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Evaporación al vacío para el tratamiento del digestato en plantas de biodigestión

El proceso de biodigestión se lleva a cabo principalmente para la producción de biogás, que puede ser utilizado como combustible, a partir de diferentes residuos orgánicos, entre los que se incluyen los excrementos animales.

Además de la obtención de biogás, la biodigestión también permite reducir el potencial contaminante de los excrementos que se utilizan para generar dicho biogás, disminuyendo la demanda química de oxigeno (DQO) y la demanda biológica de oxígeno (DBO) hasta en un 90%.

Como resultado de este proceso se genera un residuo llamado digestato, que presenta un alto grado de concentración de nutrientes y materia orgánica,  y es ideal para ser utilizado como fertilizante.

El digestato es un subproducto semi-líquido y puede aplicarse de forma directa, o previa separación en dos fracciones, sólida y liquida, lo cual aumenta su eficacia.

Las ventajas que presenta el digestato como fertilizante son:

  • Respecto a los residuos orgánicos antes de su digestión, los digestatos son más aptos para uso agrícola, generan menos olores, y presentan una mayor calidad higiénica.
  • El digestato presenta un mayor grado de mineralización al pasar el nitrógeno y fósforo orgánico a mineral tras la fermentación. Esto lo hace asimilable a un fertilizante mineral. El alza en los precios de estos últimos constituye una oportunidad para los digestatos.

Para llevar a cabo la separación de la parte sólida y liquida se puede hacer de forma simple mediante un proceso de separación mecánica. La parte sólida sería la que se aprovecharía como fertilizante y la parte líquida habría de ser gestionada como residuo.

El problema de esta tecnología es su baja eficacia a la hora de realmente separar los líquidos de los sólidos y la materia orgánica.

Esto se traduce en dos grandes inconvenientes para la planta de producción de biogás:

  • Se están desaprovechando una gran parte de los sólidos y de la materia orgánica contenidos en el digestato, que no se consiguen separar, lo cual significa que se está obteniendo una cantidad mucho menor de fertilizante, y por tanto reduciendo los ingresos que se podrían obtener por su venta.
  • Todo esta materia que no se aprovecha para producir fertilizante es un residuo que ha de ser tratado por un gestor y eso tiene un coste económico, es decir, se están convirtiendo lo que podrían ser ingresos en un gasto.

Dicho esto ¿No sería más rentable y eficiente reducir el volumen del digestato en la misma planta y recuperar esa gran cantidad de fertilizante que se pierde? Gracias a esta medida los costes por gestión de residuos se reducirían, a la vez que se aumentarían los ingresos por venta de fertilizante.

Planta de producción de biogás con evaporación de digestato.

La evaporación al vacío es la tecnología más adecuada para separar los sólidos de los líquidos del digestato.

Gracias a un evaporador al vacío podemos separar entre un 90% y un 95% del agua de los sólidos y la materia orgánica, lo cual nos da un elevado concentrado de fertilizante.

Aunque su coste de inversión inicial es superior al de la separación mecánica, la mayor producción de fertilizante que se obtiene y los ahorros derivados de entregar una cantidad menor de residuos al gestor, compensan sobradamente dicha inversión inicial y lo convierten en una solución más económica a medio plazo.

Sus ventajas son numerosas:

  • La recuperación del fertilizante se incrementa y se ahorrarn importantes cantidades de dinero al no enviar digestato líquido al gestor de residuos.
  • El agua limpia (condensado) obtenida en el proceso de evaporación se puede usar como agua de mezcla en el principio del proceso de biogás, o ser vertida sin peligro si se prefiere.
  • El producto fertilizante combinado todavía se puede secar más y convertirse en fertilizante seco.
  • Una planta de evaporación es más eficiente eliminando agua del digestato que si se seca en una planta de secado.
  • Aumento de las ventas de fertilizante, que mejoran la rentabilidad de la planta de biogás.
  • El digestato es una sustancia que ensucia, lo cual alarga el tiempo de la operación. Los evaporadores de superficie rascada garantizan una operación sin paradas.
  • Los evaporadores pueden concentrar el digestato hasta altos niveles de concentración. Se obtienen concentrados viscosos de alta densidad.

Purificación, enriquecimiento y utilización del biogás

biogas_okPurificación del biogás

El enriquecimiento del biogás a la calidad del gas natural mediante contralavado con agua a presión es la tecnología con mayor flexibilidad posible para el tratamiento del biogás, independientemente de su calidad y cantidad. La tecnología se utiliza para enriquecer el biogás y separar con la mayor eficacia el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno en un solo paso y con un proceso completamente automatizado.

