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Biogás: Eliminación de siloxanos

Por FCO JAVIER NOVOA NUÑEZ – Dtor Técnico WATERXPERT

El sector energético es uno de los más importantes y de mayor desarrollo actual. El mundo ha comprendido, desde el siglo XX, que debe renovar y ampliar sus fuentes de energía para poder satisfacer las necesidades crecientes de la sociedad, cuidando a su vez el medioambiente.

El biogás procedente de vertederos (rellenos sanitarios), plantas de metanización y depuración de aguas residuales (EDAR) constituye un valioso material para la producción de energía, biocombustibles y elaboración de productos químicos como el hidrógeno y el metanol.

Al ser una fuente de energía renovable, es inagotable, limpia y se pueden utilizar de forma planificadas. Su uso genera una menor contaminación ambiental y constituyen una alternativa viable al agotamiento ya sensible de energías fósiles, como el gas natural y el petróleo, dónde ya se mantiene un incremento en sus precios.

EL BIOGÁS, desde un punto de vista técnico, es una mezcla multicomponente de gases, tanto en su composición básica (CH4, CO2, H2, O2, N2, vapor de agua, etc.) como en sus componentes perjudiciales (NH3, siloxanos, hidrocarburos halogenados, BTEX,VOCs, H2S, etc.). Su composición está íntimamente relacionada con el tipo de materia que se somete al proceso de digestión anaerobia y, en cierta medida, con la tecnología que se usa para su producción.

De aquí que se pueda hablar, en términos generales, de dos tipos de biogás:

  • Sistemas incontrolados. Biogás de vertedero, rellenos sanitarios, pantanos
  • Sistemas controlados. Planta de depuración de aguas residuales urbanas (EDAR) y de plantas de digestión anaerobia (alta carga orgánica).

De forma general, se puede plantear que los segundos se caracterizan por tener elevada concentración de H2S, su principal componente contaminante, y, en el caso de EDAR, la presencia de siloxanos; mientras que en los primeros se caracterizan por la aparición de los siloxanos y los hidrocarburos de alto peso molecular.

Los siloxanos proceden de las siliconas que están presentes en materiales como champú, jabones, tensoactivos, aceites, productos farmacéuticos, etc., que se somete al proceso de digestión anaerobia.

Desde el punto de vista de proceso, se puede plantear que el biogás es el gas procedente del proceso de digestión anaerobia de la fracción orgánica de diferentes tipos de materias, y que se caracteriza por su elevada concentración en metano (CH4), que es quien le da su característica como biocombustible, encontrando esta concentración entre el 40 al 80% v/v del gas generado en dicho proceso.

Por otro lado, toda instalación de aprovechamiento/valorización del biogás cuenta de tres partes fundamentales:

  1. producción del biogás (sistema de DA),
  2. captación-limpieza y
  3. sistema de valorización (electricidad, vapor,biocombustibles o como materia prima para la elaboración de otros productos).

Todas estas etapas son consecutivas, es decir, trabajan en línea con una función específica cada una.

En ella juega un papel fundamental la limpieza/acondicionamiento del biogás y sus tecnologías, pues garantiza: 

  • Un óptimo funcionamiento de los equipos y máquinas (motores, turbinas, calderas, pilas de combustible) involucradas en su aprovechamiento como material combustible.
  • Una vida útil prolongada de las máquinas utilizadas para su transporte, extracción y compresión (soplantes y compresores).
  • Una mejora en las emisiones de los gases de escape de las máquinas involucradas en su aprovechamiento energético, pues elimina su causa antes de entrar a proceso.
  • Reducción del coste de mantenimiento (reparación y cambio de aceites) de las máquinas involucradas en este tipo de instalación.
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Origen de los siloxanos

Entre los componentes de mayor incidencia en el aprovechamiento energético del biogás generado en plantas depuradoras y vertederos están los siloxanos, los cuales producen daños en las máquinas empleadas, reduciendo la vida útil de las mismas por el efecto abrasivo que producen en las partes internas de éstos, así como aumenta el coste de operación por los reiterados cambios de aceites y partes interna de las mismas.

Los siloxanos son una familia de compuestos orgánicos formados por cadenas lineales o cíclicas de silicio, oxigeno y grupos metilos. Son fabricados en un abanico de formas, entre los que se incluyen fluidos de alta y baja viscosidad, gomas, elastómeros y resinas. Se encuentran en cantidades significativas en una amplia y variada gama de productos domésticos, tales como detergentes, champús, desodorantes, pastas dentífricas, cosméticos, entre otros.

La mayoría de ellos se volatilizan rápidamente a la atmósfera, y con el tiempo se degradan en dióxido de carbono, sílice y agua. Pero algunos, no obstante, acaban en las aguas residuales y en los sólidos urbanos , y se produce su inevitable acumulación en vertederos y depuradoras, donde se consideran uno de los contaminantes más difíciles de controlar. 

Efecto de los siloxanos

Las siliconas, a diferencias de los sulfuros, no reaccionan con el agua para formar ácidos. Sin embargo, durante la combustión,  cuando estos contaminantes alcanzan  altas temperaturas  (en la cámara de combustión)  se convierten en silicatos, sílice y otros compuestos cristalinos precipitándose en forma de partículas abrasivas en el interior del motor

Éstas  se introducen en las partes móviles, que están separadas por una película lubricante,  con el consiguiente daño para  los componentes   fundamentales del motor (pistones, válvulas, etc.)

