análisis físico químico de afluentes a las lagunas de oxidación y cargas 35 contaminantes Producción de biogás y energía eléctrica Producción de estiércol y nutrientes ganado vacuno Producción de biogás excrementos de animales Porcentajes de MS, MV y producción de biogás, vacuno Composición promedio de la gallinaza Relación C/N gallinaza y % de degradación Gallinaza - Contenido de metales pesados Porcentajes de MS, MV y producción de biogás, gallinaza Producción de biogás pollos y gallinas Consumo balanceado (año ) Análisis físico químico gallinaza Contenido de MS, MV, nutrientes y biogás de varios sustratos Carga de los residuos líquidos de diversos procesos de la industria de hortalizas Pérdidas de producto generadas en industriales lácteas modernas 177 Pérdidas de productos generados en industrias lácteas bajo condiciones estándares, expresadas como porcentaje del volumen de leche grasa o suero 50 procesado Resultados de un análisis físico qu179ímico a desechos lecheros Rendimiento digestor a flujo de 3/d

16 53 Contenido de contaminantes aguas de industria aceitera Caracterización de los RILES de la industria pesquera Concentraciones de contaminantes en residuos líquidos de fábricas de cecinas Concentración de contaminantes en las aguas residuales en procesadora Análisis físico químico de desechos en matadero A Resultados de análisis físico químico de desechos en matadero B 185 Resultados medidos en análisis físico químicos de mataderos y fábricas de 59 cenizas Parámetros característicos de aguas de mataderos Características físico químicas de los desechos Producción de biogás Características del rúmen y producción de biogás Generación mensual de residuos el matadero 192 Características físico - químicas de los lotes de vinazas obtenidos a partir de 65 azúcar mascabado y melazas Análisis físico químico de afluentes y efluentes de un biodigestor Caracterización de efluentes de la producción de alcohol Características de aguas residuales de producción de azúcar y alcohol Características físico químicas diferentes sustratos industria azucarera Calidad de agua residual en la producción de levadura Demanda de agua y DBO procesadoras de pollos Carga de los residuos líquidos de diversos procesos de la industria de frutas Desechos de mercados, frutas Producción de biogás de cultivos energéticos Contenido de proteínas y nitrógeno de cultivos energéticos Producción de biogás de varios cultivos energéticos Contenido de MS, MV producción de biogás Contenido de metales forrajes Maíz, contenido de masa seca y volátil dependiendo de la época de cosecha Producción de biogás Relación C/N varios tipos de desechos agroindustriales

17 82 Relación C/N varios tipos de estiércol Producción de biogás de varios tipos de biomasas Componentes del biogás y producción de diferentes tipos de biomasa Producción de biogás diferentes tipos de biomasa 246 Producción de biogás y metano de varios sustratos a un TRH de 20 días y una 86 temperatura de 30ºC Producción de biogás y gas metano de diferentes co-sustratos Estimación de la producción de metano aprovechando aguas residuales Coeficiente de distribución de varios componentes de biogás Estimación de la composición del biogás Composición del biogás Equivalencias energéticas 1m3 de biogás Características del biogás y comparación con otros gases Contenido de CH4 y CO Características de los componentes del biogás Requerimientos mínimos del biogás para su aprovechamiento energético Componentes contaminantes del biogás Otras versiones Concentraciones de H2S y daños a la salud Características de los carbones activados Parámetros de diseño de un absorbedor de carbón activado Parámetros necesarios para análisis físico químico Contaminantes contenidos en el biogás Ejemplo de requerimientos de energía eléctrica digestores Características calderas de biogás Parámetros para conversión Equivalencias energéticas TRH en relación de temperatura del digestor Producción de biogás para diferentes tipos de biomasa en relación a TRH Degradación de biomasa en relación de temperatura de proceso TRH Cálculo de la cov para una mezcla de sustrato para digestor v=2000m

