Extracción Y Procesamiento De Biogas En Un Relleno Sanitario.

Extracción y Procesamiento de Biogas en un Relleno Sanitario.

Carlos Andrés López Barbosa

REPORTE TECNICO DE LA CLASE DE INGENIERIA AMBIENTAL

Resumen

La extracción de biogas en un relleno sanitario básicamente es por medio de la instalacion de tubos ranurados que captan el gas del relleno estos tubos son un conducto que dejan salir el gas hacia la superficie donde son quemados para producir vapor, este va a una planta de generacion que al hacer girar un alternador produce energia elctrica.

Para su uso como combustible en maquinas de combustión interna o domestico, existe una serie de procesos para purificarlo y separarlo de otros gases esto con el fin de hacerlo muy similar al gas natural que se suministra en la red. Este necesita un cierto poder calorifico quelos procesos de purificación le disminuyen

1 INTRODUCCION

Las habilidad de la humanidad para producir basura no esta de acuerdo con su capacidad para deshacerse de ella. Estamos ante un problema de grandes proporciones que amenaza con sepultarnos por eso es q se tiene que ver no como basura sino como una fuente de energía.

Aire sofocante de niebla y humo, ríos contaminados y calles llenas de desperdicios, son factores que arruinan y ensombrecen el panorama, son elementos venenosos para las plantas, animales así como una verdadera amenaza para la humanidad por eso se busca que los desechos vayan a un relleno sanitario donde pueden ser reutilizados.

Un gran obstáculo para hallar una solución a este problema que no solo envenena al ambiente sino que también es causa de muertes porque al no saber la existencia de gases en la basura provoca accidentes, es el actual sistema de eliminación de basura que no tiene como destino final un relleno sanitario.

Por lo anterior se adelanta la necesidad de eliminar los residuos de las áreas metropolitanas, vía la reutilización y el aprovechamiento en forma integral con procesos modernos de ingeniería, económicamente factibles, eliminando así la contaminación ambiental y mejorando las condiciones de vida del estrato social marginado que siempre se les arroja a lo peor para sus viviendas sin servicios de recolección de basura por falta de recursos tratando de que la extracción de gases de estos rellenos produzcan el dinero necesario para surtir de servicios a esta gente que tanto lo necesita.

El presente trabajo pretende dar a conocer los procesos de extracción y procesamiento del biogás derivado de los rellenos sanitarios, así mismo tomar una visión nueva de los residuos en apreciables valores económicos.

2 Antecedentes.

Es indudable que la basura comenzó por ser un articulo de importancia nula para los primeros pueblos sedentarios, pero con el transcurso de los siglos se vino multiplicado la población, esto junto con las grandes emigraciones de las zonas rurales a las ciudades, esto ah resultado en una producción alarmante de basura constituyéndose en un verdadero problema de contaminación como de eliminación. La basura de los centros urbanos suman miles de toneladas diarias, se calcula que en promedio cada individuo produce diariamente 600 gramos de basura y no precisamente todos van a un relleno sanitario. Un relleno sanitario es el método de disposición final de la basura mas completo y de menor costo en inversión que existe, siempre que se cuente con un terreno de bajo costo y configuraciones geográficas aceptables, esta compuesto de una serie de elementos para su correcto funcionamiento el cual consiste en depositar los desechos sólidos, estos a su vez son cubiertos por una capa de tierra vegetal, este proceso se repite tantas veces como sea necesario hasta llegar a su saturación.

3 Cuerpo principal.

Biogas se refiere a los equipos construidos para producir gas metano que se obtiene mediante la digestión esta es un proceso anaerobio (se produce sin oxigeno).

La producción de biogas se hace mediante dos fases la licuación que la producen los saprofitos (generalmente bacterias) y la gasificación, donde las bacterias forman el metano con la ayuda de enzimas intracelulartes.

En los rellenos sanitarios tradicionales la recuperación de los gases es el paso previo a ser quemados a propósito. Sin embargo por la demanda y los altos costos de la energía se ah estudiado la manera para de los rellenos sanitarios producir gas metano.

Los rellenos sanitarios operados bajo estas condiciones reciben el nombre de rellenos controlados de aquí se desprenden 3 opciones principales para el tratamiento delgas producido en un relleno.

Recuperarlo y quemarlo en una chimenea de venteo dentro del sitio.

Usarlo esencialmente tal como sale. Se aplica solo deshidratación y compresión directas de combustión en procesos de generación de vapor para la producción de energía eléctrica.

Purificarlo al eliminar la humedad, el C02 y el H2S para venderlo como combustible de bajo poder calorífico.

