º MANUAL DE DIMENSIONAMIENTO Y DISEÑO DE BIODIGESTORES INDUSTRIALES PARA CLIMA TROPICAL 1
EJEMPLO DE BIODIGESTOR TROPICALIZADO 2
3
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
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
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
Índice de contenido 1. BASES TÉCNICAS BIODIGESTIÓN... 18 1.1 Características del proceso de biodigestión... 19 1.2 Masa seca (MS)... 22 1.3 Masa Volátil (MV)... 24 1.4 Carga orgánica volumétrica (COV)... 25 1.5 Tiempo de retención hidráulica (TRH)... 27 1.6 Acidez... 30 1.7 Alcalinidad... 32 1.8 Porcentaje de degradación... 32 1.9 Ejemplo de control de parámetros... 33 2. BIOMASA... 39 2.1 Residuos agropecuarios... 39 2.2 Aprovechamiento de los desechos... 42 2.3 Producción de biogás... 45 2.4 Producción de biogás de estiércol de animales... 51 2.5 Ejemplo #2: Cálculo de la producción de biogás de gallinaza... 51 2.5.1 Problemas al aprovechar gallinaza pura en un biodigestor... 55 2.6 Estiércol de cerdo... 57 2.6.1 Aprovechamiento de estiércol de cerdo... 57 2.6.2 Ejemplo #3:... 60 Cálculo de producción de biogás de estiércol de cerdo... 60 2.7 Ganado vacuno... 62 2.7.1 Producción de biogás de estiércol de ganado vacuno... 67 2.8 Desechos de mataderos y rastros... 69 7
3. DIMENSIONAMIENTO DE BIODIGESTORES... 77 3.1 Carga orgánica volumétrica (COV)... 78 3.2 Dimensionamiento de un biodigestor... 80 3.3 Selección de la COV... 81 3.4 Ejemplo #6:... 84 Dimensionamiento de biodigestor para purín de cerdo (2.000 cerdos)... 84 3.5 Ejemplo #7:... 86 Dimensionamiento de biodigestor para estiércol de ganado vacuno... 86 (200 vacas)... 86 3.6 Ejemplo #8... 90 Dimensionamiento de biodigestor para purín de cerdo mas gallinaza... 90 3.7 Ejemplo #9:... 93 Dimensionamiento de biodigestor para vinazas... 93 3.7.3 Ejemplo #9:... 95 Dimensionamiento de biodigestores para aprovechar vinazas... 95 4. BIODIGESTORES TROPICALIZADOS TIPO LAGUNA... 98 4.1 Construcción de la laguna... 109 4.2 Muro perimetral para sujetar la membrana de cubierta... 114 4.3 Tanques de alimentación... 122 4.4 Tuberías de alimentación y descarga... 124 4.4.1 Tuberías de alimentación... 125 4.4.2 Colocación de tuberías de alimentación... 126 4.5 Tuberías de descarga... 128 4.6 Tuberías de captación de biogás... 130 4.7 Válvulas de seguridad... 132 4.7.1 Presión de operación de biodigestores... 137 4.8 Materiales para cubrir el fondo y cubierta de los biodigestores... 139 4.8.1 Membranas de cubierta... 141 4.9 Sistemas de agitación... 145 4.10 Extracción y recirculación de lodos... 151 4.11 Laguna de descarga... 154 8
