generación, captacion y aprovechamiento del biogas
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Generación, Captacion y Generación, Captacion y
Aprovechamiento del BiogasAprovechamiento del Biogas
Curso Internacional:Diseño y Operación de Rellenos Sanitarios para América LatinaQuito, Ecuador – 15 al 17 de Noviembre 2010
L.F. Diaz CalRecovery, Inc.Concord, California USA
Generación y Manejo del Biogas
iwwg
ContenidoContenido• Introducción• Generación y tasas de producción
de biogás• Modelos para Predecir la Generación• Diseño y dimensionamiento de un
Sistema de Extracción de Biogas• Conclusiones
Introducción La extracción y el uso del biogás de los rellenos debe de ser un procedimiento estándar en todos los rellenos sanitarios
• Permite el control de malos olores y emisiones a la atmosfera (calentamiento global)
• Permite el uso de la energía (calor, vapor, electricidad)
• Genera utilidades debido a la venta de energía (aproximadamente 70m³ biogás/h (50% CH4) resulta en una producción de energía de aproximadamente 100 kW de electricidad y 170 kW de energía térmica)
Origen y riesgos del biogas
El biogás se produce por medio de procesos de degradación anaeróbicos
La máxima producción de biogás ocurre durante la fase methanogenic estable, después la tasa de producción se reduce paulatinamente durante aproximadamente 25 a 30 años
Los principales componentes : Metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y algunos otros gases en pequeñas concentraciones
Riesgos de los componentes principales:Riesgos de los componentes principales:
- CH4: combustible, riesgo de explosiones, GEI
- CO2: toxico para las plantas y los seres humanos
Ejemplo de la Composición de Residuos Domésticos (Ciudad Europea)
MetalsFerrosos
MetalesNo ferrosos
Embalaje
Particulas medianas
(8-40 mm)
Particulas
Finas (> 8 mm)
Vidrio Residuos
Problematicos
Pañales Materiales
compuestosMinerales
Textiles
Plasticos
Papel
Cartón
Residuos de Comida
Evolución de la Composición del BiogasL
FG
-com
posi
tion
[%
]
time
LF
G-p
rodu
ctio
n in
[%
]
of th
e m
axim
um v
alue
undisturbed
LFG-production
disturbed
LFG-production
I aerobic phase V long term phase
II acidic phase VI air infiltration phase
III unstable methanogenic phase VII methane oxidation phase
IV methanogenic phase VIII CO2-phase
IX ambient air phase
LF
G-c
ompo
siti
on
[%]
time
LF
G-p
rodu
ctio
n in
[%
]
of th
e m
axim
um v
alue
undisturbed
LFG-production
disturbed
LFG-production
I aerobic phase V long term phase
II acidic phase VI air infiltration phase
III unstable methanogenic phase VII methane oxidation phase
IV methanogenic phase VIII CO2-phase
IX ambient air phase
Quelle: VDI 3790 Bl. 2, 2000
aero
bica
acid
icametanogenica inicial
metanogenica
estable Largo plazo
2 – 5 years
Varias decadas
Composicion del biogas (fase metanogenica estable)
55-60% metano (CH4),
40-45% dioxido de carbono (CO2),
Otros elements :
compuestos de oxigeno
H2S
hidrocarburos clorinados
hidrocarburos fluorinados
ProblemasProblemas
Evitar poner en el relleno residuos que contienen yeso
Evaluación de la Cantidad de Biogas
De la ecuación de Symons y Buswell se puede evaluar la cantidad y calidad de biogás considerando la composición elemental de los residuos:
(1 mol Corg. se convierte en 1 mol de biogás)
Bajo condiciones estandar:
1 mol Carbono (Corg) en la materia orgánica = 22,4 l gas (CH4 + CO2)
En base al peso:
1 g Carbono (Corg) en la materia orgánica = 1,868 l gas (CH4 + CO2)
ModelosModelos
Predicción de la Producción de Biogas durante el Tiempo --- Modelo de Biogas -
Gt = Ge (1-e -kt)
donde:
Gt = producción de biogás en un tiempo especifico (t) [m³/h]
Ge = producción total de biogás [m3 / t TS RSU]
= 1.868 * Corg. (biológico degradable C)
= 120-150 m³/t TS RSU° 65 – 80 kg Carbono (biodegradable)
k = constante de degradación : -ln (0.5)/T0.5
T0.5 = media vida (tiempo después del que el 50% del total del biogás se ha producido) de 4 a 7 años dependiendo de la composición de los RSU, operación del relleno y el clima
° Para RSU Alenanes, basado en experimentos
Calculo de Volumenes de Biogas Usando Modelos
Produccion de gas total Gt