La extracción de gas de un relleno sanitario se puede estimar por medio de pruebas de campo de corta duración que permiten conocer el principio, la distribución de presión y composición de gas en los alrededores de un pozo de extracción. Dado que el volumen del relleno puede estar constituido hasta por un 50% de huecos, las pruebas a corto plazo no reflejan la taza de extracción sostenible de gas ya que no es posible distinguir entre el gas que se produce en el tiempo de extracción y el gas que ya estaba almacenado en los huecos desde el principio de extracción.

Las pruebas a largo plazo deben de durar el tiempo suficiente para que se pueda extraer un volumen de gas que por lo menos sea mayor dos veces el volumen de los huecos de relleno. El objetivo de esta prueba es el de verificar los estimados de producción de gas obtenidos de la prueba a corto plazo.

La velocidad de extracción estimada en algunos rellenos de prueba es de 0.05 ft3 estándar de gas por cada pie de espesor de capa de basura.

La composición de gas seco en un relleno bien controlado puede ser metano de 45 a 70%, dióxido de carbono de 30 a 45%, nitrogeno de 0.5 a 5%, sulfuro de hidrogeno de 0.001 a 0.002%, trazas de propano, isobutano, n-butano y otros hidrocarburos.

Los parámetros para una optima generación de metano son los siguientes:

Temperatura. Usualmente de 20 a 40 grados centígrados, este es un intervalo mesofilico aunque puede trabajar también en un intervalo termofilico de 50 a 60 grados centígrados.

Ausencia de aire. La captación de gas se hace a 30 metros de profundidad aunque también pueden hacerse las captaciones entre 3 y 12 metros.

Ph (potencia de hidrogeno). Esta debe estar entre 6.7 y 7.

Humedad. Esta deba ser de 60% para digestión anaerobia. Si la humedad es inferior al 20% de la biodegradación se reduce notablemente, en cambio si es superior al 60% se presentan problemas de lixiviado.

Nutrientes. Debe haber suficiente nitrógeno para permitir el crecimiento bacteriano.

Ausencia de materiales tóxicos. Esta debe existir en los microorganismos que intervienen en la formación de metano o biogas.

El metano se forma en los rellenos desde la etapa anaerobia metanogénica inestable y continua durante la metanogénica estable en las siguientes proporciones, 50% metano y 50% CO2. El tiempo en que inicia la etapa metanogénica estable depende de la composición de la basura, esto en la medida que aumenta el contenido de humedad y de materia orgánica.

Para la extracción del metano se utilizan sistemas de venteo a base de chimeneas de madera de pino y maya de alambre en cuyo interior se instalan piedras de tamaño uniforme. Cuando la altura del relleno alcanza el nivel superior de la chimenea se coloca otra igual, estas se disponen en cuadricula a 50 metros de distancia y en hilera en el perímetro del relleno con 10 metros de espaciamiento.

Cuando los gases se conectan se utiliza un sistema de tubos perforados, estos por lo general tienen de ocho a veintiséis pulgadas en la parte inferior y aproximadamente la mitad en la superior, son de PVC y se sellan en su parte externa con un material impermeable que tiene un espesor de entre 20 y 30 pies.

Para el aprovechamiento del metano se calcula primero la producción de este por cada una de las fracciones componentes de la basura y se suman luego todas las aportaciones con una determinada eficiencia de conversión.

Todas las pruebas muestran que un aumento de temperatura o humedad aceleran la producción de gas. En un relleno controlado es importante producir internamente un máximo de caminos para el gas, impermeabilizar la superficie libre para impedir la difusión al y del exterior y crear puntos de concentración de gas con presiones un poco menores a la del ambiente, se ah observado que a menor tamaño de partículas en el relleno hay mayor producción de gas. También que las proporciones de CO2 entre metano varían con la profundidad y con el tiempo.

En el relleno controlado hay un sinnúmero de puntos en los que se genera gas con una actividad mas o menos intensa dependiendo de la velocidad de degradación de los materiales en cada punto, después ocurre una difusión de gases que se desplazan de puntos de alta concentración a puntos de baja concentración, esto depende de sus características especificas, por ejemplo el CO2 y el metano se difunden en la atmosfera circundante en tanto que el oxigeno y el nitrógeno se difunden hacia el relleno desde la atmosfera, la capacidad de difusión depende de la temperatura, la presión, porosidad, grosor de la capa de material que se debe atravesar etc.

