Agronomía Colombiana, 1996 Volumen XIII, No. 1;pag 76-90 TECNOLOGIAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL GAS PRODUCIDO POR LA DIGESTION ANAEROBICA DE LA MATERIA ORGANICA Technologies for the utlllzatlon of gas derived from anaerobic digestion of organic matter Luis Alfredo Hemández A. 1 RESUMEN El aprovechamiento energético del gas metano, compuesto principal del biogás, subproducto gaseoso producido de la fermen- tación anaeróbica de la materia orgánica, en forma sólida o soluble, constituye un factor importante que complementa las bondades tenológicas para la implantación y desarrollo de sistemas de tratamiento de residuos orgá- nicos mediante la digestión anaeróbica. El presente artículo muestra las bon- dades técnicas y operativas en la implementación de tecnologías para el apro- vechamiento energético del biogás en moto- res de combustión, lámparas para alumbra- do, quemadores domésticos e idustriales y calderas. Palabras claves: Biogás, energía de residuos orgánicos, digestión anaeróbica, energético. SUMMARV Energetic use of methane gas, main component of biogas, by product gas of anaerobic fermentation of organic material both solid or soluble forms. It's a more important factor that helps to implantation of technologies for the development of sistem for trataments of organic wastes from anaerobic digestions. , Profesor Asociado. Facultad de Agronomía, Universidad Nacional de Colombia. Santafé de Bogotá. The present article shows the technical operative advantages in the improvement of technologies for energetics use of biogas for combustion engines, lamps of lightening, domestic and industrial fires and boilers. Key words: Biogas,energy from organic wastes, anaerobic, digestion, energy. INTRODUCCION. El gas producido en el proceso de des- composición anaeróbica, más conocido como biogás, representa la materia orgánica en pro- porciones que varían entre 10 Y 40%, depen- diendo de las formas y sistemas de control a los cuales esté sujeta su estabilización, ya sea en condiciones naturales o activadas por el hombre. Este gas, compuesto principalmente por metano y bióxido de carbono, almacena una considerable cantidad de energía que puede ser aprovechada mediante la combustión en diferentes procesos como motores de com- bustión, lámparas de iluminación, quemadores domésticos e industriales, calderas y en sis- temas de refrigeración, mediante tecnologías apropiadas que, además, aliviarían efectos ambientales adversos que el biogás puede producir cuando es descargado a la atmósfe- ra sin una depuración adecuada. Aunque el desarrollo investigativo y la transferencia de tecnología no han tenido una alta resonancia a nivel nacional e internacio- nal, se pretende, con el presente trabajo des- pertar el interés en estos sectores hacia la implementación de sistemas anaeróbicos con recuperación de biogás en la solución de pro- 76 blemas derivados de altas producciones de materiales orgánicos, principalmente en los sectores de tratamiento de aguas residuales domésticas, agroindustriales, de vertimientos sólidos y líquidos de mataderos o plantas de sacrificio de animales, de las basuras de pla- zas de mercado y de la descomposición del material orgánico en los rellenos sanitarios. APROVECHAMIENTO DEL BIOGAS EN MOTORES DE COMBUSTiÓN El metano, principal componente del biogás (CH4, CO2 y SH2), producido de la di- gestión anaeróbica de residuos orgánicos, como cualquier hidrocarburo gaseoso, se pue- de utilizar eficientemente como combustible en motores de combustión interna. Un biogás con un contenido de metano entre 55 y 65%, al entrar en combustión, pro- duce una llama azul y puede tener un poder calorífico entre 22.000 a 26.000 KJ.m-3. Para tener idea del comportamiento ter- modinámico del biogás en el proceso de com- bustión interna, es conveniente, como punto de referencia, conocer el comportamiento del metano o gas natural como combustible, tal como se puede apreciar en el cuadro 1. La estequiometría de la combustión del metano se plantea en la siguiente reacción: CH4 + 202 + 7,52N2 - CO2 + 2HP + 7,52N2 De esta forma, la relación en peso de aire/combustible será: (202 + 7,52N2)/(CH4) = (64 + 210,5)/16,04 = 17,1 Kg de aire por cada kg de metano que- mado. Si se tiene en cuenta que la relación de compresión del metano o gas natural está del orden de 8/1, siendo similar a la de otros combustibles gaseosos y gasolinas y además el óptimo índice de octanos (similar al de una gasolina etílica), su relación aire/combustible en peso (la relación de compresión para la gasolina es de 7,5/1), la posibilidad de compresión por encima de la establecida para motores de combustión del ciclo Otto (130 P.S.I. a c.s.t.p.) permite predecir un buen comportamiento del biogás y, especí- ficamente, el metano como combustible en CUADRO 1. Características físico-químicas y energéticas del metano. Características Valor Fórmula CH 4 Peso molecular 16,042 Punto de ebullición a 760mm Hg -161,5°C Punto de congelación a 760mm Hg -182,5°C Presión crítica 474 kgcm-2 Volumen específ.a 15,5°C y 760mmHg 1,47L.g-' Poder calorífico (stc) 38,130 KJ/kg Vol.aire/vol.comb. en combustión 9,53 Indice de octanos 130 Kg de O/kg de CH4 en combo 3,98 Temperatura de ignición 65°C Relación CO/CH4 en peso para combo 2,74 Fuente: elaboración propia. 