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
tiempo [a]
[m³/
Mg
DM
]
Gt (H=6a)
Gt (H=4a)
Gt (H=10a)
Tiempos de media vida variables
Influencia de diferente valores de T0.5
Tasa de Produccion de Gas (despues de descargar una ves)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tiempo (años)]
Tas
a de
pro
ducc
ion
de
gast
[m³/
Mg*
a]
Pt (H=6a)
Pt (H=4a)
Pt (H=10a)
Producción Total de Biogas
Produccion de biogas Pt-total para descarga continua
0
5.000.000
10.000.000
15.000.000
20.000.000
25.000.000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Tiempo de operacion del relleno [a]
tota
l lan
dfill
gas
pro
duct
ion
[m³/
a]
gas production rate Pt (H=6a) [m³/a]
gas production rate Pt (H=12a) [m³/a]
Tasa de Colección de Biogas
Tasa de producción Tasa de colección
Tasa de colección: Es la porción del volumen total de biogás, colectado por el sistema de extracción
_____________________________
Depende de:- Tipo de sistema de captacion (horizontal, vertical, distancia entre los pozos, etc.)- Porosidad de la cubierta del relleno- Tasa de producción de biogás
Estimación de los volúmenes de Biogas por medio de Modelos (2)
Gas production Pt (50%) as a basis for the gas utilisation planning
0
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Landfill operation time [a]
spec
ific
gas
pro
du
ctio
n r
ate
Pt [
m³/
h]
Pt (H 1)
Pt 50% (H 1)
block-type thermal power station #1(basic unit)
block-type thermal power station #2(additional unit, possibly rented)
Gas production Pt (50%) as a basis for the gas utilisation planning
0
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Landfill operation time [a]
spec
ific
gas
pro
du
ctio
n r
ate
Pt [
m³/
h]
Pt (H 1)
Pt 50% (H 1)
block-type thermal power station #1(basic unit)
block-type thermal power station #2(additional unit, possibly rented)
Problemas causados por el Biogas (I)Problemas causados por el Biogas (I)
ExplosionesExplosiones
Metano es un gas combustible, con riesgo de explosión entre los 5-15 (% v/v) en el aire
Efecto InvernaderoEfecto Invernadero
Destrucción de la capa de ozonoImpacto del metano es aproximadamente 21-veces mayor que el impacto del CO2
Problemas causados por el Biogas (2)Problemas causados por el Biogas (2)
Migracion del biogasMigracion del biogas
movimiento horizontal debido a la difusión y convección (diferencia en presión)
consecuencias: - explosiones en estructuras alrededor del relleno
- efectos tóxicos en seres humanos y planon humans, animals, plantas
- daño a las plantas por la insuficiencia
de concentraciones de O2 debido a las altas concentraciones de gas de
en las áreas cerca de la superficie
Corrosivo al sistema de captación
Malos olores
Protección para la explosión (3)
Valores limite para fiscalizar y cerrar un sistema de extraccion de biogas
Compuesto inflammable
Valor limite de explosion
cierre
pre-alarma
12,5 % 25 % 30 %
11,6 % 6 % 3 %
Monitoreo de CH4
Monitoreo de O2
Componentes de un Sistema de Extraccion de Biogas
- Pozos verticales y/o horizontales: tuberías perforadas puestas dentro de grava (filtros))
- Tuberías para la recolección del biogás (ramales principales)
- Unidades para remoción de líquidos para separar los condensados
- Soplador (es) para generar el vacio (presión negativa)
- Quemadorpara quemas exceso de biogás
- Unidades para el Uso del biogás (estaciones para generación de electricidad, generadores
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de Biogas
Gas well
LFG collection pipe
Horizontal LFG collection system
Blower
Condensate trap
High temperature flare
Gas transportation pipe
Blower
Gas pre-treatment
Gas utilisation
User I(electricity)
User II(heat)
Producción especifica de biogas [m³/h]
basado en los resultados de un modelo de generación de biogás y en un ensayo de extracción de biogás
Numero de pozos de extracciónbasado en las pruebas para determinar el radio de influencia y el área del rellenoDeterminación de un factor de seguridadDeterminación de las velocidades máximas de flujo en las tuberias de recolección
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de BiogasFundamentos
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de Biogas
