estado del arte y perspectivas sobre purificaciÓn y...
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ESTADO DEL ARTE Y PERSPECTIVAS
SOBRE PURIFICACIÓN Y ENRIQUECIMIENTO DE BIOGÁS
Nombre: Guillermo QuijanoInstitución: Instituto de Ingeniería - UNAM
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Fuentes alternativas de energía
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Energía renovable
Energía renovable en forma de BIOGÁS
Residuos con alto contenido en materia orgánica
Digestión Anaerobia
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Tecnología biológica robusta y ampliamente aplicada
Materia orgánica
Biogás
Digestato
37°C
55°C
Digestión anaerobia: somos lo que comemos
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
~60% CH4~39% CO2
H2S (proteínas, sulfato)
Metil siloxanos volátiles (MSVs)Productos cosméticos y detergentes (champú, cremas, maquillajes, acondicionadores, jabones, etc.)
Contaminantes más importantes del biogás
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
1,000 – 30,000 ppmv H2SO4
H2O, O2
Corrosión
Aguas residuales de papeleras, vinazas
vitivinícolas, producción de ácido cítrico
Abrasión
Contaminantes más importantes del biogás
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
150 - 400 mg m-3
Principalmente biogás de relleno sanitario (vertedero)
Contaminantes y Aprovechamiento del Biogás
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Energía térmica y
eléctrica
Motores de ciclo
combinadoCHP, combined heat & power
H2S concentración máxima
500 ppmv
Siloxanos concentración máxima
0.03 - 28 mg m-3
Purificación del biogás
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
La purificación del biogás
para la obtención de energía
renovable a nivel industrial es
hoy en día es necesaria
La inversión requerida para la
purificación del biogás es una
limitante para su uso masivo,
sobre todo en plantas pequeñas
Tecnologías Fisicoquímicas de purificación de biogás
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Lavado químico
(absorción)
Columnas de adsorción
(adsorción regenerativa)
Alto consumo de
agua
Uso intensivo de
reactivos químicos
Contaminación
secundaria
Costos de
operación de
~€3.6 m-3 h-1
Alto consumo
energético
Altos costos de
inversión
Contaminación
secundaria
Costos de
operación de
~€7.2 m-3 h-1
El sistema más
costoso de
purificación
Sistemas Biológicos de Eliminación de H2S
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
H2S
SO42-
S0
O2
O2
S0
SO42-
Biogas + H2S
Biogas Biogas
Biogas + H2S
Air inlet
Air outlet
Air inlet
Thipaq®/Shell Paques®
HS- + 0.5O2 → S0 + OH-
Sulphus®/SOX®
HS- + 2O2 → SO42- + H+
1.2 € m-3 h-1
Pros y Contras: Thipaq®/Shell Paques®
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
S0
Biogas + H2S
Biogas
Air inlet
Air outlet
HS- + 0.5O2 → S0 + OH-
Excelentes para tratar
altas cargas de H2S
Bajo consumo de O2
(aireación/compresor)
Se pueden tratar altas
cargas de H2S
Al generase OH-,
disminuye el uso de
reactivos químicos
Se produce S0, el cual
precipita
Valorización de S0
Baja pureza de S0 (20%
sulfato)
Requiere altas tasas de
recirculación de líquido
(≥20 m h-1)
Sulfato: forma química
asimilada por plantas, S0
requiere etapas
posteriores de oxidación.
Otras aplicaciones del S0
requieren pureza mínima
del 99.2%. Etapas de
purificación posteriores
Pros y Contras: Biofiltros percoladores
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
SO42-
Biogas
Biogas + H2S
Air inlet
HS- + 2O2 → SO42- + H+
Excelentes para tratar
concentraciones de
H2S < 5,000 ppmv
Sistemas eficientes en
un rango muy amplio
de pH (2 – 9)
Tiempos de retención
de gas muy
competitivos (2-8 min)
Se produce SO42-, que
puede valorizarse
como fertilizante
Poca robustez a
concentraciones de H2S >
5,000 ppmv
Exceso de aireación:
dilución de biogás
Limitación de oxígeno:
acumulación de S0,
pérdida de carga y
taponamiento de lecho.