77 motores de combustión especialmente para aquellos que trabajan con gas y gasolina, aunque es factible, por la alta compresibilidad, poder utilizarse en motores de combustión tipo Diesel. Desde el punto de vista físico-mecáni- co, se hace imperativa la necesidad de elimi- nar la mayor cantidad de vapor de agua y gas sulfídrico que contiene como impurezas. Además, se debe tener en cuenta que la presencia de bióxido de carbono en el gas de combustión incrementa las pérdidas en los sistemas de escape del motor, por ser un gas que no contribuye en la combustión. Cuando se utilizan mezclas de metano y bióxido de carbono comprimidas en moto- res de traslación, la licuefacción del CO2 a al- tas presiones produce deterioro rápido de los compresores que alimentan de gas a los ve- hículos. Cuando s~ necesita disponer de biogás para utilizarse en motores de combustión es- tacionarios, es recomendable almacenar el gas en recipientes similares a los utilizados para el envase de oxígeno o de gas comercial. El acondicionamiento de motores a gas radica en los cambios en el sistema de ali- mentación y dosificación (carburación) del combustible a las cámaras de compresión del motor. El sistema de alimentación de gas para estos motores se realiza a través de válvulas, que, en general, funcionan dentro de los si- guientes parámetros (ver esquema de válvu- la en la figura No 1). Oscilación de temperatura -10 a 50°C Presión máxima a la entrada 8 bar Presión de salida a las cámaras del motor.....2 bar La experiencia realizada en Medellín en motores para vehículos de transporte muestra la necesidad de disponer de dos válvulas para la alimentación de combustible: una para reducir la alta presión de almacenamiento del gas (134 bar) al nivel que se usa en las cámaras de combustión del motor (2 a 3 bar), y otra para bajar la presión en la tubería de conducción por debajo de la presión atmosférica, cuando el motor no está funcionando. e K PresiÓn Ingreso [=:J Salida [·:::::·:1 A FIGURA 1. Corte de una válvula de diafragma reguladora de presión. 78 Experiencias importantes son las cita- das por Hernández-1989, en el aprovecha- miento de biogás producido en un reactor anaeróbico tipo chino procesando los residuos del matadero del municipio de Yopal (Casanare); esta experiencia mostró el fun- cionamiento de un motor de combustión de 20 Kw alimentado con biogás y accionando una planta eléctrica de 18 Kw. La operación de ésta máquina se mantuvo por períodos de 1 hora con variaciones de presión en el gas dentro del reactor anaeróbico entre 450 a 1550 mm C.A., consumiendo en promedio 4,7 m3 de biogás a un ritmo de 78,3 LPM Y un consu- mo específico de 261 Litros por Kwh. Al asignarle al biogás un poder calorífico medio de 700 B.T.U. por pie cúbico (6186 Kcal/ m3) y, si se tiene en cuenta que para la generación de un Kwh, son necesarias 860 Kcal, el sistema mecánico funcionó con una eficiencia del 53%. En la actualidad, éste no está operan- do, debido a que la demanda de carne supe- ró la capacidad del sacrificio del matadero y, por ende, la capacidad de diseño del reactor anaeróbico, el cual operó eficientemente para 16 vacunos sacrificados (actualmente, la de- manda de carne para el municipio es de aprox. 30 reses). Ensayos hechos por Cárdenas, (1994) aprovechando el biogás producido en la plan- ta U.A.S.B (Proyecto del río Frío) para el tra- tamiento anaeróbico de las aguas residuales de Bucaramanga, operando un motor de com- bustión interna tipo Otto de 18 Hp a 3600 r.p.m., encontró una eficiencia térmica del 40,3%, utilizando un biogás con las siguien- tes características: CH. : 76,05% en volumen H 2 S: 0,10% en volumen CO 2 :. 9,01 % en volumen H20: 5,80% en vol. como vapor N 2 : 8,01 % en volumen Luego de un proceso de purificación, se obtuvo un biogás con las siguientes concentraciones (en volumen): CH.: 87,87% H 2 S: 0,05% CO 2 : 3,50% H 2 0: 0,85% N 2 : 7,01%, encontrándose un incremento de la eficien- cia térmica del orden del 20%. ELlMINACION DE H2S Vénturi Válvula de control de aire tipo mariposa / Control de resorte#. /'" "IIt, _Acopleal motor Red esférica de alambreVálvula de paso Biogás Vénturi hecho con láminas hechas de hierro galvanozado '1 I lm:~ffi_~\~-~-F~I~Uj;O;d~e:l'i·a~~lr~em!·6 t I Tubo del biogás FIGURA 2. Sistema de alimentación de biogás - Motores Otto y Diesel. 79 A pesar de encontrar altas concentra- ciones de metano en el biogás producido, pre- ocupa la presencia de nitrógeno gaseoso, el cual no debe aparecer cuando el proceso es anaeróbico; esta situación se puede originar por la contaminación de la muestra antes de ser analizadas en el cromatógrafo. Cabe mencionar que el motor no pre- sentó señales de corrosión, ni presencia de azufre en el lubricante. En Italia, motores de ciclo Otto operando con biogás han demostrado un consumo es- pecífico entre 600 a 800 litros de biogás por cada Kwh generado. La anterior oscilación de variación es debida a los cambios permanen- tes que se encuentran en el suministro de gas. Experiencias con motores tipo Diesel en China, India y Nepal señalan la necesidad de utilizar mezclas de un 20% de ACPM con un 80% de biogás para producir una eficiente combustión. Para este fin, se han utilizado adaptaciones y cambios en el sistema de ali- mentación y dosificación como las observa- das en la figura 2. La razón para que el solo biogás no opere en forma eficiente