Modelo de BiogasGas production Gt (100%)
0
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Landfill operation time [a]
spec
ific
gas
pro
du
ctio
n r
ate
Gt
[m³/
h]
Pt (T0.5=5a)
Pt (T0.5=10a)
Pt (T0.5=12a)
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de Biogas
Prueba de Extracción de Biogas
Objetivos: - Estimar las tasas de producción de biogas para
dimensionar el sistema de extracción- Clasificación de rellenos en fases especificas de
operación- Verificación negativa de la producción de biogas
Desempeño:
- Comenzar con tasas de extracción bajas (< 5m³/h)
- Después de llegar a una concentración constante de CH4 y de O2 : Incrementar las tasas de extracción
- Duración de la prueba: debe ser a lo menos del 20% del volumen no rellenado debe ser extraído (generalmente debe de ser varios días (corto termino) o semanas (largo plazo), si es necesario
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de Biogas
Resumen de Datos FundamentalesResumen de Datos Fundamentales)
13
90 m
180 m
10 m
30 m
30 m
30 m
30 m
13
90 m
180 m
10 m
30 m
30 m
30 m
30 m
115 m
150 m
Estacion de recoleccion
Soplador y Uso de biogas
Pozo
Tu
ber
ia d
re r
ecol
ecci
on
prn
ciap
l
Tuberia dr recoleccion
Area del relleno: 1.62 ha
Volumen del relleno: 91,456 m³ BABAh
*3
Produccion Especilfica de
Biogas [m³/h] 2.000
Numero de pozos [ - ] 10
Factor de Seguridad [%] 20
Velocidades a Maximo Flujo [m/s] 10
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de Biogas
Resumen de Datos FundamentalesResumen de Datos Fundamentales
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de
Extracción de Biogas
Gas well
LFG collection pipe
Horizontal LFG collection system
Blower
Condensate trap
High temperature flare
Gas transportation pipe
Blower
Gas pre-treatment
Gas utilisation
User I(electricity)
User II(heat)
Diametro para tuberias de filtro y recoleccion de gasPEAD 110 * 6,3 mm; PN 6 (DIN 8074)PEAD 355 * 20,1 mm; PN 6 (DIN 8074 / DIN 19537)
verificacion de max. Volumen de gasFlujo max. 200 m³/h 2,000 m³/hError 40 m³/h 400 m³/hFlujo 240 m³/h 2,400 m³/h
Dimensiones de tuberiaDiametro externo 110 mm 355 mmEspesor 6,3 mm 20,1mmDiametro interno 97,4 mm 314,8 mmSeccion interna 0,0075 m² 0,0778 m²
Flujo maximo Qmax = vmax * A Qmax = vmax * AQmax = 10 m/s * 0,0075 m² Qmax = 10 m/s * 0,0778 m²Qmax = 0,075 m³/h = 270 m³/h Qmax = 0,778 m³/h = 2,800 m³/hQmax > Qreq. Qmax > Qreq
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de
Extracción de Biogas (Calculo y Verificación de
Pozos)
Tuberiasde Filtro
Principales tuberias de recoleccion
Diseño y Dimensionamiento de un sistema
de Extracción de Biogas Gas (diseño de
pozo, sección)
Landfill top cover
Clay cap
PEAD pipe (externo : 110 mm)
PEAD tuberia perforada (externo : 110 mm)
Gravel / sand
Waste
ValveCompensator LFG-collection pipe
Ejemplos de Pozos de Gas (Examples)
Pozo de gas con capa de filtro integrado
Tubería Perforada de PE (pozo de gas convencional)
Perforación del Pozo de Biogas (1)
Perforación del Pozo de Biogas (2)
Perforación del Pozo de Biogas (3)
Terminando la Construcción del Pozo
Instalación de la capa de filtro – grava gruesa
(tamaño de partícula: 16 – 32 mm)
Installation of the clay cap
Area de influencia alrededor de un pozo vertical
Surface capping
Landfill body
(wastes)
Base liner
Filter (coarse gravel)
Biogas extraido
Area de influencia
Area de influencia alrededor de un pozo vertical
surfa
ce ca
ppin
g
Pozo de gas
ambient air
macro porosmicro poros
Problems:
•Flujo en macro poros
•succion de aire del ambiente
Sistema de Captacion de GasSeparación de Pozos, Verticales y Horizontales
air
Gas flow lines
Gas flow lines
Diseño y dimensionamiento de un Sistema de Extracción de
Biogas
Gas well
LFG collection pipe
Horizontal LFG collection system
Blower
Condensate trap
High temperature flare
Gas transportation pipe
Blower
Gas pre-treatment
Gas utilisation
User I(electricity)
User II(heat)
Condensado
Cossu et al., 1996
Origen:
El biogás se caracteriza por un alto contenido de humedad relativa; cerca del punto de saturación
El condensado se forma cuando el biogás se enfría (en superficies frías como tuberías, válvulas, etc.)
