Eliminación del vapor de agua
Origen
En el proceso de producción del biogás, el agua forma parte intrínseca, tanto del material a digerir (biomasa), como del propio proceso, medio en el cual se desarrolla la de producción del biogás, independientemente si el proceso de digestión es seco o húmedo el biogás que se produce contendrá vapor de agua. La cantidad de vapor de agua contenido en el biogás generado en el digestor es un función de la temperatura a la cual se desarrolla el proceso de digestión anaerobio: psicrófilo, mesofílico y termofílico y de la presión a la cual se encuentra en el digestor (reactor).
El biogás en el digestor se encuentra saturado en vapor de agua. En general la humedad absoluta del biogás se mueve en una rango comprendido entre 2.5 a 7 % de su volumen a temperatura ambiente.
La figura 1 muestra la curva típica de producción del biogás en función de la temperatura y tipo de proceso, así como, la cantidad de vapor de H2O que contiene dicho biogás a la temperatura del proceso por cada Nm3 de biogás.
Figura 1. Curva de producción de biogás en función de la temperatura del proceso y cantidad de vapor de agua en la condición de saturación. Tomada de GUÍA TEÓRICO-PRÁCTICA SOBRE EL BIOGÁS Y LOS BIODIGESTORES
Este vapor de agua que contiene el biogás posee cierto grado de acides que se debe, por un lado, al contacto intimo con gases ácido como el H2S, CO2 y ácido orgánicos volátiles (AGV) presentes en el biogás y, por otro, al equilibrio químico y termodinámico con el sustrato (fase liquida) que le dio origen. Este líquido, al formar parte del proceso de digestión (etapa acidogénesis donde se producen diferentes tipos de ácidos orgánicos) al estar en contacto con los mismos eleva su acides.
Tanto la cantidad de vapor de agua que contiene el biogás, como su acides son dos aspectos para tener en cuenta en una instalación de biogás con el fin de evitar daños y mal funcionamiento de la misma, así como en su posible uso.
Efectos
Uno de los efectos de la presencia de vapor de agua en el biogás es que disminuye drásticamente el PCI del biogás, por tal motivo, se ve afectado el rendimiento energético de los equipos involucrados en su utilización como biocombustible (motores, turbinas, calderas, etc.) y con ello la producción de energía.
Las figuras 2 y 3 muestran la interrelación entre la temperatura, el contenido de vapor de agua en el biogás y su PCI. Y como afecta el contenido de humedad en el rendimiento energético del motor de combustión (ƞ = 40 %).
Figuras 2. Variación del PCI del biogás vs temperatura. Figuras 3. Variación de la potencia vs temperatura del biogás.
Otro de los efectos que produce la presencia de vapor del agua en el biogás es la formación de condensados debido al enfriamiento que sufre el flujo de biogás aguas abajo al entrar en contacto con partes frías de la instalación que se encuentran a la temperatura ambiente. Estos condesados si no se eliminan, por cualquier medio, se acumulan y producen la formación de tapones o sellos hidráulicos que obstruyen el transporte del biogás y en caso de bajas temperaturas puede llegar a congelar formado tapones de hielo.
La figura 4 muestra la formación de tapones o sellos hidráulicos que produce la condenación continua del vapor de agua en tuberías debido a la acumulación de los condesados.
Figuras 4. Muestra la formación de tapones de condesados debido a la condensación del vapor que tiene lugar en el transporte del biogás.
Está formación y acumulación de condesado facilita a su vez la formación de ácidos corrosivos como, el ácido sulfhídrico (H2Saq), el cual se produce cuando este entrar en contacto con gases ácidos como el sulfuro de hidrógeno (H2Sg) y el CO2 presentes también en el biogás. Esto por tanto facilita la corrosión y el deterioro de los: sistema de tuberías, maquina de flujo y sistema de generación de energía.
Tratamientos
La eliminación del vapor de agua, por tanto, se hace necesaria para evitar la acumulación de condensados en la línea de gas, equipos y máquinas, y con ello, evitar problemas atascos, formación de ácidos corrosivos y hielo en caso de bajas temperaturas.
Existen varios métodos de eliminación o reducción del vapor de agua en el biogás. Estos se pueden clasificar en dos grandes grupos. Métodos de condensación y métodos de secado. La tabla 1 muestra las técnicas más comunes a aplicar para la eliminación del vapor de agua en el biogás según el método que se desee aplicar
La tabla 1 muestra las técnicas de eliminación de vapor agua en el biogás.
Método. Técnica de condensación
Es una de las operaciones (técnica) más utilizadas y se basa en el principio de la remoción del condensado por enfriamiento del biogás debajo del punto de rocío (sobre saturación y parte de saturación). En este tipo de operación se aprovecha tanto la variación de cantidad de movimiento que experimenta el flujo de biogás en su transporte (cambio de dirección y dimensión del flujo), como el diferencial de temperatura entre el flujo de biogás y la del ambiente que rodea al sistema de tuberías.
Por ello, en la línea del biogás con frecuencia aparecen a determinadas longitudes equipos como potes de condesados, trampas de goteo e hidrociclones. Cuando se aprovechan el intercambio térmico entre el flujo de biogás que circula por la tubería y la temperatura ambiente está se instala con cierta inclinación y se colocan trampas de recolección de condensados en el punto más bajo, el condensado que se forma fluye hacia la parte baja y se recolecta en la trampa de goteo que garantiza su salida del sistema. Este procedimiento es válido, tanto para tuberías instalada sobre superficie, como para tuberías soterradas, dónde el enfriamiento es aún mayor. Una condición para esta operación, con el fin que el biogás pueda ser enfriado, es que la tubería de gas sea lo suficientemente larga para producir dicho enfriamiento.
