Tecnología de purificación y descarbonización del biogás con alto rendimiento y bajo costo – Grupo Tecnológico Honghu de Sichuan

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Tecnología de purificación del biogás con alto rendimiento y bajo costo para su descarbonización. Wang Bin, Huang Jiahu (Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610036). Resumen: Se presenta el estado actual de las tecnologías de purificación del biogás. A través del análisis comparativo, se demuestra que el uso de la tecnología de adsorción a presión variable, con un alto grado de recuperación del 99%, permite reducir significativamente los costos de purificación del biogás, aumentar la producción y las ganancias, además de disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se trata de una opción adecuada para el uso integral y avanzado del biogás. Palabras clave: biogás, purificación, descarbonización, adsorción a presión variable, alto porcentaje de recuperación, bajo costo. 1. Introducción La energía es una base material importante para el desarrollo económico y social. Además de la energía hidroeléctrica, la energía de biomasa es la fuente de energía renovable más utilizada; el biogás es uno de los campos en los que se está invirtiendo más en su desarrollo. Se espera que para el año 2020, el consumo anual de biogás en China alcance los 44 mil millones de metros cúbicos. Debido a factores como la economía y la tecnología, actualmente el biogás de pequeña escala y sus aplicaciones de bajo nivel ocupan una gran parte del mercado nacional. Sin embargo, la transformación y mejora en la producción de biogás, es decir, su producción a gran escala y su uso en aplicaciones de mayor calidad, es una tendencia inevitable para el desarrollo de esta industria. La composición del biogás es compleja; dependiendo de los materiales utilizados y de los procesos de fermentación, la composición del gas varía. El componente principal es el CH4, que representa entre el 50% y el 70% del volumen total. El CO2 representa aproximadamente del 25% al 40%. Los demás gases, como N2, O2, H2S, H2O, CO, H2, NH3, halocarbonos y siloxanos, representan alrededor del 5%【1】. Los gases impuros presentes en el biogás pueden tener efectos negativos, en mayor o menor medida, durante su utilización. Por lo tanto, es difícil utilizar el biogás de manera integral y de alta calidad si no se somete a un proceso de purificación. Dado que el CO2 representa la mayor parte de los gases impuros, los costos de descarbonización determinan en gran medida el costo de purificación del biogás. A continuación, se analizará en detalle la tecnología de descarbonización del biogás. 2. Introducción a las técnicas de eliminación de impurezas en el biogás de bajo contenido 2.1 El vapor de agua saturado presente en el biogás puede ser eliminado mediante métodos de condensación, adsorción o utilizando sustancias absorbentes【2】. 2.2 Los sulfuros presentes en el biogás desulfurizado son muy perjudiciales. El H2S es tóxico y, al combinarse con el H2O, provoca la corrosión de los equipos. Además, su combustión genera SOX, lo cual contamina la atmósfera. La tecnología de desulfuración del biogás se divide en dos categorías: desulfuración in situ y desulfuración del biogás. Cuando la cantidad de biogás es grande o su contenido en azufre es elevado, es necesario utilizar un método de desulfuración en húmedo. Este método es complejo en su proceso de funcionamiento y tiene costos elevados; por lo general, no logra eliminar el azufre orgánico [2]. El método seco es adecuado para situaciones en las que la cantidad de biogás es baja o el contenido de azufre es reducido. Su operación es sencilla, el costo de los equipos es bajo, y permite eliminar varios tipos de azufre orgánico hasta niveles de ppm. Además, existen métodos innovadores de desulfuración como la separación por membranas, la adsorción a presión variable y la desulfuración biológica. 2.3 Eliminación de otras impurezas: La cantidad de estas impurezas es menor, por lo que general se pueden eliminar en las unidades de purificación o refinamiento ya existentes【2】. Si ciertas industrias tienen requisitos especiales, como en el caso de su uso en turbinas de gas, los siloxanos pueden ser absorbidos por soluciones mixtas de hidrocarburos. Los halogenados, por su parte, pueden eliminarse mediante la adsorción térmica con carbón activo especializado [3]. 3. Introducción a las tecnologías para eliminar el CO2. Las tecnologías de descarbonización del biogás provienen en su mayoría de la industria química e incluyen la absorción física, la absorción química, la adsorción a presión variable y la separación por membranas. Dado que la cantidad de biogás a tratar es pequeña, se debe prestar más atención a la miniaturización y al ahorro de energía. La absorción física aprovecha la mayor solubilidad de los gases ácidos en la solución que la del CH4 para eliminar el CO2. La solución se regenera mediante reducción de presión, destilación flash, stripping, entre otros métodos. El método más utilizado es el lavado con agua a alta presión [2,3]. La absorción química utiliza el principio de reacciones reversibles entre sustancias químicas y gases ácidos presentes en la solución, para eliminar el CO2. Absorción a bajas temperaturas y regeneración a altas temperaturas; el método más representativo es el método de alcoholes amínicos [1,2]. El proceso de producción de biogás no genera vapor como subproducto; se prepara vapor exclusivamente para la regeneración de la solución, lo cual es problemático y consume biogás, reduciendo así la producción. La separación por membrana aprovecha la diferencia en las