Por otra parte se produce una reducción del volumen de la cámara de combustión, por los depósitos acumulados en las paredes, aumentándose por consiguiente la relación de compresión

Por otra parte estas partículas contaminan el aceite lubricante afectando su duración  y sus propiedades

La siguiente figura  muestra las incrustaciones que causan los siloxanos en diferentes tipos de máquinas.

El contenido de siliconas permisibles para un buen funcionamiento de los motores de generación no debe exceder, por lo general, < 5 mg/Nm3, aunque cada fabricante de máquina pone sus límites. Un contenido superior indicará posibles problemas de deposición de sílice y, con ello, el quemado de válvulas de escape.

En el caso de la turbinas a biogás, dado que operan a altas velocidades de rotación, es decir, por encima de las 10.000. rpm, requieren un balanceado, tanto estático como dinámico, de sus partes móviles muy preciso. Estas disposiciones de siloxanos pueden crea descompensaciones bastantes serias en las mismas, llegando a acusar importantes averías.

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Eliminación de  siloxanos

Los sistemas actuales para la eliminación de dichos compuestos utilizan técnicas que poseen, por lo general, una o dos etapas involucradas, entre las cuales se pueden citar

  • El subenfriamiento,
  • la adsorción en carbón activo/silicagel,
  • filtros de grafitos,
  • determinados tipos de resinas,
  • el lavado con ciertos reactivos (metanol, ácido sulfúrico, mezcla de hidrocarburo, etc.).

Tratamiento mediante carbón activo

Este sistema tiene el problema de la complicada  regeneración del lecho filtrante de carbón activado, por lo que normalmente hay que cambiarlo bastante a menudo con el consiguiente coste asociado.

Hay fabricantes que ofrecen sistemas con  2 filtros trabajando en  paralelo, mientras uno trabaja, el otro está en fase de regeneración

La regeneración del carbón se realiza mediante la entrada de aire caliente. El aire con los contaminantes  se envía a un condensador previo a su  venteo  a la atmósfera

Tratamiento mediante  torres  de adsorción

Se han empleado también otros tipos de filtros como filtros moleculares, lechos polimericos  y silica gel

La capacidad de adsorción relativamente baja y la dificultad de su regeneración llevo  a explorar nuevos materiales para capturar los siloxanos.

Se descubrió que el silica gel   tiene una  mayor capacidad de adsorción de siloxanos que el  carbón  activado,  y  con una vida útil también mayor

Estos secadores utilizan un desecante, que adsorbe el vapor de agua  y los siloxanos en la corriente de biogás.
La composición de la desecante no  se modifica  y la humedad y los siloxanos son arrastrados fuera de las torres  mediante la aplicación de aire de purga seco, por la aplicación de calor, o una combinación de ambos.

Estos equipos, por lo general disponen de  2 torres de proceso

Una torre capta los contaminantes y la humedad  del biogás, mientras  la otra torre está siendo regenerada a través de la aportación de aire externo  previamente calentado

La regeneración puede llevarse a cabo usando un ciclo de tiempo o bajo demanda mediante la medición de la temperatura o la humedad en las torres de adsorción

La cantidad de aire de regeneración  es de aproximadamente 5-10% del caudal del biogás a tratar

Entre las ventajas del proceso tenemos

  • Costo moderado de  operación
  • Amplio rango de funcionamiento en relación a temperaturas
  • Permite su operación a distancia

Por otra a parte como inconvenientes se tiene:

  •  Relativo alto coste de inversión
  • Sustitución periódica del lecho (normalmente 3-5 años)
  • Aerosoles de aceite (compresores) puede recubrir el material desecante

Otros sistemas de eliminación

Existe otros sistemas  donde se combinan  varias técnicas de eliminación

Es el caso de la tecnología CLEAN-BGAS® MP DRY , basada en la combinación de operaciones,  se fundamenta en el enfriamiento, condensación, lavado, secado y adsorción en carbón activo,  y logra minimizar tanto el consumo energético como el de carbón activo.

La tecnología cuenta de dos etapas básicas: una de eliminación gruesa de contaminantes, incluyendo los siloxanos tipos D, hidrocarburos y acondicionamiento del biogás para entrada a filtros de carbón activo vía térmica, y otra de refinamiento (eliminación de siloxanos tipo L y D) vía adsorción en carbón activo. Una parte importante de esta tecnología es el recuperador lavador que garantiza el acondicionamiento del biogás en todos los sentidos.

Otra de las ventajas de esta tecnología es que permite eliminar tanto los hidrocarburos pesados, como los que contienen compuesto de cloro o flúor, que inciden, a su vez, en el buen funcionamiento del motor, así como en el cumplimiento de las emisiones de los sistemas de generación de energía.

Características técnicas del sistema

  • Sistema modular.
  • Apto para todo tipo de biogás.
  • Funcionamiento continuo desde su instalación.
  • Reducción simultánea de temperatura, vapor de agua, H2S, NH3, hidrocarburos halogenados y siloxanos.
  • Funciona en una línea de vacío o presión.
  • Incorpora un sistema de separación de partículas y espuma.
  • Automatización total.
  • El filtro de carbón activo ofrece un fácil manejo.
  • Proporciona biogás de alta calidad.
  • Podría tener un sistema de recuperación de energía o recalentamiento.

Enntre las ventajas del sistema destacan:

  • Producción de biogás de alta calidad.
  • Reducir el consumo de energía hasta en un 30 %
  • Larga vida del adsorbente.
  • Bajo costo de mantenimiento.
  • Completamente automatizado.
  • Mejorar las emisiones de gases de escape de los sistemas de cogeneración

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