Uno de los cuidados en la aplicación de esta técnica en países fríos o estaciones invernales prolongadas es evitar, la congelación del condesados en equipos, tubos, trampas de goteo, y dispositivos de evacuación del condesados. Por ello, deben de ser de fácil acceso , su instalación debe ser a prueba de congelación y ser vaciadas en intervalos regulares.
Método. Técnica de secado
En general, la deshumidificación del biogás se realiza por medio de una operación de enfriamiento del gas al ponerlo en contacto con una superficie fría y posterior remoción del condensado. Para ello, el gas es conducido a través de un intercambiador de calor del tipo tubo-coraza bañado con un fluido de enfriamiento por lo general agua con glicol para evitar la congelación del medio refrigerante cuando se trabaja a temperaturas por debajo de 0 ºC. En este equipo el líquido refrigerante fluye en dirección contraria al gas absorbiendo el calor presente en el biogás y enfriándolo a una temperatura en el que el vapor de agua contenido en el gas condensa, lo que permite la remoción del vapor de agua del biogás. Mediante esta técnica además de vapor de agua, se eliminan también sustancias tales como gases solubles en agua (H2S y NH3), diferentes tipos de hidrocarburos, siloxanos del tipo D4 y D5 siempre y cuando la temperatura alcanzada en el biogás sea menor de los 4 ºC para este último caso.
Debido a que en esta operación de condensación suelen aparecen tres fases es recomendable vincular a este sistema técnicas de condenación como tanques de condensados y separadores de nieblas que garantizan una mayor eficacia de remoción del vapor de agua de la corriente del biogás.
El método más utilizado, por la simplicidad en la operación y por su reducido costo operativo, es el de sistemas de enfriamiento figura 5.
También se suelen utilizar otras técnicas de secado para reducir la humedad del biogás antes de su utilización entre ellas: compresión y/o enfriamiento del biogás, adsorción en silicagel, tamiz molecular o alúmina activa, o por absorción utilizando soluciones de glicol o sales higroscópicas. Pero estas técnicas debido a su complejidad y costes operativos se han visto desplazada por la técnica de enfriamiento.
Adsorción
La adsorción es una técnica muy aplicada en el secado de gases, pues es posible alcanzar alta eficiencia de secado y con ellos bajos puntos de rocíos como en el caso del biometano para su uso vehicular requiere punto de rocío por encima de los -20 ºC, pero para ello se requieren altas presiones 6 a 10 bar por lo que limita un tanto su uso en al secado del biogás por su coste operativo. Como material adsorbente se emplean gel de sílice, el alúmina activa y los tamices moleculares. Los adsorbentes utilizados se instalan en un lecho fijo y se operan alternadamente a una presión de. Los materiales de adsorción saturados pueden ser regenerados en caliente o en frío.
Este tipo de técnica de secado se emplean, por ejemplo, para ajustar el contenido de humedad del biometano después del secado por enfriamiento y así garantizar que éste alcance una calidad equivalente a la del gas natural antes de su inyección en los gasoductos.
Absorción
La eliminación de humedad por adsorción es un proceso físico dónde se suele usar un solvente higroscopio como el glicol para absorber la humedad del biogás cuando entran en contacto dentro de una torre de relleno. En esta operación el biogás fluye en una torre absorbente a contracorriente de una solución de glicol o trietilenoglicol, con lo que se remueven del gas crudo, tanto el vapor de agua (humedad), como los hidrocarburos pesados pero dada su complejidad operativa suele ser poco aplicadas en la actualidad en el biogás..
Secado por enfriamiento. Caso práctico
La figura 5 muestra la tecnología BTS-Dryer desarrollada por BGasTech para el secado del biogás donde se combinan varios métodos de eliminación de humedad e incluye un sistema de recuperación de energía con lavado del biogás por borboteo con su propio condesado. Con esta tecnología BTS-Dryer no solo se elimina humedad absoluta sino además se reduce la humedad relativa, este grado de reducción está de acuerdo con el diferencial de temperatura de trabajo del equipo. Esto presta interés cuando el biogás seco pasa a una etapa de adsorción en carbón activo.
Figura 5. Tecnología BTS-Dryer. EDAR Alcalá de Henares. Madrid. Cortesía de BGasTech
Temperaturas de condensación en un rango de 2 a 4 ºC son las temperaturas de operación más comunes en estos tipos de equipos lo cual permite, además de reducir la humedad absoluta, eliminar otros componentes como los siloxanos de cadena cíclica principalmente los del tipo D4 y D5. Si el biogás se comprime antes de entrar a la etapa de enfriamiento aun será mayor su rendimiento de eliminación de humedad se obtiene debido al aumento de la presión parcial del vapor de agua en la corriente del biogás.
La tabla 2 muestra los resultados alcanzados en su aplicación práctica en el secado del biogás en la EDAR Alcala Oeste-Madrid.
Como se puede observar de la tabal 2 por esta técnica se puede logar una reducción de la humedad absoluta por debajo del < 1 % y reducir a su vez otros tipos de componentes indeseables en el biogás.