4.11.1 Dimensionamiento de lagunas de descarga... 157 4.12 Lecho de secado de lodos... 158 4.13 Tuberías de conducción... 168 4.14 Control de proceso... 169 4.14.1 Temperatura... 169 4.14.2 ph... 169 4.14.3 Redox... 170 4.14.4 Producción de biogás... 172 4.14.5 FOS/TAC... 174 4.15 Antorchas... 178 4.16 Tren de calibración... 182 4.16.1 Sopladores... 184 4.16.2 Norma alemana para instalación de sopladores... 185 4.16.2 Requerimientos de calidad del biogás... 187 5. APROVECHAMIENTO / TRATAMIENTO... 189 DE EFLUENTES DEL BIODIGESTOR 6. APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS... 201 6.1 Dimensionamiento de generadores a biogás... 201 6.1.1 Ejemplo #13... 203 Selección de generador a biogás... 203 6.1.2 Ejemplo #14:... 205 Selección de generador a biogás... 205 6.1.3 Ejemplo #15:... 206 Selección de generador a biogás... 206 6.2 Aprovechamiento de biogás en calderas... 207 6.2.1 Combustión del biogás en calderas... 209 6.2.3 Ejemplo #16:... 212 Dimensionamiento de una caldera para biogás... 212 6.2.4 Ejemplo #17:... 213 Cálculo de reemplazo de bunker en una caldera... 213 6.2.5 Ejemplo #18:... 214 9
Cálculo de reemplazo de bunker en una caldera... 214 7. ANÁLISIS COSTO - BENEFICIO... 218 7.1 Costos de inversión... 219 7.2 Depreciación de las instalaciones... 222 7.3 Costos de operación y mantenimiento (O&M)... 223 7.4 Ingresos por generación de energía eléctrica... 225 7.5 Ingresos por comercialización de bonos de carbono... 225 7.6 Ingresos por venta de fertilizante orgánico... 226 7.7 Análisis costo beneficio... 227 8. EMPRESAS ALEMANAS DE CONSULTORÍA Y SUMINISTRO... 230 DE COMPONENTES PARA BIODIGESTOTES 10
INDICE DE FOTOGRAFIAS FOTOGRAFÍA 1: BIODIGESTOR EN VENEZUELA... 16 FOTOGRAFÍA 2: BIODIGESTOR PARA APROVECHAR VINAZAS... 36 FOTOGRAFÍA 3: BIODIGESTOR PARA APROVECHAR VINAZAS... 37 FOTOGRAFÍA 4: BIOMASA PARA APROVECHAMIENTO EN BIODIGESTOR... 40 FOTOGRAFÍA 5: PRODUCCIÓN DE ESTIÉRCOL DE GANADO VACUNO... 44 FOTOGRAFÍA 6: GALLINAZA FRESCA PARA APROVECHAR BIODIGESTOR... 56 FOTOGRAFÍA 7: CRIADERO DE CERDOS EN BRASIL... 58 FOTOGRAFÍA 8: CHANCHERAS TÍPICAS DE LATINOAMÉRICA... 59 FOTOGRAFÍA 9: "TRATAMIENTO DE PURINES DE CERDO"... 59 FOTOGRAFÍA 10: ESTIÉRCOL DE GANADO PARA BIODIGESTOR EN NICARAGUA... 63 FOTOGRAFÍA 11: AGITADOR PARA BIODIGESTOR... 64 FOTOGRAFÍA 12 : FORMACIÓN DE COSTRAS... 65 FOTOGRAFÍA 13: COSTRAS FORMADAS EN BIODIGESTOR SIN AGITACIÓN... 66 FOTOGRAFÍA 14 : GANADO VACUNO EN FEED LOT... 67 FOTOGRAFÍA 15 : GANADO VACUNO EN FEED LOT... 68 FOTOGRAFÍA 16: VERTIDO DE AGUAS ROJAS A POZO DE ALCANTARILLADO... 69 FOTOGRAFÍA 17: SEPARACIÓN AGUAS ROJAS Y VERDES... 70 FOTOGRAFÍA 18: SEPARADOR DE SÓLIDOS EN MATADERO DE BRASIL... 71 FOTOGRAFÍA 19: DESECHO DE SEPARADORES DE GRASAS... 72 FOTOGRAFÍA 20: BIOMASA... 79 FOTOGRAFÍA 21: LAGUNA DE VINAZAS... 94 FOTOGRAFÍA 22 : BIODIGESTOR CONSTRUIDO EN CLIMA FRÍO... 98 FOTOGRAFÍA 23: BIODIGESTOR PARA CLIMAS FRÍOS... 99 FOTOGRAFÍA 24 : BIODIGESTOR CONSTRUIDO EN CLIMA TROPICAL... 100 FOTOGRAFÍA 25 : BIODIGESTORES TROPICALIZADOS CONSTRUIDOS POR AQUALIMPIA ENGINEERING... 103 FOTOGRAFÍA 26: BIODIGESTOR AQUALIMPIA ENGINEERING E.K... 105 FOTOGRAFÍA 27: BIODIGESTOR TROPICALIZADO EN MATADERO DE VENEZUELA... 