18 Ejemplo de dimensionamiento de volumen requerido para almacenamiento de 112 biogás Ejemplo de cálculo producción de energía eléctrica biodigestor Ejemplo de dimensionamiento como se efectúa en Alemania en base a VAE Criterios de selección tipo de biodigestor Especificaciones mínimas geomembrana de HDPE Especificaciones técnicas membrana EPDM de cubierta biodigestores Especificaciones de aislantes térmicos Tanques de mezcla y homogenización - alimentación Especificaciones técnicas del sistema de antorchas 555 Especificaciones para la construcción de tanques de almacenamiento de biogás 121 de EPDM Especificaciones para tanques de almacenamiento de biogás Características de motores Precio pagado por energías renovables Zonas de seguridad Letreros de seguridad Remediación de problema Mal funcionamiento y remediación Fertilizante orgánico contenidos de nutrientes Producción de N, P, K en varios tipos de excrementos animales 635 Efecto del uso de efluentes de biodigestores sobre el rendimiento en las 131 cosechas de varios cultivos Contenido de fertilizantes de bioabono Porcentajes de depreciación de instalaciones Porcentajes por mantenimiento y reparaciones Costos de obras civiles y equipo electromecánico Gases con efecto invernadero Fases del proyecto Costos de transacción proyectos MDL

19 Listado de fotos Nº Descripción Página 1 Aprovechamiento de desechos de restaurantes en Hamburgo - Alemania 36 2 Calentamiento Global 38 3 Planta de biogás "Nawaro BioEnergie AG" 42 4 Planta de biogás en Nicaragua 44 5 Tewe (Alemania) Tanques de higienización de desechos de restaurantes 69 6 Trilladoras Strautmann (Alemania) 70 7 Restos de verduras para ser aprovechados en un biodigestor en Chile Aprovechamiento de verduras en digestor en Alemania Forraje de pasto aprovechado en digestores en Alemania Estiércol de ganado en república Dominicana Gallinaza se vierte al medio ambiente - Ecuador Desechos domiciliarios urbanos y producción de Biogás en Ambato/Ecuador Contaminación Separador de sólidos en granja porcina Separador de sólidos industriales Feedlot y establos Criadero de pollos en piso y en jaulas Pollos de engorde en piso Desechos orgánicos en fábrica de conservas en el Perú Desechos de industria lechera Biodigestor en Dinamarca para producción de biogás Producción de desechos Composición y recolección artesanal del rúmen Producción de vinazas en ingenio azucarero Cartavio Perú Descarga de vinazas en laguna de oxidación Maíz forrajero Topinambur pasto sudan Planta Piloto Chile Planta Piloto construcción de agitador - Ecuador

20 31 Entre piso de maderas para depósito de azufre elemental Compresores para suministro de oxigeno vigas para depósito de azufre elemental Filtros biológicos remoción H Filtros biolavadores Filtros de carbón activado Filtros de carbón activado, Q biogás = 2x500m3/h Filtros de limallas de hierro Fotos biofiltros Reductores de humedad y condensados Generadores Guascor para Biogás Gasolinera de biogás en Alemania Confinamiento de cerdos sobre piso Sicos para almacenamiento de forrajes de maíz Vinazas producidas en el ingenio azucarero Cartavio - Perú Lecho de secado de lodos Tanques de almacenamiento biogás Planta de biogás Senftenberg - Alemania Planta de biogás Juneda Planta de biogás Kogel - Alemania Interior de un digestor Planta de biogás Grundorf - Alemania Recolección de diferentes tipos de biomasa Planta de biogás en zona rural Construcción de drenajes para biodigestor Planta de biogás Seftenberg/Alemania Ojo de buey o ventanilla de inspección Planta de biogás Lagunas de oxidación vinazas. Ingenio azucarero Cartavio - Perú Planta de biogás diseñada y construida por ENTEC GMBH Canal de recolección de estiércol de ganado y de cerdo