Requiere altas velocidades
de líquido (e.g. 20 m h-1)
para obtener conversión a
sulfato >80%
Propuesta IINGEN-Juriquilla
Quijano et al., 2018. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, DOI: 10.1002/jctb.5732
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Aire
Aire
Biogás + H2S
Biogás
NO3-
N2
No hay dilución del biogás
Eficiencias de remoción del 100%
2,500 < H2S < 10,000 ppmv
Conversiones de S-H2S a sulfato
superiores al 80%
Velocidad de líquido 1.7 – 3.0 m h-1
Sin pérdidas de carga
Se puede usar aire o nitrato para la
oxidación del H2S
SO42- Fertilizantes
Integración y valorización
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
SO42-
Aire
Aire
Biogás + H2S
Biogás
NO3-
N2
Fracción líquida
Digestato
Secado
Fracción sólida
Aire
Aire
NO3-
NO3-
Fertilizante
Composta
Biogás limpio
Sistema anóxico
Integración y valorización
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
SO42-
Fracción líquida
Digestato
Secado
Fracción sólida
Aire
Aire
Aire
NO3-
Fertilizante
Composta
Biogás limpio
Aire
Aire
Biogás + H2S
BiogásSistema aerobio
Sistemas Biológicos de Eliminación de Siloxanos
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
¡Nicho de
investigación
interesante!
Biogas
Biogas +
Siloxanos
Air inlet
Baja solubilidad en agua
Constante adimensional de Henry
de 10 @ 1atm y 26°C
Pobre transferencia de masa
Eficiencia de remoción del 43% en
sistemas aerobios, con tiempos
de retención de gas de 19.5 min
Eficiencia de remoción del 15% en
sistemas anaerobios, con tiempos
de retención de gas de 4 min
Propuesta IINGEN-Juriquilla
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
NO3-
N2
14NO3- + [Si(CH3)2O]4 + 20H+ → 7N2 + 4SiO2 + 8CO2 + 22H2O
Proceso anóxico desnitrificante
Sin riesgo de dilución de biogás
Mejorar la transferencia de D4 y
D5 con adición de una fase
orgánica afín por siloxanos
Sistema para el tratamiento
combinado de H2S y siloxanos
Biogás + H2S
Biogás
Aceite de
silicón
Enriquecimiento del biogás
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
BIOGÁS
60% CH4
40% CO2
BIOMETANO
≥ 95%
CH4
• Mayor poder calorífico
por m3 de combustible
• Se puede inyectar en
redes de gas natural
Tecnologías Fisicoquímicas de enriquecimiento de biogás
Luo and Angelidaki, 2013. Applied Microbiology and Biotechnology 97:1373-1381
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Absorción con
poliglicolAdsorción con
zeolitas
MembranasOperación altas presiones
Taponamiento si hay vapor de agua
Se requieren por lo menos 2 en línea
Sistemas costosos (semejante a adsorción)
Sistemas muy compactos
Sistemas Biológicos de Enriquecimiento de biogás
Quijano et al., 2017. Biotechnology Advances 35:772-781
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
[CH4] ≥ 95%
Biogás
CH4CO2
H2S
Biometano
H2S SO42-
CO2 O2
Sistemas de microalgas y bacterias
High Rate Algal Ponds (HRAP)
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Reactores tipo “Raceway”
Biometano≥95% CH4
Biogás
Columna de
absorción
CO2
H2S
Tratamiento de agua residual
Integración y valorización
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Fracción líquida
Digestato
Secado
Fracción sólida
Biomasa microalgal
Composta
Biometano limpio
CH4
Biogas
Biogás
CH4 ≥ 95%
Enfoque IINGEN-Juriquilla
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Biogás rico en H2S (≥5,000 ppmv)
Módulo de
absorción
CH4
Biogas
Tiempo característico
de absorción:
15 – 30 min
Tiempo característico (TRH):
10 - 20 días
Airlift
H2S: 5,000 – 30,000 ppmv
Objetivo 1: absorber tanto CO2
como las tas cargas de H2S
Se espera una alta acumulación
de sulfato en el líquido
Investigar el desempeño de
comunidades de microalgas-
bacterias ante altas
concentraciones de sulfato
Integración y valorización
5º curso RED TRITÓN
Querétaro (México) 27-agosto-2018
Fracción líquida
Digestato
Secado
Fracción sólida
Biomasa microalgal
Composta
Biometano limpio
CH4
Biogas
Biogás
rico en
H2S
CH4 ≥ 95%
Fertilizante
SO42-
NO3-