Problemas:
Acumulación de liquido en puntos bajos o antes del cabezal de los pozos
Alto potencial de corrosividad (en la planta para el uso del biogás)
Potencial producción de compuestos tóxicos durante el proceso de combustión
Colección del liquido condensado
Captación de liquido condensado (I)
a)
Inclinación hacia el cabezal del pozo
Captación de liquido condensado (2)
b)
Inclinación hacia el punto mas bajo de la tubería principal
Problemas debido al liquido condensado
Puntos bajos en las tuberias causados por los asentamientos en el relleno
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Gas
Problema: Condensado
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
LFG temperature [°C]
abso
lute
hum
idity
of t
he L
FG
[g/m
³]
20 K
LFG temperatureabsolute humidity at
100% relative humidity[°C] [g/m³]
0 4,82 5,64 6,46 7,38 8,310 9,412 10,714 12,115 12,916 13,717 14,518 15,419 16,320 17,321 18,422 19,523 20,624 21,825 23,126 24,428 27,230 30,432 33,834 37,636 41,738 46,240 51,145 65,4
Rellenos Convencionales anaerobicos:
Condensado: 30,4 g/m³ (30°C, 100%) – 9,4 g/m³ (10°C, 100%)
= 21 g/m³ (cantidad promedio de condensado por m³ de gas)
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Gas
Calculo del Condensado
Rellenos Aerobicos:
Condensado: 160 g/m³ (65°C, 100%) – 9,4 g/m³ (10°C, 100%)
150 g/m³ (cantidad promedio de condensado por m³ de gas)
Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de
Extracción de Biogas
Gas well
LFG collection pipe
Horizontal LFG collection system
Blower
Condensate trap
High temperature flare
Gas transportation pipe
Blower
Gas pre-treatment
Gas utilisation
User I(electricity)
User II(heat)
Soplador
Soplador lateral Soplador con piston rotatorio
Estación de Recolección de Gas
Tuberias conectando la estacion de gas con los pozos
Tuberias principales conectando la estacion de coleccion con la unidad de extraccion
Estación de Colección de Gas
Uso del Biogas
gas collectiongas collection
gas utilisationgas utilisationgas disposalgas disposal
flaring combustion muffle
gas engine gas turbine burning methane separation
gas cleaninggas storage
direct utilisation
electricity mech. energy heat natural gas
generator, block-typethermal power station
generator, steamsteam turbine,steam motor
Problemas relacionados con el Tratamiento y Uso del Biogas
Una variedad de Compuestos Orgánicos en la fase de vapor del gas
Posible contaminación por el condensado
Quema del Biogas si no es usado
Problema con la quema (combustión incompleta y no uniforme, en teoría posibilidad de formar dioxinas
Gas flareGas flare
Gasflare in Damsorf / Germany
Technical regulation air (TA -Luft), Flares
Target value for the operation and emissions:
• Temperature at the flame front: 1000 °C
• Detention time of the hot gases in the combustion chamber of the flame: 0.3 sec.