21 62 Construcción de taludes digestor Latacunga/Ecuador Digestores de hormigón armado construidos en Alemania Construcción de digestores en Alemania Construcción de cimentación de digestores de hormigón Construcción de digestores de hormigón Tanques de hormigón armado en Alemania Planta de biogás en Finlandia Estructuras de hormigón armado Digestor de geomembrana EPDM Lagunas para almacenamiento de agua construidas en el Ecuador Colocación de geomembrana y tuberías de alimentación Tuberías de alimentación captación de biogás Colocación de la geomembrana Sellado de geomembrana. Emin Perú Colocación de la geomembrana Colocación de la cubierta Colocación de la geomembrana y cubierta en digestores de gran tamaño Cubierta no inflada por presión de biogás-succión de lodos Canal sello hidráulico para amarre de la membrana de cubierta Tuberías de captación de biogás Captación de biogás Colocación de geomembrana Digestor de geomembrana construido en Brasil, cubierta EPDM Digestores de acero inoxidable. Luetke - Alemania Digestores con cubierta de EPDM 471 Base de madera para depósito de azufre elemental y soporte de la 86 membrana Colocación de la membrana de EPDM Biodigestores con cúpula de EPDM Aislamiento de digestor de acero Instalación de sistemas de calefacción Sistemas de calefacción

22 92 Descarte de biol Descarga de fondo en biodigestores de acero Tanques de alimentación Sistema de agitación para tanque de homogenización Sistema de mezcla Alimentación por gravedad. Plataforma para llegada de tractores o tolvas Sistemas de alimentación con bombas de tornillo sin fin Alternativa para alimentación Ejemplos de alimentación Alimentación por medio de tornillo sin fin Tanque de alimentación digestor alemán Sistemas de alimentación - tornillo sin fin Bombas alimentación digestores Valvuleria, bombas y accesorios Bomba de acero. Tewe, Alemania Accesorios, válvulas de cierre neumáticas y manuales. Tewe, Alemania Instalación de tuberías biogás Válvulas de sobre presión Tuberías de captación de biogás Agitadores verticales Sistema vertical de agitación digestores cubierta hormigón Sistema vertical de agitación digestores cubierta EPDM Agitadores Motores externos agitadores Motor Externo Agitador Agitador horizontal Agitadores verticales construidos en Alemania Agitadores inclinados Lechos de secado de lodos Lecho de secado de lodos para digestor pequeño (500m3)

23 122 Lecho de secado de lodos para planta de biogás de 5000m Lecho de secados de lodos en países tropicales Lodos granulados en lecho de secado Tuberías y válvulas Llave para toma de muestras de sustrato - pararrayos Medidor de temperatura ubicado en la pared esterior de digestor Sistemas de control Antorchas para quema de biogás Foto de antorcha Válvula corta llama para ser instalada en línea Tanques de almacenamiento de biogás 559 Tanques de EPDM para almacenamiento de biogás, bajo cobertura sencilla 133 para protección climática Tanques de almacenamiento de biogás de doble membrana 560 Alternativa de almacenamiento de biogás en bolsa de EPDM ubicada junto a 135 digestor Almacenamiento de biogás membrana EPDM de doble capa Construcción de tanque de biogás Tramo de calibración Filtro de condensados, grava y cerámica Tramo de calibración Mefisto - Alemania Sopladores planta de biogás Unidades de generación de 170 y 330 Kw Sala de máquinas planta de biogás Alemania Casa de máquinas Antes y después de la fertilización de bioabono vehículos para aplicación de bioabono líquido en Alemania