en motores Diesel radica en la alta relación de compresión de éstos (aproximadamente el doble a la de los motores de ciclo OUo). UTILIZACiÓN DEL BIOGÁS EN LÁMPARAS DE ILUMINACiÓN Un gas en combustión, al pasar a tra- vés de un filamento le produce incandescen- cia y es éste el principio para la utilización del biogás en lámparas específicas, siendo su forma de empleo menos complicada que para el caso de motores de combustión. En cuanto a la remoción de vapor de agua y gas sulfídrico, los requerimientos de calidad del gas son iguales y más exigentes a los planteados en el caso de motores. Para la operación de una lámpara de gas, es necesario una mezcla controlada de aire y biogás, con el fin de ajustar la iluminación a las necesidades y exigencias, ya sean de carácter doméstico o industrial. El consumo de una lámpara de biogás está en función de la presión de suministro (600 a 1.500 mm CA) y de la potencia de iluminación. Es lógico, suponer que, al au- mentar la presión de suministro y mejorar la calidad del biogás, se tiene un incremento en la intensidad de iluminación. Una lámpara de gas, como algunas de gasolina, para producir iluminación utiliza una caperuza, preferiblemente impregnada de al- gún material radiactivo el cual incrementa la intensidad lumínica por incandescencia. Como el material de fabricación de la caperuza es bastante frágil, se hace necesaria la protec- ción de ésta de las corrientes de aire, insec- tos y manipuleo por medio de un globo de vidrio esférico, sobre el cual se coloca un re- flector para su protección y cubrimiento, ade- más de fijar un radio de iluminación. Una lámpara de gasolina o de gas de tipo comercial se puede adaptar a biogás ha- ciendo una ampliación o sustitución de la to- bera de descarga del gas a aproximadamen- te 1.5mm de diámetro. La intensidad luminosa de una lámpara de biogás puede estar entre 100 a 200 can- delas (bujías), dependiendo de la calidad y presión de biogás utilizado. El consumo de gas en función de la intensidad luminosa y el número de bujías se presenta de la siguiente forma: Lámparas con potencia de 100 cande- las y 1 caperuza: 0,1 a 0,15 m3/hora. Lámparas con potencia de 100 cande- las y dos caperuzas: 0,12 a 0,16 m3/hora. Lámparas con potencia de 100 cande- las y tres caperuzas: 0,15 a 0,20 m3/hora. Un diseño de Lara (1987), citado por G.T.Z. para el estudio de la difusión de la tec- nología del biogás en Colombia, se muestra en la figura 3. El funcionamiento de esta lámpara es de la siguiente forma: la válvula (1) regula el flujo de gas y enroscada a ésta se encuentra la tobera (4), provista de un inyector (5), por donde fluye el biogás arrastrado para que entre a las ranuras de admisión (6) y cuyo flujo 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Válvula Perilla Entrada de gás Tobera Inyector Ranura de admisión Regulador de aire Tubo de mezcla Manguito Rejilla Reflector Base Soporte inferior Vidrio Caperuza FIGURA 3. Lampara de biogás -Modelo G. T. Z. es controlado por medio de un regulador (7). La mezcla de aire se hace en el tubo (8) hasta llegar al manguito (9), donde se encuentra la caperuza (15) en la cual se produce la combustión. La experiencia del matadero de Yopal (Hernández, 1989) muestra la operación de 12 lámparas de 200 candelas cada una tra- bajando ocho horas diarias (durante la jorna- da nocturna de sacrificio), a una presión de suministro de gas entre 600 a 1.200 mm C.A.(ver figura NoA). Esta lámpara de gas consta de una válvula en T (1) que regula la entrada de gas; inmediatamente debajo de ésta y haciendo parte de un sistema integral, se encuentra un anillo enroscado (2), que re- gula la entrada de aire mediante 5 orificios cir- culares sobre el perímetro del tubo de con- ducción. Aquí, se realiza y reacciona la mez- cla sobre el soporte de caperuza (3) de cerá- mica con perforaciones circulares de 1 mm de diámetro para la salida de la mezcla de aire y biogás. Encima del soporte de la caperuza se ubica el soporte del globo de vidrio (4), el cual dispone de un tornillo para fijar éste al sopor- te. El biogás llega a la lámpara a través de un tubo de alimentación fabricado en aluminio de 1/4·de diámetro y 40 cm de longitud. La presión de entrada de biogás se mide por medio de un manómetro en "U", fabrica- do con manguera transparente de 1/4" de diá- metro, donde se marca la presión en mm CA en agua teñida con naranja de metilo sobre una lámina vertical calibrada en mm. Un esquema para la instalación de lám- paras de biogás se puede presentar en el si- guiente diagrama. 1: reactor anaeróbico 2: manómetro en «U .. 3: Expansión para la reducción de hu- medad 4: Reducción del contenido de H 2 S con Fep30ZnO 5: Válvula de paso 6: Lámpara de iluminación. A continuación, se presentan algunas recomendaciones para la operación y mante- nimiento de lámparas de biogás: a.) Abrir lentamente la válvula que con- trola el paso de biogás. b.) Iniciar la combustión utilizando una vela o cerilla sin tocar la caperuza. Una cape- ruza nueva debe ser previamente quemada a fin de que adquiera una configuración rígida y aproximadamente cilíndrica. 