Fecha de presentación: 28/9/2020 Fecha de aceptación: 30/11/2020 Fecha de publicación: 18/12/2020
¿Cómo citar este artículo?
Morgado León, F. de J., López González L. M., & Pedraza Garciga, J. (septiembre-diciembre, 2020). Revisión sobre las principales tecnologías para la purificación de biogás. Situación actual en Cuba. Revista Márgenes, 8(3), 119-139. Recuperado de http://revistas.uniss.edu.cu/index.php/margenes/issue/view/1094
TÍTULO: REVIsiÓn sobre LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS para la PURIFICACIón de biogáS. SITUACIóN ACTUAL EN CUBA
TITLE: REVIEW ON THE MAIN TECHNOLOGIES used FOR BIOGAS PURIFICATION. CURRENT SITUATION IN CUBA
Autores: Ing. Fabiany de Jesús Morgado-León1, Dra. C. Lisbet Mailin López-González2, Dr. C. Julio Pedraza-Garciga3
1 Ingeniera Química. Universidad de Sancti Spíritus “José Martí”, Centro de Estudios de Energía y Procesos Industriales, Sancti Spíritus, Cuba. ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6394-869x Correo electrónico: fabiany@uniss.edu.cu
2 Ingeniera Química. Doctora en Ciencias Técnicas. Profesora Titular. Universidad de Sancti Spíritus “José Martí”, Centro de Estudios de Energía y Procesos Industriales, Sancti Spíritus, Cuba. ORCID: http://orcid.org/0000-0002-2362-5703 Correo electrónico: lisbet@uniss.edu.cu
3 Ingeniero Químico. Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular. Universidad de Sancti Spíritus “José Martí”, Centro de Estudios de Energía y Procesos Industriales, Sancti Spíritus, Cuba. ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1780-5297 Correo electrónico: jperdaza@uniss.edu.cu
RESUMEN
La producción de biogás es un proceso sostenible establecido para la generación simultánea de energía renovable y el tratamiento de residuos orgánicos. El creciente interés por su utilización como sustituyente del gas natural o su explotación como combustible para el transporte abre nuevas brechas para el desarrollo de técnicas de purificación. La literatura consultada permite clasificar las tecnologías en cinco categorías: absorción (por vía física o química); adsorción (por balance de presión, temperatura o por balance eléctrico); separación por membranas; métodos biológicos y separación criogénica. El objetivo de esta revisión es realizar una evaluación teórica de las tecnologías existentes para la purificación de biogás, comparando su funcionamiento, ventajas e inconvenientes. Se concluye que la tecnología de absorción física con agua es económicamente viable, aunque reporta una menor eficiencia en comparación con la absorción química; el proceso de separación criogénica logra una alta pureza de CH4 y un combustible líquido altamente presurizado, mientras que la absorción química con aminas y la separación criogénica aseguran una baja emisión de CH4. En Cuba se han implementado principalmente tecnologías destinadas a desulfurizar el biogás para su uso en la cocción de alimentos. La absorción de H2S a partir de óxido de hierro, empleando virutas de acero o la inmersión de estas en agua, son los métodos más generalizados por su sencillez y bajo costo.
Palabras clave: biogás; purificación de biogás; tecnologías.
ABSTRACT
Biogas production is an established sustainable process for simultaneous generation of renewable energy and treatment of organic wastes. The increasing interest of both utilizing biogas as a substitute for natural gas or its exploitation as a transport fuel opened new avenues in the development of biogas upgrading techniques. The consulted literature allowed the technologies to be classified into five categories: absorption (by physical or chemical means); adsorption (by pressure, temperature or electrical balance); membrane separation; biological methods and cryogenic separation. The objective of this review is to carry out a theoretical evaluation of the existing technologies for biogas purification by comparing their performance, advantages and disadvantages. As a conclusion, the technology of physical absorption with water is economically viable although a lower efficiency is evident when compared to chemical absorption. Furthermore, cryogenic separation process achieves high CH4 purity and highly pressurized liquid fuel, while amine chemical absorption and cryogenic separation ensure low CH4 emission. In Cuba, technologies have mainly been implemented to desulfurize biogas for cooking food. The absorption of H2S from iron oxide, using steel shavings or their immersion in water, are the most widespread methods due to their simplicity and low cost.