Antes de la extracción de gas en un relleno hay zonas de presión positivas y otras de presión negativas, una zona de vacío aparente creada alrededor de una zona de extracción de gas, se modifica constantemente en posición y forma como consecuencia de una serie de factores cinegéticos como la presión barométrica,.la velocidad de la producción de gas, la velocidad de extracción de gas, el volumen de gas presente en el relleno, los movimientos de los líquidos dentro del relleno, los caminos preferidos por el gas en su movimiento, la precipitación, la precolación de líquidos, entre otros. La zona de influencia del vacío alrededor de una sonda de extracción no es constante ni asimétrica y varia con el tiempo, la mecánica de formación de zonas de vacío junto a la superficie libre es una función de la intensidad del vacío aplicado, las condiciones geométricas son de gran influencia en la formación de zonas de vacío y de flujo de gas en el relleno, una vez que suspende la succión el gas se dirige a la zona que antes era de alto vacío. Esto provoca que aumente la presión a que valores muy superiores a los de la presión ambiente. Respecto a la movilidad del gas en el relleno diversos estudios concuerdan en que el mecanismo es únicamente de convección y sigue la ley de D´Arcy.

La duración de la etapa metanogénica estable no se puede precisar con exactitud porque esta depende de la composición de la basura.

El uso del gas depende de su grado de purificación por ejemplo:

Venteo en el propio relleno. En este caso no se necesita ninguna purificación.

Como comestible complementario para generar vapor o electricidad. En este caso las especificaciones de los equipos usados y la proporción del comestible complementario empleado determina el grado de purificación.

Como gas de recarga para una red de distribución de gas natural. En este caso el gas debe estar dentro de las especificaciones de gas natural. La dificultad mas grande en este caso es alcanzar el poder calorífico para poder funcionar como es, como gas natural.

Como combustible único en vehículos automotores, en este uso también se presentan problemas con respecto al corto alcance que tienen los vehículos esto debido por la limitada capacidad de almacenamiento de los tanques de dicho vehiculo.

Cuando se pretende recuperar los gases en un relleno tradicional su sistema de ventilación presenta una incompatibilidad básica con el sistema de recuperación debido a que este último requiere de medidas que impidan que el gas de relleno se mezcle con aire. En algunos estudios sobre un relleno controlado que recibe trescientas mil toneladas por año de basura, se estima que se puede obtener de trescientos a quinientos pies cúbicos de gas por minuto de unos veinte pozos de extracción.

Los gases mas importantes que se encuentran junto con el metano son: CO2 en una proporción de cuarenta a sesenta por ciento del total del acido sulfhídrico y vapor de agua. En tales concentraciones la presencia de estos gases ocasiona un importante decremento en el poder calorífico así como un aumento en el consumo de energía debido al procesamiento del gas. Por lo general la cantidad de acido sulfhídrico es menor del uno por ciento pero su presencia en tales concentraciones puede provocar corrosión en tuberías y maquinas.

El vapor de agua acentúa los problemas de corrosión y provoca que disminuya el poder calorífico del combustible. Este vapor se puede condensar si el gas se comprime o enfría pero existe la posibilidad de que se formen hidratos que taponeen las válvulas y conexiones. En ciertos casos el nitrógeno puede estar presente en cantidades hasta del diez por ciento o más, aunque este gas no causa problemas de corrosión pero si reduce el poder calorífico del gas. En general los costos de purificación por cualquier método son elevados.

Se utilizan varios mecanismos físicos básicos para alcanzar la separación selectiva de los elementos constitutivos del gas en los procesos de remoción del mismo.

La absorción física es lineal con la presión del gas por eso la regeneración del agua se puede hacer flasheo o lavado con un gas inerte. Debido a la naturaleza acida del CO2 y del H2S las soluciones acuosas son corrosivas y es necesario agregar inhibidores de corrosión.

En la absorción química se forman enlaces químicos reversibles entre soluto y solvente. La regeneración del solvente se logra rompiendo estos enlaces, esto conlleva a un consumo de energía. Los solventes químicos mas utilizados para remover el CO2 y el H2C son soluciones acuosas de alconograninas o de sales alcalinas.

En la adsorción física se elige la fase sólida de tal manera que presente selectividad a la absorción de los gases que se desea remover. El proceso requiere de altas presiones y opera por lotes, de modo que se requieren dos columnas de adsorción para funcionamiento alternado y la desorcion se logra al reducir la presión por la adición de calor.

Los sólidos que se usan con mas frecuencia son carbón activado, alumina, silica y silicato.

La conversión química en otro compuesto consiste en efectuar una reacción después de eliminar las impurezas indeseables en la que hidrogenación el CO2 se convierte en etano y agua.