81 FIGURA 4. Sistema de Alumbrado adaptado para Yopal - Lampara de gas. c.) Después de calentar la caperuza, regular las válvulas de paso de aire y biogás, hasta obtener la iluminación deseada. d.) Hacer la limpieza de la tobera de gas semanalmente, a fin de eliminar la formación de material carbonoso. e.) Hacer mantenimiento general de la lámpara una vez al mes. f.) Utilizar una bolsita de plástico para introducir la caperuza dañada en el momento de la reposición y evitar su contacto o inhalar sus cenizas. APROVECHAMIENTO DEL BIOGÁS EN QUEMADORES V CALDERAS 1. Bases termoquímicas Antes de hacer referencia a los aspec- tos tecnológicos del aprovechamiento ener- gético del biogás en quemadores y calderas, es necesario conocer la dinámica de la com- bustión del metano como principal constitu- yente del biogás. Teniendo en cuenta que la unión quími- ca de los átomos de la molécula del CH4 se hace en forma covalente, las energías de unión para éstas formas de enlace tienen el carácter exotérmico con valores negativos, en razón a que se libera energía cuando se for- ma un enlace químico de la combinación de dos radicales y éste actúa como una fuerza estabilizadora por naturaleza. Por lo tanto, la energía de unión puede usarse para el cálcu- lo de los calores de formación de las sustan- cias químicas y, a su vez, de los calores de reacción, gracias al principio de aditividad de las energías de unión. Luego, la energía total de unión de un gas, como el metano, será la suma de todas las energías de unión de los enlaces que lo forman: CH4 + 202- CO2 + 2HP Los enlaces rotos serán: 4 C-H con l:lH = 4(87,3)Kcal = 349,2 Kcal 20=0 con ~H = 2(139,6)Kcal = 279,2 Kcal La energía total absorbida es de 488,8 Kcal y a partir de los enlaces formados: 2 C=O :~H 2(-149)Kcal = -298,0 kcal 4 H-O :~H 4(-110,2)Kcal= -440,8 Kcal La energía (H) total liberada será de -440,8Kcal; luego, la energía neta total (Hn) producida, al quemar una mol de metano, será de 250 Kcal. El anterior valor de Hn para el CH4 con- cuerda con el calor de reacción y de forma- ción (Hf), basado en el principio de conserva- ción de la energía. A partir de las leyes de Lavoisier y Hess, se obtiene un valor de 212 Kcal/mol al reac- cionar una mol de metano con dos moles de oxígeno (la diferencia radica en la aproxima- ción que se hace al tomar la energía de un tipo de enlace como el promedio de la misma en distintos compuestos). 82 En la eficiente combustión del metano, deben controlarse tres aspectos para un alto aprovechamiento energético, como son la temperatura, la presión y la composición del gas, la cual se relaciona con la cantidad de aire necesaria para una perfecta combustión. También, se debe considerar que la reacción podría generar estados de hidroxilación que, generalmente, conducen problemas de contaminación del aire; cuando se quema metano, inicialmente se presenta una adición o asociación de oxígeno con la molécula de metano, produciendo compuestos hidroxilados inestables, que, a su vez, forman aldehidos, disociándose y oxidándose para producir finalmente bióxido de carbono yagua, como se observa en los siguientes pasos: 1. CH + 0.502 -> CHpH 11. CHpH + 0.502 -> HCOH + HP 111. CHp -> CO + H2 IV. CO + 0,502 -> CO2 y H2 + 0,502 P HP En el interior, la llama de combustión de un gas se forma un cono azul con espesor de aproximadamente 0,2mm, seguido de una segunda zona en forma de penacho, que contiene los gases producidos de la reacción de la zona interior. Si se efectúa una medición de temperatura en la cima de la región azul de la llama, tal registro estaría cercano a aquel estimado a partir de los calores específicos de los productos de combustión y de los valores de las disociaciones. Para el biogás y específicamente para el metano, existen factores que alterarían la temperatura de combustión, como las conti- nuas variaciones de la relación aire/com- bustible, la baja temperatura de la mezcla y el contenido de materiales inertes que, como el bióxido de carbono y el N2 del aire, pue- den reducirla entre un 30 % a 40%, respecti- vamente. Por lo tanto, la coloración de la llama se puede constituir en un indicador de la cali- dad de la reacción del gas en función de la proporción de combustible utilizado. Cuando la concentración de metano presente en la mezcla de biogás es inferior a un 30% en vo- lumen, la zona interior de la llama tenderá a una coloración amarillenta, mientras que, si la concentración sube p. más del 55%, ésta adquiere una tonalidad azul. Esta situación es necesario conocerla en la calibración y ope- ración de sistemas de quemadores y calde- ras que utilizan total o parcialmente el biogás. 2. Tecnología de los quemadores de biogás Un quemador se define como un dispo- sitivo encargado de poner en contacto el gas combustible (biogás) con el comburente. Bajo esta situación, el gas actúa como inductor, arrastrando parte del aire necesario para la combustión (aire primario), mientras que se utiliza otro aire en el punto o encima del pun- to de combustión (aire secundario); por lo tan- to, desde el punto de vista del uso de quemadores domésticos e industriales que puedan operar con biogás, éstos deben estar expuestos a las condiciones atmosféricas. Un buen diseño de los sistemas de su- ministro y conducción de gases promueve una llama estable, bien estructurada por zonas y QUEMADOR TIPO ANILLO A+;-b~~Ó Vista Superior A-A QUEMADOR TUBULAR El largo no debe ser mayor de dos metros Tapa ..... • • • • • • I FIGURA 5. Tipos de quemadores utilizando biogas 83 con una mínima producción de gases conta- minantes (hidrocarburos y monóxido de car- bono). Las dimensiones de un quemador do- méstico e industrial de gas depende de facto- res como: -Características y propiedades del biogás -Consumo del quemador -Presión de entrada del gas -Consumo de aire primario y secundario; y -Propiedades del aire. Existen varios tipos de quemadores, pero los que han presentado más adaptabili- dad al aprovechamiento energético del biogás son los quemadores domésticos de cabeza cilíndrica que se emplean tradicionalmente con gases comerciales de propano-butano y los quemadores industriales de los tipos de anillos concéntricos y tubulares (tipo flauta), con orificios perimetrales de salidas múltiples, como se pueden observar en la figuras 5 y 5A. Area total de salida Orificios de salida ~r ~ Id, /~ Cabeza del quemador~n~ Garganta Orificios de bordea borde ~/ ::::;0;0000) 000000 0000000 (000007 8888" Quemado doméstico FIGURA SA. Corte de un quemador cilíndrico para biogás 3. Características de los quemadores empleados con biogás Los quemadores domésticos para biogás trabajan con presiones entre 50 a 150 mm de C.A. en estufas de 1 a 4 puestos con quemadores circulares de 2 a 10 pulgadas de diámetro. El consumo de biogás (con 55% en volumen de metano) varía según el tamaño de la tobera de descarga del quemador en la siguiente forma: Diámetro de la tobera(mm.) Consumo(lit.lhora 2 330 4 470 6 640 Los quemadores comerciales domésti- cos se pueden adaptar a biogás ampliando el diámetro de las toberas de descarga de gas y la del flujo de aire primario, en función de la mayor densidad del biogás, sobre todo cuan- do éste viene cargado de impurezas como pro- ducto de una deficiente limpieza. Aunque, para el propósito específico, es válido el diseño de inyectores y válvulas para garantizar una mez- cla y combustión adecuadas, las variaciones de presión, la presencia de materiales inertes durante la generación y aprovechamiento del biogás, no justifican dimensiones perfectas. Los quemadores industriales de más de 2 Kw, tipo anillos concéntricos y con o sin do- ble aro, demandan mayores presiones de suministro de biogás, (500 a 2.000 mm CA) y, como en los domésticos, es necesario ampliar hasta 2mm la boquilla de descarga de biogás, en comparación con quemadores del mismo tipo que operen con gas comercial. Otros quemadores industriales de un metro de longitud y 1 pulgada de diámetro, tipo tubular, como los instalados en los pro- yectos de Yopal y Tunja, funcionan con pre- siones de gas dentro del reactor desde 60mm CA, calentando a una temperatura de 75°C aproximadamente 1.200 litros de agua para el escaldado (pelado) de porcinos. Estos que- 84 CUADRO 2. Diagnóstico de problemas comunes que se pueden presentar en un quemador de biogás Problema Causas posibles Posibles soluciones Llama larga y amarillenta Deficit de aire primario. Aumentar entrada de aire. Exceso de combustible Reducir paso del biogás lama despega del quemador Alta presión y velocidad del Reducir entrada aire primario gas Llama debil y se extingue Baja velocidad del gas en la Aumentar diámetro del tobera inyector Llama muy pequeña Deficit de combustible Limpiar orificio de inyección obstruido. Incrementar (2) de orificio de descarga Manchas amarillas en Llama Deficit de aire primario Ampliar entrada de aire primario Fuente: Adaptado de Deutshe Gesellschaft fuer Technische Zusammenarbeit (G.T.Z.), 1976. madores se colocan por debajo y a lo ancho del tanque de escaldado con dimensiones asociadas al área de transferencia de calor. El Cuadro 2, resume los problemas más comunes que se pueden presentar en un quemador doméstico o industrial alimentado con biogás. APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL BIOGÁS EN CALDERAS Una caldera consiste en un sistema termo mecánico para calentar agua o generar calor en forma de vapor, pudiéndose utilizar en procesos de generación eléctrica, control sanitario, cocción de alimentos, procesos bioquímicos y concentración de productos (fabricación de panela y azúcar). Básicamente, una caldera para gas consiste en un sistema de--combustión que dispone de un quemador de tiro forzado. El calor generado al quemarse el gas es par- cialmente transferido a una superficie inte- gral o tubular la cual contiene o conducece agua, que genera una cantidad de vapor, con una energía de entalpía (H), en función de la temperatura y presión a la cual se produce el vapor. El quemador de una caldera de gas tie- ne un juego de electrodos de ignición, un ven- tilador y una válvula para el controlde la com- bustión. Otros dispositivos de control de este tipo de sistemas se orientan a mantener unas condiciones de carga y presión, tanto del agua, como del vapor generado. Las calderas que se acondicionan para aprovechar el bio¡Ws son del tipo vertical, con volúmenes en la cámara de combustión que varían entre 4 a 20 pies cúbicos y con potencias que oscilan comercialmente entre 5 a 50 BHp. Aunque, técnicamente, el biogás se puede utilizar como combustible en una cal- dera corriente de gas, éste debe ser exigentemente purificado, en cuanto al con- tenido de gas sulfídrico y vapor de agua, ade- más de eliminar la mayor cantidad de CO 2 • La selección del tamaño de la caldera está en función de la disponibilidad y características del biogás producido, de la calidad y disponibilidad de agua y de las necesidades