Keywords: biogas; biogas purification; technologies.
INTRODUCCIÓN
El biogás es producido por la degradación anaerobia de componentes orgánicos y puede ser el sustituto del gas natural y de los combustibles fósiles. Contiene mayormente tres componentes: metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno (N2). Sin embargo, otras especies en forma de trazas coexisten, como el sulfuro de hidrógeno (H2S), hidrógeno (H2), amoníaco (NH3), oxígeno (O2) y monóxido de carbono (CO), (Ullah et al., 2017). Además, el biogás común se encuentra saturado con agua, partículas de polvo, siloxanos, componentes aromáticos y halogenados (Andriani & Wresta, 2014), pero las cantidades de estos componentes son muy bajos comparados con el CH4 y CO2 (Rasi, Veijanen & Rintala, 2007).
La mejora o purificación del biogás consiste en la remoción de gases no combustibles, considerados contaminantes, tales con CO2, H2S y vapor de agua, los cuales reducen el valor calorífico del biogás y hacen poco rentable el proceso de compresión. De esta manera se logra la obtención de un biogás con un alto porcentaje del CH4, el cual se caracteriza por ser incoloro, inodoro, insípido, además de ser efectivo enérgicamente para su aplicación como combustible, fuente de calor o electricidad (Sahota et al., 2018).
Con este fin, se han desarrollado una serie de tecnologías de acuerdo al compuesto contaminante que se desee eliminar. Entre las tecnologías que se aplican en la actualidad y que están disponibles en la escala industrial para la purificación de biogás se incluyen la absorción (física y química), la adsorción, la separación por membrana, los métodos biológicos y la separación criogénica.
El objetivo principal de este artículo es realizar una evaluación teórica de algunas de las tecnologías de purificación de biogás existentes para ser valoradas en su efectividad.
DESARROLLO
Tecnologías empleadas en la remoción de impurezas presentes en el biogás
En general, la recuperación de CH4 a través de procesos físico-químicos puede alcanzar el 96% y como es discutido más adelante, el aumento de la temperatura, la alta presión o la adición de sustancias químicas son requeridas para asegurar una bio-metanización eficiente. Existen un gran número de tecnologías disponibles para la remoción del CO2, H2S y otros compuestos contenidos en el biogás. Una clasificación más ampliada de estas tecnologías de purificación se muestra en la Figura 1 y se profundiza posteriormente.
Figura 1. Tecnologías actuales para la purificación de biogás
Fuente: Elaboración propia, 2020
Absorción
Ø Absorción física
La limpieza con H2O es la tecnología más común y bien establecida usada para la remoción de CO2 y H2S del biogás. Este es un método fácil y económico que utiliza agua presurizada a 10 bar como adsorbente en contra corriente (Cozma et al., 2014), ver Figura 2. El H2S es removido por debajo de los 5 mg/m3 (4 ppmv), sin embargo se recomienda una fuerte desulfurización a concentraciones entre 418-696 mg/m3 (300-500 ppmv) como paso previo, y así evitar el taponamiento en el sistema de regeneración. Entre las desventajas de esta tecnología está el alto consumo de H2O para eliminar pequeñas cantidades de H2S; al agregar NaOH se mejora el proceso, pero se forman sustancias que no se regeneran y producen problemas de disposición.
La limpieza con solvente físicos o depuración física orgánica posee el principio anterior pero en lugar de agua emplea un solvente orgánico. Varios solventes orgánicos como el metanol, el n-metilpirolidona y el dimetil eter de polietilenglycol son usados en la absorción del CO2. El solvente más utilizado es el dimetil eter de polietilenglycol (DEPG), comercialmente conocido como Genosorb 1753 (proceso Selexol) o Coastal Chemical AGR. La solubilidad del CO2 es 5 veces superior en este compuesto que en el H2O para la misma capacidad de purificación, resultando en una demanda baja de bombeo y de solvente (Chen et al., 2015), aunque requiriendo más energía para su regeneración. Este solvente puede remover CO2, H2S, H2O, O2, N2 e hidrocarburos halogenados, aunque es recomendada la previa remoción del H2S para este proceso (Morero, 2015). Se debe tener en cuenta que los costos de solventes orgánicos son significativamente mayores que los del agua.