24 Listado de figuras Nº Descripción Página 1 Aprovechamiento de desechos orgánicos 49 2 Esquena de degradación anaeróbica de desechos orgánicos 53 3 Diagrama descomposición anaeróbica 54 4 Ciclo anaeróbico 55 5 Esquena simplificado proceso anaeróbico 57 6 Variación del ph con cambio de biomasa 66 7 Influencia de la COV en la producción de biogás 75 8 Producción de metano en relación al TRH 77 9 Rango óptimo tiempo de retención Relación producción de biogás - MV Tiempo de retención - temperatura Producción de biogás tipos de biomasa Producción de biogás - TRH Degradación materia orgánica Formación de sulfatos Influencia del ph en la producción de H 2 S Ciclo de biomas División de la biomasa Constitución de la biomasa Tipos de explotación porcina Esquema de planta de biogás y planta depuradora para efluentes granja porcina Porcentajes de desechos por tipo de animal Producción de biogás en relación al ph - vinazas Velocidad de producción de biogás en relación al ph vinazas Producción de biogás de naranjas Producción de metano en relación a la MV de diferentes cultivos energéticos Producción de metano diferentes cultivos energéticos en relación a una hectárea

25 28 Producción de biogás de Cebada, Centeno y Triticale Producción de metano diferentes cultivos energéticos Plano de planta piloto para cultivos energéticos Componentes de la biomasa Alternativas de co-digestión Co-digestión naranjas -estiércol Producción de biogás de proteínas, grasas e hidratos de carbono Producción de biogás de diferentes tipos de biomasa Estiércol de ganado, gallinaza, paja producción de biogás Representación esquemática del equilibrio de los diferentes componentes de biogás entre las fases gaseosa y líquida Ejemplo esquemático de la producción de lodos Proceso de producción de biogás Digestor carga en batch Esquema de los digestores más utilizados para la generación energía eléctrica Digestores sistema CSTR Sistema dos etapas hidrólisis - digestor Diagrama de degradación de la materia orgánica Diagrama de proceso de biofiltración exterior Inyección mínima de oxígeno en dependencia del contenido de H 2 S Inyección mínima de oxígeno en dependencia del volumen de biogás para 2000pmm de H 2 S Inyección de aire % en dependencia del volumen de biogás 150m 3 /h y en dependencia del contenido ppm de H 2 S Diagrama de biofiltración con alimentación externa de nutrientes y humedad Diagrama de proceso biológico de reducción de H 2 S Superficies para depósito de azufre elemental Filtro biológico con prehumidificador Esquema constructivo de filtro biológico Filtro biolavador

26 55 Alternativa de filtros lavadores Filtros en serie o paralelo Filtro de remoción de H 2 S Alternativa de filtro de limallas de hierro Eliminación de condensados Sistema de aprovechamiento de color Diagrama aprovechamiento biomasa DImensionamiento digestor Producción de biogás de estiércol fresco de ganado vacuno dependiendo del TRH Relación COV, MV, TRH Influencia del TRH en la producción de Biogás Mapa ubicación zonas climáticas Relación COV, MS, TRH Flujograma para dimensionamiento de digestores Curva producción de biogás - consumo Aspectos mínimos analizar en los estudios d factibilidad Planta de biogás, diseño en hormigón armado para aprovechar desechos orgánicos de mercados (60 t/d) Esquema de planta de biogás Esquema etapas para el diseño de plantas de biogás Esquema de planta de biogás Implantación de planta de biogás integrada a laguna de oxidación existente Esquema idealizado de una topografía de terreno para construcción de digestor Planta de biogás Latacunga/Ecuador Propuesta para digestor sobre tierra en hormigón armado Diagrama de flujo de esta instalación Diseño d digestor de hormigón, zona rural Tanque de alimentación Diagrama de implantación de digestor tipo geomembrana