107 FOTOGRAFÍA 28: CONSTRUCCIÓN DE TALUD EN SUELO ARENOSO... 109 FOTOGRAFÍA 29: REVESTIMIENTO DE TALUD... 110 FOTOGRAFÍA 30 : BIODIGESTOR CON TALUDES ESTABILIZADOS... 112 FOTOGRAFÍA 31: LAGUNA PARA BIODIGESTOR EN TERMINACIÓN... 113 FOTOGRAFÍA 32: MURO PERIMETRAL... 115 FOTOGRAFÍA 33 : MURO PERIMETRAL PARA BIODIGESTOR PEQUEÑO... 118 FOTOGRAFÍA 34 : CANAL CON SELLO HIDRÁULICO... 119 FOTOGRAFÍA 35 : CANAL DE HORMIGÓN ARMADO... 120 FOTOGRAFÍA 36 : BIODIGESTOR TROPICALIZADO EN CONSTRUCCIÓN... 121 FOTOGRAFÍA 37 : TANQUE DE ALIMENTACIÓN UBICACIÓN PRIVILEGIADA... 122 FOTOGRAFÍA 38 : AGITADOR DE TANQUE DE ALIMENTACIÓN... 123 FOTOGRAFÍA 39 : COLOCACIÓN DE TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN... 126 FOTOGRAFÍA 40: TUBERÍAS COLOCADAS... 127 FOTOGRAFÍA 41: TANQUE DE DESCARGA... 128 FOTOGRAFÍA 42 : VÁLVULA CASERA DE SEGURIDAD... 132 FOTOGRAFÍA 43 : VÁLVULA DE SEGURIDAD INSTALADA... 133 FOTOGRAFÍA 44 : VÁLVULA DE SEGURIDAD ALEMANA PARA BIODIGESTORES TROPICALIZADOS... 135 FOTOGRAFÍA 45: MEMBRANA DE HDPE ENLOGADA... 137 FOTOGRAFÍA 46: MEMBRANA HDPE INSERVIBLE, UTILIZADA EN BIODIGESTOR DE VENEZUELA... 140 FOTOGRAFÍA 47 : MEMBRANA AQFLEX... 141 11
FOTOGRAFÍA 48: SISTEMA DE AGITACIÓN EN BIODIGESTORES... 146 FOTOGRAFÍA 49: MOTOR DE AGITADOR PARA BIODIGESTORES... 148 FOTOGRAFÍA 50 : COSTRA FORMADA EN BIODIGESTOR... 150 FOTOGRAFÍA 51: POZO DE BOMBEO... 152 FOTOGRAFÍA 52: LLENADO DE LECHO DE SECADO DE LODOS... 153 FOTOGRAFÍA 53: LECHO DE SECADO DE LODOS... 160 FOTOGRAFÍA 54: CONSTRUCCIÓN DE LECHO DE SECADO DE LODOS... 161 FOTOGRAFÍA 55: DESCARGA DE LODO EN LECHO DE SECADO... 165 FOTOGRAFÍA 56: LODO SECO DE SECADO DE LODOS... 166 FOTOGRAFÍA 57 : LECHO DE SECADO DE LODOS... 167 FOTOGRAFÍA 58 : MEDIDOR PARA SENSORES DE REDOX, PH, TEMPERATURA... 171 FOTOGRAFÍA 59 : MEDIDOR DE BIOGÁS... 172 FOTOGRAFÍA 60: MEDIDOR DE BIOGÁS... 173 FOTOGRAFÍA 61: EQUIPO PARA DETERMINACIÓN DE FOS/TAC... 174 FOTOGRAFÍA 62 : PRESOSTATO... 179 FOTOGRAFÍA 63: ANTORCHA EN BIODIGESTOR TROPICALIZADO... 181 FOTOGRAFÍA 64 : TREN DE CALIBRACIÓN... 182 FOTOGRAFÍA 65 : TREN DE CALIBRACIÓN BIODIGESTOR AGROSANIA/EL SALVADOR... 186 FOTOGRAFÍA 66: LODOS SECOS DE BIODIGESTOR... 189 FOTOGRAFÍA 67: LODO SECO DE BIODIGESTOR... 195 FOTOGRAFÍA 68 : GENERADOR A BIOGÁS MARCA AQL... 201 INDICE DE TABLAS TABLA 1: CONTENIDO DE AGUA EN SUSTRATOS... 23 TABLA 2 : CÁLCULO DE MS, MV Y COV... 26 TABLA 3: MUESTRA DE CONTROL DE PROCESO EN BIODIGESTOR... 34 TABLA 4 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS... 48 TABLA 5 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y METANO DE VARIOS SUSTRATOS CON UN TRH DE 20 DÍAS... 49 TABLA 6 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y METANO DE DIFERENTES SUSTRATOS... 49 TABLA 7 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS DE DIFERENTES SUSTRATOS... 