Figura 2. Esquema general de absorción
Fuente: Elaboración propia, 2020
Ø Absorción química
Los solventes químicos generalmente emplean soluciones acuosas de sales alcalinas (hidróxido de sodio, potasio y calcio) o soluciones acuosas de aminas (mono, di o tri etanolamina) (Kapdi, Vijay, Rajesh & Prasad, 2005).
La limpieza con solventes inorgánicos es ayudada por agitación y el factor que gobierna la velocidad es la concentración en la solución. La turbulencia en el solvente y el tiempo de contacto entre el biogás y el líquido incrementa la difusión del CO2 en el solvente. No es una buena opción cuando el biogás opera con altas concentraciones de H2S o CO2. Por otro lado, la absorción del H2S puede tener lugar con soluciones como el FeCl3, método muy efectivo en reducir altos niveles de H2S. El proceso se basa en la formación de precipitados insolubles y puede ser agregado directamente al digestor.
Las alcanolaminas tales como mono, di y metil etanolamina (MEA, DEA y MDEA) y diisoproanolamine (DIPA) son muy usadas en procesos industriales a gran escala que operan con biogás. Usualmente la solubilidad del CO2 en el agua incrementa con la disminución de la temperatura, pero en la limpieza con aminas la proporción de la reacción entre el CO2 y la solución de amina incrementa con el aumento de la temperatura, por ende brinda más absorción del CO2. El gas producto (CH4) se encuentra desde el tope de la columna. En caso de que el H2S esté presente en el biogás crudo será absorbido por la solución de amina y se necesitará una elevada temperatura en la regeneración para desorber el H2S, por lo tanto, se recomienda removerlo previamente.
Adsorción
La adsorción normalmente se lleva a cabo a alta temperatura y presión, y tiene una buena capacidad para remover la humedad.
Ø Adsorción en superficie sólida o adsorción por balance de presión (PSA)
En la adsorción por balance de presión o PSA (por sus siglas en inglés), gases como el CO2 son separados del biogás bajo elevadas presiones usando materiales adsorbentes. Luego, la presión es reducida para desorber los gases adsorbidos (Ho, Allinson & Wiley, 2008), Figura 3. En este método, el H2S es removido previamente usando un filtro de carbón activado pues este gas es considerado tóxico para el proceso y su adsorción es normalmente irreversible (Hullu, Waassen & Van Meel, 2008). Para reducir las pérdidas de CH4 en el gas a desorber, el sistema debe ser diseñado de forma tal que los gases recirculen al proceso. Los materiales adsorbentes son el corazón de este método, de ellos depende remover CO2, H2S, humedad y otras impurezas. Los materiales moleculares tamizantes más comúnmente usados son la zeolita y el carbón activado, sus poros son los responsables de la fácil penetración del CO2 mientras que el CH4 es retenido (Zhao & Leonhardt, 2010). Además se pueden emplear silicagel, alúmina o silicatos.
Figura 3. Esquema de adsorción por balance de presión (PSA)
Fuente: Elaboración propia, 2020
Ø Adsorción por balance de temperatura (TSA)
En este tipo de adsorción, conocida en inglés por las siglas TSA, la temperatura es incrementada a presión constante, a diferencia del método PSA donde la presión es reducida (Mason et al., 2011). La TSA requiere energía térmica para regenerar el material adsorbente por ende, puede ser una mejor opción si la fuente de energía disponible es barata. Se han identificado materiales adsorbentes muy eficientes como el CCM (carbon cryogel microspheres) y CXM (carbon xerogel microspheres) para emplear este método debido a su alta porosidad y estructura estable (Yamamoto, Endo, Ohmori & Nakaiwa, 2004).
Ø Adsorción por balance eléctrico (ESA)
En la ESA (por sus siglas en inglés), la regeneración es llevada a cabo por el paso de la electricidad a través del adsorbente saturado y el calor generado facilita la liberación de CO2 (Moon & Shim, 2006). A pesar de que este proceso tiene la ventaja de reducir el costo de la captura de CO2 si lo comparamos con la PSA o la TSA, se necesita conductividad eléctrica para el adsorbente utilizado, el carbón activado ha sido desarrollado como un nuevo adsorbente semiconductor con una elevada área superficial y porosidad (An, Feng & Su, 2011).