La separación por membranas se base en el transporte selectivo de ciertos compuestos através de una membrana. La permeabilidad de un gas através de una membrana esta función de la solubilidad y difusivdad del gas en el material de la membrana.

Para los principios antes mencionados hay varios procesos para la purificación del gas de relleno.

Lavado con agua ocurre en agua a alta presión. La regeneración se hace casi isotermicamente bajando la presión. Al bajar la presión se puede recuperar algo de energía mediante una turbina. Es muy simple ya que se utiliza el agua como solvente, no requiere calor y no se pagan derechos de patente.

Proceso selexol. Es propiedad de Allied Chemical Corporation. Se basa en la absorción física a alta presión usando como solvente éter dimetilico de polietilenglico. Este es un proceso de alta eficiencia que incluye multietapas, división de corriente, enfriamiento y compresión de gas.

Proceso fluorsorbente, en este proceso se usa propilencarbonato anhidro en la absorción física a altas presiones. También se ejecuta la deshidratación en el proceso, aunque a menudo se aplica una etapa de deshidratación.

Proceso de purison, en este se utiliza nmetil pirrolidina en la absorción física.

Proceso rectisol, en este el CO2 y el H2S se absorben físicamente en metano a alta presión y baja temperatura.

Proceso de carbonato de potasio, en este proceso la capacidad de absorción es mayor a alta temperatura porque aumenta la solubilidad del bicarbonato así como la velocidad de reacción. En esto también se usan un gran numero de adictivos que sirven para inhibir la corrosión, tres de ellos son, Benfield, Catacarb, Giammarco- Vetrocoke.

Proceso con monoetanolamina, la MEA es un absorbente químico de alta reactividad que tiene buena capacidad de absorción por ser altamente alcalina y corrosiva.

Proceso con dietanolamina, tiene menor capacidad de absorción que la MEA pero es menos corrosiva por lo que resulta mas conveniente, con este proceso se puede obtener un gas que cumpla con las especificaciones de gas de la red.

Proceso General Electric de separación por membranas. Recientemente la General Electric desarrollo un proceso de separación por membranas para la purificación de biogas. Por ser reciente, la experiencia de campo con el proceso todavía es limitada. Aunque se encontraron algunos problemas durante las pruebas, varios estudios indican que el proceso tiene potencial para competir económicamente con otros procesos de purificación de gas. Los parámetros clave de costos en este proceso son la potencia y el área superficial de la membrana. Ésta se puede usar en varios arreglos, así como en etapa simple o múltiple, paso simple o con recirculación, presión alta o baja. Antes de pasar las membranas con los filtros se atrapan partículas sólidas y gotas de agua mayores de un micrón. Luego se comprime el gas y pasa por tubos de enfriamiento (a temperatura ambiente) para condensar agua adicional en un segundo filtro. Con un tercer filtro, relleno de carbón activado, se eliminan trazas de hidrocarburos superiores. De ahí, el gas pasa a la unidad de membrana. El gas resultante no atraviesa la membrana, sino que pasa sobre ella mientras que el extracto pobre pasa através de la membrana y se colecta por separado.

Tamices moleculares, estos separan moléculas por medio de fuerza física. Los tamices moleculares tienen capacidad de absorción relativamente alta en bajas concentraciones y altas temperaturas, además exhiben una atracción relativamente fuerte por las moléculas polares. Los tamices moleculares no se dañan por el agua liquida como otros absorbentes, están compuestos de aluminio y silicatos activados por calentamiento para eliminar el agua.

Después de procesar el gas mediante uno de los métodos se debe comprimir y enfriar por etapas. El gas resultante tendrá menor poder calorífico que el gas natural, pero aun así se podrá utilizar para su quema como combustible.

4 Esquema de un Relleno y su planta de extracción de gas.

5 Conclusiones.

La extracción de biogas de un relleno sanitario es un sistema, se puede decir que económico pero hay que esperar a que los rellenos tengan cierta antigüedad, y su procesamiento es algo muy costoso, aun así es una opción muy buena que ha causado mucho interés por los países por el agotamiento de los recursos que ofrece la naturaleza.

6 Referencias Bibliograficas.

Escritos Técnicos.

José Armenta Flores, Construcción de Rellenos Sanitarios. Guadalajara Jalisco 1975.

Libros:

Gerard Kiely , Ingeniería Ambiental, Edit, Mc,Graw, Hill, España; Madrid.,1999

Flores Santoyo, Aprovechamiento de desechos sólidos, Edit, Trillas, Argentina; Buenos Aires.,1995.

Paginas de Internet:

http://www.ingenieriaquimica.com

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