térmicas de agua caliente o vapor para cualquiera de sus usos. Si bien es cierto que no existen experiencias en Colombia y no se dispone de información internacional sobre aplicaciones 85 del uso de calderas que aprovechen parcial o totalmente el biogás como combustible, es necesario el uso de un compresor para mantener unas condiciones reguladas de suministro del gas hacia la cámara de combustión. Además de existir la posibilidad de utilizarse el biogás como complemento energético en calderas de petróleo crudo (crudo de castilla, combustóleo) o ACPM, se debe establecer la compatibilidad térmica de los combustibles y reforzar los sistemas de control de la contaminación del aire. Por las características y propiedades térmicas del biogás altamente purificado comparadas con otros gases hidrocarburos, como el propano y gas natural, no existen incompatibilidades para su conversión total o parcial. Sin embargo, cuando se trate de complementar energéticamentecon gas a una caldera de petróleo, ACPM o carbón, es recomendable instalar una alimentación independiente para el biogás. En Colombia, existe una variedad de marcas y capacidades de calderas con posibilidades de utilizarse con biogás, cuyos precios comerciales oscilan entre 3.000 a 10.000 dólares, entre las cuales se pueden citar las siguientes con sus características: Caldera vertical (Distral), pirotubular Potencia: 10 BHp Presión de diseño: 150 PSI Superficie de calefacción: 70 pies cua- dra dos Volumen de la cámara de combustión: 5,9 pies cúbicos Generación de calor: 334.750 BTU/ Hora (8.450 Kcal/Hora) Combustible: gas, con más de 2.500 BTU/pie3(22.000 Kcal/m'') Consumo de gas : 167 piesvl+ora (4,8m3/Hora) Producción de vapor : 345 Lbs/Hora a stcpt. Si se tiene en cuenta que el poder calo- rífico del biogás alcanza unas 6.000 Kcal/rn", sólo, podría utilizarse como complemento energético a cualquier hidrocarburo gaseo- so, sinque se afecte la generación de entalpía en las condiciones de diseño de la caldera; de lo contrario, habría que hacer cambios en el volumen del hogar de combustión e incre- mentar el flujo de biogás. Otro tipo de caldera, para la cual el biogás puede utilizarse como complemento energético, es la fabricada o comercializada por la firma Tecnick Ltda, la cual presenta las siguientes características: Tipo: pirotubular Combustible: gas, con poder calorífico de 19.000 BTU/Lb. (2.300 BTU/pies3) Presión de trabajo: 150 PSI Consumo de gas: 9 Lb./Hora (4 Kg/ Hora) (85 piesvl-íora) Producción de vapor: 173 Lb/Hora. Al igual que la caldera de Distral, exis- ten inconvenientes en el poder calorífico del gas requerido, además que un incremento en el flujo de biogás traería consecuencias ne- gativas para la eficiencia global del sistema, por la presencia de gases inertes como el dióxido de carbono. Sinembargo,si se supone que al biogás se le ha realizado una exigente limpieza, in- cluyendo la eliminación de alto porcentaje de CO2,su comportamiento se puede asociar al gas natural y las pérdidas de calor sensible en el escape serían ligeramente mayores, comparadas con las del propano, desde el punto de vista de la relación estequiométrica aire/combustible,según la siguiente reacción: C3Ha+ 502+ 18,8N2=>3C02 + 4HP + 18,8N2 Así, se obtiene una relación estequiométrlca apartir de los pesos atómicos de 15,6Kg de aire por Kg de combustible, la cual es unidad y media menor que la señala- da anteriormente para el metano. Desde este punto de vista, habría un incremento del or- den del 8,7% del aire para la combustión del metano casi puro. Bajo esta comparación, se 86 tendría una reducción en la eficiencia de la caldera de biogás por el incremento de pérdidas en el sistema de escape, además de la baja calidad termodinámica del vapor generado. Una ventaja relativa del uso del metano altamente purificado es la de requerir, para su combustión completa, excesos de aire muy inferiores a los de combustibles sólidos como carbón y residuos agrícolas o madera en pro- porciones que van hasta el 230%. Desde el punto de vista del estado na- tural en el cual se encuentra el metano (biogás altamente purificado), con respecto a combus- tibles líquidos, es necesario señalar que los segundos deben «robar» calor del medio para vaporizarse, el cual, unido al emitido a través de las chimeneas, como consecuencia al ca- lentamiento del mayor volumen de nitrógeno atmosférico derivado de los excesos de aire respecto a las demandas teóricas exigidas, disminuye, en forma significativa, la eficien- cia del proceso. Otra ventaja la constituye su bajo impacto ambiental en la combustión, debido a la no emisión de contaminantes en forma de hidrocarburos parcialmente oxidados (óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre), en comparación con combustibles líquidos y sólidos. Además, su combustión produce menores volúmenes de bióxido de carbono por unidad energética producida, (50% y 30% menos que el carbón y combustibles líquidos, respectivamente), por tener una relación menor de átomos de hidrógeno con respecto a los átomos de carbono. SISTEMAS DE LIMPIEZA PARA LA PURIFICACiÓN DEL BIOGÁS La descomposición anaeróbica de residuos complejos genera un producto gaseoso compuesto por metano, bióxido de carbono, gas sulfídrico y vapor de agua. El metano producido proviene de la reducción del ácido acético (CH3COOH) en un 