Separación por membrana
La base de este proceso es la permeabilidad selectiva de los gases a través de membranas. Cuando el biogás se coloca dentro del recipiente, el CO2 pasa mientras que el CH4 es retenido. Esto da lugar a un gas rico en CH4 y con una alta presión en el exterior de las fibras, y a un gas enriquecido con CO2 a baja presión en el interior de las fibras, ver Figura 4. Esta tecnología puede ser más beneficiosa si el flujo de gas es bajo y el contenido de CO2 en este es alto (Baker & Lokhandwala, 2008).
Existen 3 diferentes tipos de membranas usadas para la purificación de biogás: poliméricas, inorgánicas y mixtas. Aunque las poliméricas son las más comerciales y presentan excelentes propiedades, las investigaciones de estos materiales para la separación de gases se han visto retadas por el límite entre la permeabilidad y la selectividad, siendo más ventajosas las membranas inorgánicas a pesar de su proceso de fabricación riguroso y de continuo control. Se espera entonces, que las membranas mixtas tengan mayores beneficios, pues son un complejo consistente en materiales poliméricos (etapa continua) con partículas inorgánicas (etapa dispersa), combinando las ventajas de ambos materiales, son superadas las limitaciones de cada etapa por separado (Rezaei-DashtArzhandi et al., 2016). Una sola unidad de separación no puede proporcionar una buena remoción de CO2, por lo que se emplean procesos multietapas que pueden lograr 98% v/v de CH4. Este proceso multietapas posee bajos costos de inversión y operación, comparados con procesos de etapas simples (Rezaei et al., 2014).
Figura 4. Purificación con membrana
Fuente: Elaboración propia, 2020
Métodos biológicos
Estos métodos, utilizan la capacidad metabólica de algunos microorganismos que degradan sustancias contaminantes, se basan en la oxidación microbiológica de H2S a compuestos de azufre de fácil eliminación, fijando CO2 simultáneamente como función estequiométrica de la oxidación del sulfuro (Soreanu, 2008). De esta manera se puede lograr un enriquecimiento en CH4, al remover CO2 y eliminar el elemento (H2S) más corrosivo y limitante para posteriores usos del gas purificado. Las bacterias seleccionadas en los procesos para convertir H2S a So deben tener las siguientes características: capacidad fiable de convertir H2S a So, mínima entrada de nutrientes, y fácil separación de So de la biomasa (Syed, Soreanu, Falletta & Béland, 2006). Existe una variedad de bacterias que oxidan el H2S. Los principales microorganismos estudiados y que se emplean para la desulfuración, corresponden a los géneros Beggiatoa, Xanthomonas Sulfolobus, Lectospirillum y especialmente, Chlorobium y Thiobacillus, estos microorganismos, necesitan de un soporte donde se puedan llevar a cabo los procesos y vías metabólicas. Para ello, existen sistemas que permiten que los microorganismos seleccionados, que se encuentren inmovilizados o en suspensión, mineralicen los compuestos a tratar. Los sistemas más utilizados son biofiltros, biofiltros percoladores y los biolavadores.
Separación criogénica
El método criogénico implica la separación de la mezcla de biogás por condensaciones fraccionadas y destilaciones a bajas temperaturas (-170°C) y presiones de (80 bar), ver Figura 5. Está basada en el principio de que varios gases como el CO2 y el H2S se licuan bajo diferentes presiones y condiciones de temperatura. Existen dos aproximaciones para la limpieza del gas usando etapas criogénicas: licuefacción de metano o licuefacción de dióxido de carbono. En el caso de la limpieza del biogás, la técnica es más apropiada si se aplica a la licuefacción del metano a partir de una corriente pretratada de la cual se ha removido el CO2. Esta tecnología puede ser muy útil si la meta es producir biometano licuado y gas líquido natural. Se recomienda separar previamente el H2O y el H2S del biogás crudo para evitar tupiciones de los equipos durante el enfriamiento del H2O existente. Este fenómeno reduce significativamente la presión de operación del sistema.
Figura 5: Separación criogénica
Fuente: Elaboración propia, 2020
Análisis comparativo del funcionamiento de algunas de las tecnologías actualmente disponibles para la purificación de biogás. Características, ventajas y desventajas.