El biogás se comprime hasta unos 7 bares y luego se lava en un flujo a contracorriente de agua en una columna de lavado. El dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno tienen una solubilidad en agua mucho mayor que el metano y se disolverán en el agua.

Para reducir la perdida de metano en el proceso el agua de lavado se transfiere a un tanque de expansión. Una parte de los gases disueltos se regasifica y pueden ser de nuevo comprimidos. En una columna de desorción el agua de lavado se regenera separando del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno en un flujo de aire a contracorriente para reducir de esta forma al mínimo el consumo de agua fresca. Después de enfriar el agua de lavado a baja temperatura, se reutiliza en el lavador, tras lo cual el biogás limpio se seca, primero en un filtro coalescente y luego en dos columnas de adsorción en paralelo a los puntos de rocío bajos.

El aire proveniente de la columna de desorción está cargado de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y trazas de metano, por lo que debe de ser tratado para cumplir con la normativa de emisión mediante una oxidación térmica regenerativa (RTO, que permita alcanzar los valores de emisión acordes con las instrucciones técnicas sobre la calidad del aire de control adaptable a la normativa de cada país.

Utilización del biogás

La mayoría de las plantas de biogás están equipadas con instalaciones de cogeneración que producen electricidad y calor. Algunas veces no se puede utilizar el exceso de calor y por tanto no se optimiza el resultado de las plantas de DA. En estos casos la alternativa es la producción de biometano que ofrece interesantes variantes económicas.

Mediante las tecnologías de enriquecimiento del biogás se elimina el CO2 del biogás de forma muy eficiente y se produce biometano con una calidad equivalente a la del gas natural (CH4 97-99%). Cabe destacar que el biometano es un gas renovable de elevada calidad, que se puede inyectar directamente en las existentes de gas natural. Algunos de sus usos son:

• Combustión en instalaciones alejadas de la producción (ciclo combinado).
• Biogás para el consumo directo en los hogares o industria.
• Biocombustible para vehículos.
• Energía verde.

Ventajas del enriquecimiento del biogás

• Las plantas se realizan en módulos estándar con diferentes capacidades y de fácil implementación.
• El CO2 se elimina del biogás a través de la tecnología de depuración por agua a presión.
• No se consumen productos químicos.
• No se requiere desulfuración previa.
• No hay demanda de calor.
• Eficiencia de recuperación de metano del 99%.
• Gran flexibilidad frente a variaciones de contenido de CH4.

Fuente:

Oxidación térmica regenerativa en procesos de biogás upgrading

humo1Enriquecimiento del biogás

El biogás obtenido en los vertederos, en los procesos de digestión de residuos o en las depuradoras suele contener elevadas concentraciones de dióxido de carbono, ácido sulfhídrico y siloxanos que dificultan su aprovechamiento. El enriquecimiento del biogás permite su reutilización en las propias instalaciones o su conexión a la red de suministro de gas natural.

Existen diferentes tecnologías para el enriquecimiento del biogás, entre las que podemos destacar el contralavado con agua a presión, que permite enriquecer el biogás y separar con gran eficacia el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno con un proceso completamente automatizado.

Durante este proceso, el agua utilizada para la depuración del biogás se envía a una columna de desorción donde se regenera separándola del dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno.

Tras este proceso obtenemos tres resultados:

  1. El agua de lavado, que se enfria a baja temperatura para que pueda ser reutilizada por el lavador.
  2. El biogás, ya limpio, que se seca (primero en un filtro coalescente y luego en dos columnas de adsorción en paralelo a los puntos de rocío bajos) y ya puede ser reaprovechado.
  3. El aire proveniente de la columna de desorción, que está cargado de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y trazas de metano, por lo que debe de ser tratado antes de ser emitido para cumplir con la normativa vigente. La oxidación térmica regenerativa (RTO) es la mejor tecnología para alcanzar los valores de emisión que se adapten a la normativa de cada país.

Oxidación térmica regenerativa (RTO)

Los sistemas de oxidación térmica regenerativa se caracterizan por incluir dispositivos, llamados regeneradores, que recuperan el calor de los gases depurados.