velocidades de difusión de los distintos componentes gaseosos dentro de los polímeros de alto peso molecular. Bajo la acción de la diferencia de presión en ambos lados de la membrana, estos componentes se separan, ya que su velocidad de permeación a través de la pared de la membrana es diferente【2】. Existen dos métodos de separación por membranas: la separación por fase gaseosa a alta presión y la separación por membrana de absorción en fase gas-líquida a baja presión. La adsorción por cambio de presión utiliza el principio de que las superficies de los adsorbentes tienen capacidades diferentes para adsorber los distintos componentes del biogás, con el fin de eliminar el CO2. Esta ley se caracteriza por un alto grado de automatización, un funcionamiento estable, una larga vida útil del equipo y costos bajos de purificación【1,2,4】. Pero los dispositivos tradicionales de adsorción con transformador presentan una gran pérdida de CH4. Cuando la concentración de CH4 está entre el 90% y el 95%, la tasa de recuperación máxima que se puede lograr es del 90%【8,10,11】; en cambio, cuando la concentración es más baja, esa tasa disminuye hasta ser inferior al 60%【9】. Esta desventaja limita la aplicación de la adsorción por cambio de presión en el área de purificación de biogás. La clave para resolver el bajo índice de recuperación del CH4 radica en el uso de adsorbentes eficientes, con el objetivo de mejorar el coeficiente de separación entre la mezcla de CH4 y CO2 y aumentar la capacidad de adsorción del CO2. Gracias a la adopción de las tecnologías más avanzadas, tanto nacionales como internacionales [6,7], Honghu Technology ha desarrollado un adsorbente especial para la purificación del biogás. Este adsorbente permite lograr una tasa de recuperación del CH4 del 99%; el contenido de CH4 en los gases residuales es inferior al 1%. La pureza del gas obtenido es del 97% al 99% (puede ajustarse). Este adsorbente tiene una gran capacidad de adsorción y un alto coeficiente de separación, lo que permite reducir eficazmente el tamaño del equipo, disminuir el costo total de inversión y bajar los gastos operativos. 4. Comparación de las tecnologías de descarbonización del biogás 4.1 Parámetros del gas de partida Se utiliza el biogás, cuyos parámetros se detallan en la Tabla 1, como gas de partida para la comparación entre las diferentes tecnologías. Tabla 1: Parámetros del gas de entrada
Parámetro | Flujo (Nm3/d) | Presión (kPaG) | Temperatura (℃) | CH4 (V%) | CO2 (V%) | Otros componentes (V%)
--------|----------------|----------------|------------------|----------|----------|----------------------
Valor | 20000 | 5 | 40 | 57 | 41 | 2
4.2 | | | | | |

El costo de la instalación para la descarbonización y purificación del biogás desarrollada por Honghu Technology es menor que el del método tradicional de adsorción a presión variable. También es menor que el de los métodos MDEA y de separación por membranas. Sin embargo, es ligeramente mayor que el costo del método de lavado con agua a alta presión [1,2,3,4,5,8,9]. 4.3 Tasa de recuperación de metano: El dispositivo de descarbonización y purificación del biogás desarrollado por Honghu Technology logra una tasa de recuperación del metano del 99%, lo cual es superior a la de otros dispositivos de purificación [1,2,3,4,5,8,9]. 4.4 Costos de operación: file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png. Nota: La presión de salida del gas producido se considera siempre como 0,8 MPa. Los costos de operación del dispositivo de descarbonización y purificación de biogás desarrollado por Honghu Technology son significativamente más bajos que los de otras tecnologías【1】. 5. Conclusión: La tecnología de descarbonización y purificación del biogás mediante adsorción por transformación desarrollada por Sichuan Honghu Technology Group Co., Ltd. presenta ventajas significativas, como un alto grado de automatización, operación sencilla y características seguras y ecológicas. Además, ofrece una reducción en los costos de inversión y operativos, así como una tasa de recuperación del CH4 del 99%, lo cual es superior a los estándares internacionales y nacionales. Referencias: Hao Wei. Técnicas y aspectos económicos relacionados con la conversión del biogás en gas natural (CNG). Jiang Hao et al. Técnicas y aplicaciones para la purificación del biogás con el fin de obtener metano biológico. China Biogas, 2012.30(2): 6-11. Song Canhui et al. Estado actual de las técnicas de purificación del biogás. China Biogas, 2007.25(4): 23-27. Zhen Feng et al. Uso avanzado del biogás y técnicas de purificación. Ciencia y Tecnología Ambiental, 2012.11: 103-108. Li Dong et al. Estado actual de los recursos de biogás en China y perspectivas de su uso. Química Moderna, 2009.4: 1-5. Yu Xinjiang et al. Preparación de carbono poroso mediante métodos basados en plantillas y separación de CH4/N2/CO2. Industria Petrolera y Química, 2016.2: 221-226. Li Tong et al. Modificación del carbón activo y su efecto en la capacidad de adsorción de CO2/CH4. Acta de la Sociedad China de Carbón, 2011.12: 2012-2017. Chen Xiang et al. Estado actual del desarrollo de técnicas para la purificación del biogás con el fin de obtener metano biológico. Ingeniería Agrícola, 2012.7: 30-34. Li Sheng et al. Avances en las técnicas para obtener metano de alta pureza a partir del biogás. Química Moderna, 2014.11: 19-23. Sichuan Yalian Technology Co., Ltd. Método para extraer metano del biogás. Patente china: CN200910060286, 1 de septiembre de 2010. Sichuan Yalian High-Tech Co., Ltd. Método para recuperar metano del gas generado en rellenos sanitarios. Patente china: CN200810045223, 16 de julio de 2008.