La mejor alternativa para la purificación va a depender en gran medida de la calidad requerida en el biogás purificado (que está en función de su uso final), del tipo de tecnología elegida y dinero disponible para la inversión, costos de operación y mantenimiento, y la cercanía de recursos locales para el progreso del proceso como por ejemplo yacimientos de materiales y disponibilidad de agua. Por ello, se ofrecen dos tablas comparativas (Véanse Tabla 1 y 2) que muestran las principales características de algunas de las tecnologías de tratamiento actualmente disponibles para la purificación de biogás para ser valoradas independientemente de criterios ofrecidos, pues no existe una tecnología óptima, si se tienen en consideración todos los parámetros. El criterio de selección del tipo de tecnología no se debe basar solo en los costos económicos, sino que deben considerarse, además, aspectos tecnológicos y de sostenibilidad ambiental.
Los costos económicos es uno de los factores cruciales para determinar la opción más óptima de purificación aunque, no siempre la opción más barata es la mejor. Tecnologías como la de absorción física con agua son económicamente viables mientras que las tecnologías de separación criogénica y la absorción química proveen de una mayor eficiencia aunque con ascendentes inversiones (Bauer, Persson, Hulteberg & Tamm, 2013). Sin embargo, la separación criogénica es económicamente efectiva en términos de costos de mantenimiento para aplicaciones a grandes escalas. En el caso de la separación por membrana el costo de inversión es alto pero los costos operacionales son relativamente bajos (Vrbová & Karel, 2017).
El uso final del biogás es un parámetro importante a tener en cuenta. En la utilización del biogás como combustible para vehículos, es necesaria una alta concentración de CH4, por lo que procesos como el de absorción química y separación criogénica garantizan una alta pureza de CH4, mientras que tecnologías como la de absorción física con agua y la separación con membranas ofrecen una ventaja en la remoción de O2 y N2, además de la remoción de CO2 (Bauer et al., 2013). La separación criogénica manifiesta su superioridad sobre otras tecnologías, ya que produce un combustible líquido altamente presurizado, por lo tanto asegura la ausencia de energía para la compresión para convertirlo en un combustible viable para vehículos (Collet et al., 2017).
En la práctica, el consumo energético y la emisión de CH4 son aspectos vitales para definir la sostenibilidad medioambiental. Procesos absortivos, como los que emplean agua, solventes orgánicos y aminas, requieren de más energía que los procesos de separación de membrana y los de adsorción por balance de presión (Sun et al., 2015). La absorción química con aminas y la separación criogénica prometen una baja emisión de CH4, sin embargo valores bajos también pueden ser alcanzados incrementado las columnas en los procesos de adsorción por balance de presión (Sun et al., 2015). La demanda eléctrica es elevada en la separación criogénica si se compara con la empleada en la adsorción por balance de presión, esta tecnología puede ser propuesta como un proceso ambientalmente sostenible.
Particularidades del contexto cubano
De acuerdo a datos reportados por la Oficina Nacional para el Control y Uso Racional de la Energía (ONURE, 2020), Cuba cuenta con un estimado de 3000 biodigestores de pequeña escala (<100 m3) donde se producen aproximadamente 674 000 m3/día de biogás, ahorrando 369 000 ton de combustible y evitando la emisión de 1 270 000 ton de CO2. El país cuenta además con 75 plantas de biogás de mediana (> 100 m3) y gran escala (>1000 m3) para la producción de biogás y 5 más en fase constructiva. Se estima un potencial para llegar a 7800 biodigestores. Por lo general, estas instalaciones se conjugan con un sistema de purificación pues de otra manera el biogás obtenido presentaría gran cantidad de contaminantes, bajo valor calórico y provocaría afectaciones al equipamiento y la salud humana.
En las condiciones del campesinado cubano, las principales tecnologías implementadas en la actualidad son las plantas de biogás de cúpula fija o modelo chino (8-90 m3 de capacidad) y el biodigestor tubular de policloruro de vinilo (principalmente 10 m3 de capacidad) (Suárez et al., 2018); para granjas porcinas y empresas estatales, donde se necesitan capacidades superiores, existen experiencias positivas con la instalación del biodigestor hibrido cubano (hasta 700 m3) (Hermida et al., 2020), donde es necesario volúmenes mayores de 700 m3 se emplean dos biodigestores en serie. También la tecnología de lagunas tapadas, incorporando agitación mecánica, está representada en el país con el funcionando de una laguna tapada de geomembrana sintética de alta densidad, con volumen de 4500 m3, mientras que otras dos de 2500 m3 y 1850 m3 están en construcción con fecha de terminación en el 2021 (Aqualimpia, 2020).