50 TABLA 8 : CONTENIDO MOLECULAR DE VARIOS COMPONENTES DEL BIOGÁS... 50 TABLA 9 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS ESTIÉRCOLES... 51 TABLA 10: RESULTADOS DE ENSAYOS DE PRODUCCION DE BIOGÁS CON GALLINAZA... 53 TABLA 11: ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO DE GALLINAZA... 54 TABLA 12: PRODUCCIÓN DE METANO Y BIOGÁS... 74 TABLA 13 : CÁLCULO DE LA COV PARA UNA MEZCLA DE SUSTRATO... 81 TABLA 14 : PRODUCCIÓN DE BIOGÁS... 91 TABLA 15 : ESPECIFICACIONES MÍNIMAS MEMBRANA EPDM - AQFLEX... 144 TABLA 16: INTERPRETACIÓN DE LA RELACIÓN FOS/TAC... 175 TABLA 17 : CONTENIDO DE NUTRIENTES EN EFLUENTES KG/DÍA... 191 TABLA 18 : RENDIMIENTO DE COSECHAS DE BIOABONO... 194 TABLA 19 : CONTENIDO DE NUTRIENTES EN BIOABONO KG/DÍA... 197 TABLA 20 : CARACTERÍSTICAS DEL BIOGÁS... 202 TABLA 21 : PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA BIODIGESTOR... 205 TABLA 22 : DIMENSIONAMIENTO DE GENERADOR A BIOGÁS... 206 TABLA 23: EQUIVALENCIAS ENERGÉTICAS Y CONVERSIONES... 208 TABLA 24 : PARÁMETROS DE CONVERSIÓN Y EQUIVALENCIAS... 209 TABLA 25: QUEMADORES PARA BIOGÁS... 212 12
TABLA 26 : EJEMPLO DE CÁLCULO DE EQUIVALENCIAS ENERGÉTICAS... 213 TABLA 27 : EQUIVALENCIAS ENERGÉTICAS... 216 TABLA 28 : COSTOS CIVILES Y EQUIPO ELECTROMECÁNICO... 220 TABLA 29 : PORCENTAJES DE OPERACIÓN DE INSTALACIONES... 222 TABLA 30 : PORCENTAJES POR MANTENIMIENTO Y REPARACIONES... 224 INDICE DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1: BIOGÁS EN LA NATURALEZA... 20 ILUSTRACIÓN 2: AGITADORES PARA BIODIGESTOR... 64 ILUSTRACIÓN 3: CONCEPTO BÁSICO DE DISEÑO DE BIODIGESTOR TROPICALIZADO... 102 ILUSTRACIÓN 4: DISEÑO CONCEPTUAL DE MURO PERIMETRAL... 114 ILUSTRACIÓN 5: TUBERÍA DE DESCARGA CON T PARA LIMPIEZA... 129 ILUSTRACIÓN 6: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE CAPTACIÓN DE BIOGÁS... 131 ILUSTRACIÓN 7: UBICACIÓN DE LOS MOTORES DEL AGITADOR... 145 ILUSTRACIÓN 8: AGITADOR PARA BIODIGESTOR... 147 ILUSTRACIÓN 9: UBICACIÓN CONCEPTUAL DE AGITADOR... 148 ILUSTRACIÓN 10: UBICACIÓN CONCEPTUAL DE BOMBAS EXTRACTORAS DE LODOS... 151 ILUSTRACIÓN 11: POTENCIAL REDOX... 170 ILUSTRACIÓN 12: MUESTRA DE MEDICIÓN DE PARÁMETRO FOS/TAC... 176 ILUSTRACIÓN 13: CURVAS PARÁMETRO FOS/TAC - BIODIGESTOR MAGDALENA/GUATEMALA... 177 INDICE DE DIAGRAMAS DIAGRAMA 1: PRODUCCIÓN DE BIOGÁS TIPOS DE BIOMASA... 28 DIAGRAMA 2: CONTROL DE PROCESO... 35 DIAGRAMA 3 : FLUJO CONCEPTUAL DE BIODIGESTOR... 108 DIAGRAMA 4 : UBICACIÓN CONCEPTUAL DE LAGUNA DE DESCARGA... 156 DIAGRAMA 5 : UBICACIÓN DE LECHO DE SECADO DE LODOS... 159 DIAGRAMA 6 : UBICACIÓN DE ANTORCHA... 179 13
2014 - 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
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 250 300 días al año. Las temperaturas máximas sobre los 30ºC se alcanzan escasamente durante un máximo de 45-60 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
Fotografía 1: Biodigestor en Venezuela 16