75% y del CO2 en un 25%. Gases, como el H2S y el CO2, provienen de las fases de hidrólisis y acidificación en la estabilización de carbohidratos y proteínas. En el proceso de estabilización de la materia orgánica, se puede volatilizar ésta en- tre un 15% a 25%, dependiendo de factores ambientales, de la velocidad de carga y de las características del tipo de substrato para metabolizar en los tanques de reacción. El H2 S y el CO2 no contribuyen en el beneficio del aprovechamiento energético del metano y es el bióxido de carbono, por su alta concentración en el gas producido son un factor en la reducción del poder calorífico del metano. En la degradación anaeróbica, los sulfatos son reducidos, por bacterias, a sulfuros yagas sulfídrico, según la siguiente ecuación: S04= + materia or- gánica + bacterias S= + 2H+ => H 2 S El gas sulfídrico puede oxidarse biológicamente hasta H 2 S04, el cual es alta- mente corrosivo para duetos y partes metáli- cas. El gas sulfídrico formado, por la estabi- lización de la proteína y por la reducción de sulfitos y sulfatos minerales, es un gas inco- loro, inflamable con olor característico a hue- vos podridos, lo cual, ambientalmente, difi- culta su disposición a la atmósfera. Teniendo en cuenta la necesidad de re- mover completamente el SH 2 y la mayor pro- porción de bióxido de carbono y el vapor de agua presentes en la mezcla de gases produ- cidos de la digestión anaeróbica, se han di- fundido métodos físicos y químicos que pue- den aplicarse a cualquier nivel tecnológico, desde los sistemas domésticos a los indus- triales. A continuación, se describen algunos métodos para la remoción de los tres conta- minantes del metano. 1. Burbujeo en agua Es el método más simple para la remo- ción de las impurezas del metano a través de un lavado del mismo. Si se tiene en cuenta que a 20°C y una atmósfera de presión, los 87 requerimientos de agua para lavado son al- tos; se han diseñado columnas empacadas bajo presión, cuyo propósito es incrementar la adsorción del CO2. El método tiene los in- convenientes del uso de grandes cantidades de agua para lograr la solubilidad del CO2 y de la calidad corrosiva de ésta al generarse estados ácidos durante la remoción del bióxi- do de carbono. La solubilidad del CO2 aumenta en la medida que lo hace la presión de la corriente de biogás y se reduce al incrementar la tem- peratura, según el cuadro 3. Cuando se utilizan presiones mayores a la atmosférica, es necesario el uso de compresores, los cuales se deterioran fácil- mente, debido a la corrosión causada por el estado ácido del agua. En la práctica, a pesar de ser un méto- do simple, resulta inoperante, si se tiene en cuenta que las presiones alcanzadas en los tanques de reacción no superan los 2.000 mm. de C.A.(2 kq.crn"), con una temperatura de los gases del orden de 25°C. 2. Adsorción química Se utiliza en la eliminación de gas sulfídrico, mediante el uso de una esponja de hierro colocada antes de ser usado el gas. El H2S reacciona con el óxido férrico formando sulfuro férrico yagua. La regeneración del óxi- do férrico se realizará por recirculación de aire. El proceso citado se puede presentar en la siguiente ecuación: Limpieza: Fep3 + 3H2S => Fe2S3+ 3H20 Regeneración: 2Fe2S3 + 302=> 2Fep3 + 3S2 El Fe203 debe colocarse en una expan- sión de aproximadamente cinco veces el diá- metro de la tubería de conducción del gas, preferiblemente antes de los dispositivos de aprovechamiento energético. La concentra- ción del gas sulfídrico, antes o después de los procesos de su eliminación, se puede evaluar por cromatografía de gases o por ab- sorción del gas a través de una columna de acetato de zinc. La remoción química del gas de azufre a través de óxido férrico es económica y sus resultados son aceptables internacionalmente. 3. Acción biológica En nueva Zelandia, se han realizado importantes experiencias para el tratamiento biológico en la reducción de la concentración de H2S de las descargas gaseosas de plan- tas de digestión anaeróbica. Unas primeras experiencias mostraron que, cuando el gas de azufre se encuentra en concentraciones su- periores a los 1.000 mq.L:' y es quemado jun- to. con el metano en calderas, produjo corro- sión en los sistemas de conducción, generan- do grandes cantidades de S02' gas altamen- te contaminante causante de la lluvia ácida. CUADRO 3. Variación de la solubilidad del C02en lunción de la temperatura y presión del biogás. Solubilidad Presión de biogás Kg de CO2 por 100 Kg de agua kcrn" Temperatura -c O 10 20 30 40 1,03 0,40 0,25 0,15 0,10 0,10 10,30 3,15 2,15 1,30 0,90 0,75 51,70 7,70 6,95 6,00 4,80 3,90 103,00 8,80 7,20 6,60 6,00 5,40 207,00 ------- 7,95 7,20 6,55 6,05 Fuente: National Academy 01 Sciences, 1973 88 Otras experiencias para el tratamiento de gas sulfídrico originado en la digestión de residuos de carnes muestran la reducción en la concentración del H 2 S en oscilaciones en- tre el 25 al 62% mediante incineración a tem- peraturas medias de 750°C y tiempos de resi- dencia de 0,5 segundos, pero el procedimiento resultó costoso e ineficiente. Tal vez, el méto- do integral más avanzado para la remoción del gas sulfídrico, proveniente de plantas de tratamiento de residuos complejos, sea el ci- tado por Rands,(1981), en el cual, utilizando una pila de compost de un metro de alto for- mada por residuos