27 83 Esquema de digestor de geomembrana sobre plataforma Corte transversal digestor plataforma sobre nivel suelo 2m de alto Tanque de alimentación Estructura de descarga Tubería de rebose Detalle amarre de cubierta en sello hidráulico Canal de amarre membrana Otra alternativa para muro de retención digestor de geomembrana Esquemas para instalación de agitador Soportes para tuberías de calefacción 468 Esquema de ubicación de columnas que sujetan las tuberías de 93 calefacción 468 Diagrama para cálculo de los rompimientos de energía para sistema de 94 calefacción Alternativas para descarga de biol-biocarbono Esquema del pozo de bombas ubicado exteriormente a un costado del digestor Tanque de mezcla Esquema de ubicación tanques de alimentación Ejemplos de alimentación Esquemas de sistemas de agitación Principio de agitador utilizado con mucha frecuencia en Europa Ubicación de agitador en digestor de geomembrana Esquema ubicación tanque de descarga Diagrama de ubicación de lecho de secado de lodos Planta y cortes de lecho de secado de lodos Lecho de secado de lodos con fondo geomembrana T para limpieza de tuberías Diagrama para control de procesos de planta de biogás Esquema para control de proceso en digestor Tres unidades corta llama en proyecto planta de biogás

28 115 Esquema corta llamas que puede construirse en acero inoxidable Esquemas de tanques de almacenamiento de biogás Muestra de unidades corta llamas Pozo de eliminación de condensados Válvula para control de presión Esquema CHP Sistema de seguridad y control planta de biogás Sistema de seguridad planta de biogás Diagrama sencillo de sistema de seguridad biodigestor Válvulas de presión Zonas de seguridad Zonas de seguridad digestores de geomembrana Factores clave para la validación Pantallas programas biodigestor

29 Abreviatura ab AGCL AGV akb akk ANSI ASME ASTM AT AWWA AyG B Gesp BG BHP BPM BRS BSR BTU/d C C:N Ca(OH)2 CaO Cd CDM CE (ms/cm) CERs CH4 CHP CHV Cl Lista abreviaturas Descripción Gastos de Producción Aäcidos Grasos de Cadena Larga Äcidos Grasos Volátiles Costos Biomasa Costos Capitales American National Standard Institute American Society for testing and materials American Water Works Association Äcidos Grasos Tasa específica de producción de biogás Producción de Biogás British Horse Power Bacterias Productoras de Metano Bacterias Reductoras de Sulfato Bacterias Sulfato Reductoras Brirish Thermal Units por día Carbono Relacion Carbono - Nitrógeno Cal hidratada Cal virgen Cadmio Clean Development Mechanism Conductividad eléctrica Certtificados emisiones reducidas Gas Metano Combined Heat and Power Carga Hidráulica volumétrica Carga de Lodos 28

30 cm CO&M CO2 COT COV Cr(III) Cr(VI) DQO CSTR Cu d DBO DBO DBO kg/t DBOs DN DQO/SO4 EPDM FeO g/kg g/kg SSV g/l g/l DQO GAC GEI GER GHG GLP H H2O Centímetros Costos de Operaión y Mantenimiento Dióxido de carbón Carbono Orgánico Total Carga Orgánica Volumétrica Cromo trivalente Cromo Sexavalente Continously stirred tank reactor Cobre día Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda bioquímica de oxígeno kilogramos por toneladas Demanda Bioquímica de Oxígeno Demanda Química de Oxígeno / Sulfatos Etileno, Propileno, Dieno, Monómero Minóxido de hierro Gramos por kilogramo gramos por kilogramos solidos volátil Gramos por litro Gramos por litro de DQO Granular Acivated Carbon Gases de Efecto Invernadero Generadores de Energía Renovables Green House Gas Gas Licuado Petróleo Hidrógeno Agua 29

31 H2S HCL HDPE HFC HIC IPCC ISO K K2O kg kg N/plaza kg/m3.d kgmv/m3 kw kwh l/kg.d m3 m3/d m3/kg m3/m3*d m3/t m3/t MH m3/t* MDL metano/kg DQO mg Mg mg/kg mg/l Sulfuro de Hidrógeno Äcido hidroclorídico Geomembrana de alta densidad Hidrofluorcarbonos Hidrogen Induced Cracking Panel Intergubernamental de Cambio Climático International Standard Organization Potasio Oxido de Potasio Kilogramos Kilogramos de nitrógeno por plaza Kilogramo por metro cúbico por día Kilogramo de masa volátil por metro cúbico Kilowatio Kilowatios 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 Desrrollo Limpio metano por kilogramo de demanda química de oxígeno Miligramos Mangnesio Miligramos por kilogramos miligramos por litro 30