El biogás producido se usa principalmente en la cocción de alimentos, para lo cual solo se necesita la desulfurización a valores inferiores de 10 ppm. Otros usos que se han ido implementando en los últimos años son en la refrigeración, alumbrado, generación de electricidad y riego. Para la generación de electricidad se debe reducir el contenido de H2S a menos de 500 ppm, dependiendo del tipo de motor (Awe et al., 2017).
Los métodos más popularizados son la absorción de H2S a partir de óxido de hierro, empleando virutas de acero provenientes de los trabajos de tornería o fresado (Díaz, 2009), filtros con limallas de hierro sumergidas en agua, filtros con solución alcalina de Ca(OH)2 (absorción química), o una combinación de ambos (López & Suárez, 2018), y filtros de carbón de marabú (adsorción) (Hermida, 2020). El método reportado por (Díaz, 2009) arrojó resultados negativos a largo plazo promoviendo la corrosión y roturas en compresores y tanques. Se recomienda un pretratamiento de las virutas para su conversión a Fe2O3, consistente en un proceso de lavado con detergente, inmersión en solución de HCl (5%), secado natural e inmersión en NaOH (5%) durante 5 a 10 minutos. López & Suárez (2018) redujeron hasta un 48% el contenido promedio de H2S, recomendando realizar el lavado de las limallas cada 25 días y su reposición cada 6 meses.
No se tiene una estadística clara en el país de las plantas de biogás que purifican y los métodos utilizados. A pesar de ello, existen experiencias en la construcción de biodigestores, la purificación y el uso del biogás en el marco del proyecto internacional BIOMAS-CUBA en la provincia de Sancti Spíritus, las cuales se abordan a continuación.
En comunicación personal con López, 2020 y Savran, 2020, especialistas del proyecto BIOMAS-CUBA se plantea que un total de 93 biodigestores fueron apoyados por dicho proyecto entre 2009-2017, de los biodigestores instalados todos desulfurizan el biogás, ya sea por un filtro simple, dos filtros en serie (limallas sumergidas en agua) o una combinación de este último con un filtro con solución alcalina (Figura 6 a y b). Se busca garantizar la superficie de contacto y el tiempo de circulación del biogás para una adecuada remoción de H2S. Las mayores dificultades con la implementación han sido: No se conoce el % de remoción de H2S en los filtros instalados, el cambio del material absorbente/adsorbente se realiza cuando el olor a “huevo podrido” denota la presencia de H2S, además muchos usuarios no prestan atención al tema y la escasez de materiales y accesorios son un problema en la construcción de los filtros.
|
|
|
Figura 6. Filtro con limallas de hierro sumergidas en agua (a) y Filtro con solución alcalina seguido de filtros en serie con limallas sumergidas en agua (b).
Fuente: Imagen tomada por el autor, 2020
Para plantas de biogás de mediana y gran escala donde el destino es la generación de electricidad, se han importado filtros con pellets de hierro, los cuales son suministrados por el mismo proveedor del grupo electrógeno.
La tecnología de desulfuración biológica ha sido implementada en la planta de biogás de la UEB Derivados “Heriberto Duquesne”, provincia de Villa Clara. El proceso consiste en una columna de lavado, donde el H2S es absorbido por una fase acuosa alcalina, que en este caso es el propio efluente del reactor de biogás y una etapa biológica donde se logra la conversión del H2S a azufre elemental por bacterias sulfoxidantes cultivadas en presencia de O2. Es un método con bajos costos de aplicación y factible (Lorenzo, 2015).
Es opinión de los autores de esta publicación que el tema de purificación del biogás necesita de un mayor apoyo por parte de las universidades y de los proyectos involucrados en el desarrollo del biogás. Se necesitan evaluar los diseños propuestos, posibilitar la compra de accesorios y material de reposición y brindar más información sobre el tema.