• CO < 100mg / m3
• NO / NO2 < 200mg/m3
Values are related to 3% vol O2
Ejemplos de Quemadores
Quemador en Damsorf / Alemania
Pozo y quemador en Braunschweig / Alemania
Uso de Energia del Biogas
• Producción de Gas 120 –150 m³ / ton seca de RSU
• Uso de Energía en Generadores a Gas:
30% -eficiencia para la producción de electricidad
50% -eficiencia para la producción de agua caliente (70°C – 90°C)
• Contenido de Energía del biogás: 5.9 kWh/m³
• Composición del Gas 50-60% CH4, 40-50% CO2
• Volúmenes de Gas mínimos para su uso:
- Térmico (combustión o co-combustion) 50m³/h
- Generador a Gas : 100 kW poder eléctrico aprox 60-70 m³/h
mathematical modelChemical / physical model
Corg. = 180 kg/Mg
(este valor es equivalente al de residuos domesticos en Europa)
T0,5 = 15 anhos k = 0,0462
(larga media vida debido al clima seco)
T = 35 °C
(Temperatura promedio dentro del relleno)
Gt = Ge * (0,014 * T + 0,28) * (1-e –k*t)
where:
Gt = LFG – production at a specific time (t) [m³/h]
Ge = total LFG-production [m3 / t MSW]
= 1.868 * Corg. (biologically degradable C)
1,868 = Volume of 1kg Carbon as LFG
k = degradation constant: -ln (0.5)/T0.5
T0.5 = half life (time after which 50% of the total LFG is produced)
5-15 years depending on MSW-composition, landfill operation and climate
Ejemplo del Uso de Energia del biogas
Relleno de Residuos Urbanos en Uzbekistan
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1967 1977 1987 1997 2007 2017 2027 2037
LF
G p
rod
uct
ion
[m³/h
]
To.5=15a
To.5=10a
To.5=15a; Biowasterecycling since 2006
To.5=15a; Biowasterecycling since 1995
23a
18a
15a
12a
10a
8a
6a
4a
Planta de Generacion de Electricidad
Calculo de la Producción de Energía
Producción de
Energía
LFG collection
(tasa de coleccion = 60%)
Contenido de Energia del Gas
Energia producida
electricidad calor
periodo [m³/h] [m³/h] [kJ/d] [kWh] [kW]
2007 - 2010 8000 4800 1715328000 19853 5955 9926
2010 - 2012 7000 4200 1500912000 17371 5211 8685
2012 - 2014 6000 3600 1286496000 14890 4467 7445
2014 - 2016 5000 3000 1072080000 12408 3722 6204
2016 - 2018 4000 2400 857664000 9926 2977 4963
2018 - 2021 3000 1800 643248000 7445 2233 3722
2021 - 2024 2000 1200 428832000 4963 1488 2481
2024 - 2029 1000 600 214416000 2481 744 1240
LFG: 50% CH4; 50% CO2; Heating value: 16.800 kJ/Nm³
Temperature = 35°C; 1 Joule = 1 Wsec.; electr. = 0.3, therm. = 0.5
Minima Calidad de Biogas que puede ser Usada en un Generador a Gas
Fa. Haase
Poder Calorifico Hu 4 kWh/m³n
Concentracion de metano (minimo) CH4 40 Vol %
Azufre Total S < 300 mg / m³n CH4
Concentracion H2S H2S < 150 ppm
Cloro Cl < 100 mg / m³n CH4
F F < 50 mg / m³n CH4
Polvo < 10 mg / m³n CH4
Humedad relativa < 60-80 %
Presion = 20-100
mbar
Cambios en presion de gas < 10 %
Temperatura del gas < 30 °C
Hidrocarburos (> C5) < 0,4 mg / m³n CH4
Numero de metano MZ 80
519 (0 – 6,150)
Hasta 600
Concentraciones tipicas en Biogas
Estación para Producir Electricidad y Calor para el uso de Biogas
Mejora del Biogas a Gas Natural y uso final como combustible
Adapted from Henrich and Ross, 1983
Métodos para mejorar la Calidad del Biogas a Calidad de Gas Natural
Biogas
Absorcion con Cambio de
Presion (PSA)
Lavado del Gas (fisico)
Lavado del Gas (quimico)
Tecnologia de Membrana
Biogas con calidad de gas natural
Mejora del Biogas : Remocion de CO2
M. Scheepers, 1996
Objectivo:
Mejora del biogas a una calidad similar a la de gas natural
Procesos para la remoción de CO2:
1. Absorción física en agua Remoción (presión aprox. 10 bar)
2. Absorción por metanol; presión: 20 a 35 bar)
3. Absorción con cambio de presión (PSA) por un cernidor molecular
4. Uso de membranas poliméricas(remoción por diferentes velocidades de difusión; presión: 25 a 35 bar)
Mejora del Biogas: Remocion de H2S
G. Rettenberger, 1996
Objectivo:Evitar problems con corrosion en las instalaciones que usan el gas
Concentraciones típicas de hidrogeno-azufre en el biogás: 0 a 20g/m³, dependiendo del tipo de residuo descartado en el relleno
(RSU + residuos de C&D resultan en altas concentraciones de H2S debido al alto contenido de yeso en los residuos de C&D)
Mejora del biogas: Remoción de H2S
G. Rettenberger, 1996
Materiales generados por los diferentes procesospara la remocion de H2S del biogas
No son aplicables para el tratamiento de biogas debido a la produccion de un gas que contiene altas concentraciones de H2S
Un alto potencial toxico; necesita tratamiento especial
Ferrous oxide (pellets) Pure sulphur
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