32 MJ Mn MS MV Mw N N2O Na Na2CO3 NaHCO3 NaOH NDPE NH3 NH4 NH4Hco3 Ni Nm3/kg NMOC N-NH4 O2 ONU OTS P P2O5 Pa Pb PC PCI PE PFC Mega Joule Manganeso Masa Seca Masa Volátil Megawatios Nitrógeno Óxido Nitroso Sodio carbonato de sodio Bicarbonato de sodio Hidróxido de sodio High Density Polietileno Amoniaco Amonio Bicarbonato de amonio Níquel Volumen normado de biogás por kilogramos Concentraciones mínimas de compuestos orgánicos no metánicos Nitrrógeno - Amonio Oxígeno Organización de Naciones Unidas Organik Trocken Substanz Fósforo Fosfatos Pascal Plomo Personal Computer Poder calorífico Inferior Polietileno Perfluorcarbonos 31

33 ph POME ppm RPM S SFG SO4 SOHIC SS SSC SST kg/t ST STV(mg/l) t/m3 TBG TºC TPN TPN TRD TRH TRH TTZ UAE UASB UE UGM UNFCCC V-H V-M V-P Potencial Hidrògeno (Acidéz) Palm Oil Mill Efluent Pasta por millon Revoluciones por minuto Azufre Hexafluoruro de azufre Sulfatos Stress Oriented Hidrogen Induced Cracking Sólidos Suspendidos sulfide Stress Crackimg Sólidos Suspendidos totales por kilogramos y por toneladas Sólidos Totales Saldos Totales Volátiles por miligramos por litros Tonelada por metro cúbico Tasa de Producción de Biogás Temperatura en grados centígrados Temperatura y presión normal Temperatura y presión normal Tiempo de Retención Días Tiempo de Retencion Promedio Tiempo de Retenión Hidráulica Centro de Transferencia Tecnológica Unidad Animal Equivalente Upflow Anarobic Sludge Blanket Union europea Unidad de Ganado Mayor Convenio Marco sobre Cambio Climático de la ONU Vacuno Hembras Vacuno Macho Vacas Paridas 32

34 Biodigestores construidos en Brasil Membrana de cubierta EPDM. Fabricada por Firestone. Distribuidor autorizado AquaLimpia B.I. 33

35 Copyright: AquaLimpia Beratende Ingenieure. El contenido de este libro tiene derechos reservados. Ninguna parte puede ser copiado, o transferido a medios magnéticos o impresos. Tampoco puede se traducido a otros idiomas o lenguaje de programación sin el consentimiento expreso y por escrito por parte de AquaLimpia Beratende Ingenieure. Aspecto legal Aqualimpia 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 de a este libro para el dimensionamiento de plantas de biogás y biodigestores. Soporte técnico Aqualimpia provee de soporte técnico a usuarios registrados y sin costo alguno. Para mas información dirigirse a: AquaLimpia aqua@aqualimpia.com 34

36 CAPITULO 1 APROVECHAMIENTO DE LA BIOMASA 35

37 1 Aprovechamiento de la biomasa Los altos costos de generación de energía eléctrica utilizando combustibles convencionales derivados de materiales fósiles, los costos crecientes del abastecimiento de petróleo, la contaminación ambiental por su uso, sumado al costo que involucra su obtención y su carácter finito, cuya extinción está prevista para este siglo, generan la necesidad de desarrollar proyectos que utilicen energías renovables, para la generación de energía eléctrica y de calor. Foto 1: Aprovechamiento de desechos de restaurantes en Hamburgo-Alemania Diseño y construcción ENTEC GMBH, Austria Grupo Aqualimpia 36