de matadero (rumen, san- gre y sebos), sobre un piso de escoria y ha- ciendo fluir el gas en sentido ascendente por una tubería perforada, se lograron remocio- nes del orden del 100%. Esto se demostró por el incremento de temperatura, causado por la actividad biológica dentro de la pila de compost. De esta forma, además de lograr una alta remoción de gas sulfídrico, se obtuvo un compost de magníficas propiedades fertilizan- tes, con una reducción de la relación C/N de 45/1 , cuando está crudo, a 30/1 cuando se ha tratado con gas en un tiempo de retención de 20 días. 4. Burbujeo alcalino Esta técnica, utilizada para la remoción del CO 2 emplea sustancias alcalinas, como los hidróxidos de sodio, de calcio o de potasio. Al pasar una corriente de gases que conten- gan bióxido de carbono (biogás o gases in- dustriales) a través de soluciones de las sa- les señaladas, se produce una reacción quí- mica, que, para el caso de la soda, es la si- guiente forma: 2NaOH + CO2 => Na2C03 + HP Manteniendo a presión la corriente de CO 2 sobre el carbonato de sodio, se formará un precipitado de bicarbonato de sodio, de acuerdo a la siguiente ecuación: Na2C03 + CO2 +HP=> 2NaHC03 (reversible) Para mejorar la eficiencia de la reacción, la solución alcalina se debe mantener en agi- tación, promoviendo la difusión y contacto del gas en el líquido. Un segundo factor que afecta la velocidad de la reacción es la concentra- ción de la solución, por ejemplo, con normali- dades entre 2,5 a 3,0 de NaOH, se logra una rápida reacción. Aunque, en la industria, para la eliminación del CO2 se utiliza más el KOH, el hidróxido de calcio brinda mejores posibilidades desde el punto de vista económico y de mayor velocidad de reacción, pero se presenta alguna dificultad en la remoción del carbonato de calcio en los tanques de burbujeo, sobre todo cuando se trabaja con altas tasas de remoción de CO 2 • El carbonato formado puede integrarse al sistema de tratamiento como coagulante en las unidades primarias de sedimentación y/o como estabilizador del pH, cuando se presentan condiciones ácidas en la mezcla líquida dentro de los reactores. Si el tiempo de contacto del biogás es suficiente, también, puede ser removido el H 2 S, formándose un precipitado de sulfuro de sodio, según la siguiente reacción: H2S + Na2C03 => NaHS + NaHC03 El H 2 S y el CO2' pueden ser removidos utilizando otras sustancias alcalinas, como soluciones amoniacales, fosfato trisódico y fenolato de sodio, pero su uso es limitado a causa d,e los elevados costos con respecto a las sustancias alcalinas de Na, Ca y K. 5. Remoción del vapor de agua El vapor del agua es un contaminante que reduce el poder calorífico del metano y que, junto con el H 2 S, puede generar esta- dos ácidos en tuberías y sistemas por donde circula o se aprovecha el gas. El vapor de agua se produce en reactores que funcionan a más de 20°C. Para eliminar el agua y evitar que ésta cause los problemas señalados, es recomendable instalar expansiones en la tubería de conducción a un diámetro de 3 a 5 pulgadas por 5" de longitud, colocadas en posición vertical; en el fondo de esta expansión se debe colocar un registro, el cual debe ser abierto por lo menos cada dos días. 89 , A nivel industrial, el agua de una co- rriente de biogás se puede eliminar a través de un intercambiador de calor fabricado en cobre y lleno de nitrógeno líquido a una tem- peratura de -230°C. A esta temperatura, el agua se conden- sa rápidamente y el gas se conduce a los sistemas complementarios de purificación. Debe tenerse en cuenta que la remoción de humedad es recomendable como el primer paso en la depuración del metano. LITERATURA CITADA CARDENAS, H. Utilización de biogás como combustible en motores de combustión interna. Revista Criterio, No. 21. Universidad Autónoma de Colombia. Santafé de Bogotá. 1994. G.T.Z. Difusión de la tecnología del biogás en Colombia. Documento del proyec- to, Cali. 1987. HERNANDEZ, A. & BALCAZAR, R. Estudiode factibilidad para el aprovechamien- to de los residuos de la planta de carnes del ICTA vía digestión anaeróbica. Tesis de gra- do. Facultad de Ingeniería, Universidad Na- cional de Colombia, Santafé de Bogotá. 1984. HERNANDEZ, A. Puesta en marcha, diseño, instalación y operación de sistemas de aprovechamiento energético del reactor anaeróbico instalado en Yopal (C). Informe de consultoría, Icel, Santafé de Bogotá. 1991. HERNANDEZ, A. Diseño,construcción y readecuación de un sistema de tratamien- tos de aguas residuales, con puesta en mar- cha de varios sistemas de aprovechamiento energético de biogás para el matadero de Tunja, Tunja. 1994. HERNANDEZ, A. Diseño de un siste- ma de tratamiento anaeróbico con recupera- ción de biogás para la planta de carnes del Instituto de Ciencia y Tecnología de alimen- tos -ICTA-de la Universidad Nacional. Institu- to de Ciencias Nucleares y Energías Alterna- tivas -INEA-. Santafé de Bogotá. 1995. N.A.S. Methane generation from human, animal, and agricultural wastes. National Academy of Sciences. Washington D.C.1977. RANDS, M.B. et al. Compost filters for H 2 S removal from anaerobic digestion and rendering exhausts. Water pollution control Federation. 53(2):, 1981. VAN DER MEER, R.R. Anaerobic treatmentof waste water: the gas-liquid-sludge separator. Journal of Water Pollution Control Federation 54 (1): , 1982. 90