Estos regeneradores son unos elementos de material cerámico que acumulan el calor de los gases que salen de la cámara de oxidación. Mediante un sistema de válvulas se establecen ciclos de funcionamiento consecutivos por los cuales los gases depurados, que están a una temperatura elevada (unos 800º C.), ceden su calor a las masas cerámicas  para que los gases contaminados, que entran fríos a la instalación, tomen de ellas este calor en el ciclo siguiente.

De esta forma, este lecho inerte que actúa como precalentador y recuperador dependiendo del flujo de aire que lo cruza, permite recuperar hasta el 95% del calor producido en la reacción de oxidación, por lo que es posible reducir drásticamente los gastos de explotación de este tipo de plantas.

Podemos encontrar diferentes equipos de RTO:

• Dos cámaras (con o sin cámara de compensación).
• Tres cámaras.
• Más de 3 cámaras para elevados flujos a tratar.

Las características principales de estos equipos son:

• Mínimo consumo de combustible, ya que permite eficacias de recuperación de calor muy elevadas.
• Costes de explotación y mantenimiento bajos.
• Alta eficacia de depuración.
• Larga vida útil del equipo.
• Equipo fiable con resultados altamente probados.

Valorización energética del biogás en vertederos urbanos de RSU

pou_biogasUn vertedero de RSU genera dos tipos de residuos: los lixiviados, que son efluentes que contienen la materia que arrastra la lluvia al filtrarse entre los residuos sólidos, y el biogás, que es resultado de las reacciones químicas que se producen entre los distintos residuos sólidos enterrados en el vertedero.

Todos los vertederos de RSU se ven obligados por ley a tratar ambos residuos y en este post vamos a ver como el biogás puede ser valorizado y reutilizado como fuente de energía para el tratamiento de los lixiviados, sin incurrir en los grandes costes que supone la transformación del biogás en energía o combustible para otros usos.

¿Es rentable la valorización energética del biogás?

El biogás tiene principalmente dos salidas a la hora de ser transformado en energía:

1. Para generación de energía eléctrica y térmica. Este proceso se puede llevar a cabo mediante motogeneradores, o con turbinas de biogás.

2. Utilización directa como combustible, tras ser depurado, siendo válido como:

  • Combustible en calderas de biogás.
  • Inyección a la red de gas natural.
  • Combustible para automoción.

El problema con el que se encuentran la mayoría de los vertederos de RSU es que la instalación de la maquinaria necesaria para la transformación del biogás en energía o combustible supone un coste excesivamente elevado y, sobretodo, poco rentable. Esto es debido a que la cantidad de biogás que se genera en la mayoría de vertederos no es suficiente como para obtener un volumen de energía o combustible realmente significativo del que beneficiarse, de forma que compense la inversión llevada a cabo en maquinaria.

Por otra parte, es también frecuente que, aún produciendo una gran cantidad de energía eléctrica, los vertederos no tengan en sus cercanías torres de electricidad a las que conectar la energía generada.

Una posible solución ante esta situación es no transformar el biogás y quemarlo con antorchas para no emitirlo a la atmósfera, pero no es la opción más óptima ya que al final estamos desperdiciando una fuente de energía.

Otra solución mucho más inteligente para aquellos vertederos que no generan un gran volumen de biogás es aprovecharlo como fuente de energía para alimentar los procesos del propio vertedero.

El Biogás como fuente de energía para la depuración de los lixiviados

El tratamiento de lixiviados en un vertedero de RSU puede llevarse a cabo mediante diversas tecnologías pero a día de hoy laevaporación al vacío, combinada o no con ósmosis inversa previa o posterior, se ha revelado como uno de los métodos más eficientes para la minimización del lixiviado y la obtención de un agua depurada y adecuada para vertido.

Como es lógico el evaporador al vacío va a necesitar de energía para su funcionamiento y esta puede venir del biogás del propio vertedero. Mediante un sistema simple y económico como es una caldera con quemador de biogás se puede obtener energía suficiente para garantizar el correcto funcionamiento del evaporador.

De esta forma se obtiene un triple beneficio:

1. Se reaprovecha una fuente de energía.

2. La energía necesaria para el funcionamiento del evaporador al vacío destinado a tratar los lixiviados se obtiene a coste cero.

3. Se obtiene una formula mucho más rentable para aprovechar el biogás en aquellos vertederos que no generen la suficiente cantidad de biogás como para justificar la gran inversión que supone la transformación del mismo en energía eléctrica, energía térmica o combustible.