integraciÓn de equipos para la optimizaciÓn del proceso de...
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inSTITUTO POLITECNICO nacionalESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD ZACATENCOINGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMIZACION
INTEGRACIÓN DE EQUIPOS PARA LAOPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL
BIOGAS EN RELLENOS SANITARIOS
PRESENTA:GUERRERO PRADO MAYLIN
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I.-OBJETIVO..............................................................................................................¡Error! Marcador no definido.II.- JUSTIFICACIÓN............................................................................................................................................................... 5III.-INTRUDUCCION..............................................................................................¡Error! Marcador no definido.CAPITULO 1 ............................................................................................................................................................................ 71.- Estado del Arte de Rellenos Sanitarios ................................................................................................................. 7
1.2.- Estadísticas de los rellenos sanitarios para la obtención del biogás .....................................81.3.-Composición de los rellenos sanitarios..................................................................................12
Composición los residuos sólidos ......................................................................................131.4.-Almacenamiento .....................................................................................................................141.5.- Barrido....................................................................................................................................151.6.-Recolección ..............................................................................................................................161.7.-Transporte y Transferencia ....................................................................................................17
CAPITULO 2 ..........................................................................................................................................................................192.- Características del biogás ........................................................................................................................................19
2.1.- Composición química del biogas............................................................................................192.2.- Modelo matemático para determinar la cantidad del biogás generado. ...........................202.3.- Descripción del proceso de generación del biogás...............................................................252.3.1. Sistema de captación ............................................................................................................27
Prueba de extracción de biogás ..............................................................................................32Programa de Prueba: Condiciones Pasivas— ........................................................................34Programa de Prueba: Condiciones Activas – .........................................................................35
2.3.2.- Sistema de Conducción........................................................................................................402.3.3.- Sistema de Succión. .............................................................................................................422.3.4.- Sistema de Quemado. ..........................................................................................................432.3.5.- Sistema de limpieza (tratamiento del biogás). ..................................................................442.3.6- Sistema de Suministro. .........................................................................................................452.4.-Acondicionamiento del relleno sanitario ...............................................................................46
CAPITULO 3 ..........................................................................................................................................................................513.-Optimización del proceso ..........................................................................................................................................513.1-Análisis de condiciones actuales de relleno sanitario de Querétaro ....................................................51
Residuos Sólidos Depositados .................................................................................................51Humedad..................................................................................................................................51Clima ........................................................................................................................................52Composición de residuos .........................................................................................................52
| Antigüedad del Sitio ................................................................................................................52Prefactibilidad .........................................................................................................................53Factibilidad..............................................................................................................................53Pruebas de Producción de Biogás...........................................................................................53Prueba estática........................................................................................................................53Prueba de corto plazo .............................................................................................................53Diseño de construcción de pozos ............................................................................................53Evaluación de Opciones de Uso y Aprovechamiento..............................................................54
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Usos del metano proveniente del biogás de un relleno sanitario ..........................................54 Uso directo. ..............................................................................................................................543.2.-Relleno Sanitario de la Ciudad de Querétaro ........................................................................543.3 Equipamiento para la mejora del proceso: .............................................................................603.3.1.-Bomba de anillo líquido .......................................................................................................613.4.-Motogenerador........................................................................................................................673.4.1.-Visión del control de equipos ...............................................................................................83
CAPITULO 4 ..........................................................................................................................................................................894..-Estudio económico.......................................................................................................................................................89
4.1..-Evaluación de costos de proyecto ..........................................................................................894.2.1.-Costo Presupuestales de Construcción ................................................................................894.2.2.-Costos Anuales Presupuestales de Operación y Mantenimiento ........................................904.2.3.-Estimado Presupuestal de la Inscripción del Proyecto, Monitoreo y Verificación ............914.2.4.-Generación de energía eléctrica ..........................................................................................924.3.-Estimado Presupuestal de los Costos Inicial de la Planta......................................................924.4.-Estimado Presupuestal de la Operación y Mantenimiento Anual-- ......................................934.5.-Evaluacion económica ............................................................................................................944.6.-Resumen...................................................................................................................................944.7.-Costos del proyecto..................................................................................................................954.8 Ingresos del proyecto ...............................................................................................................954.9.-Impactos ambientales .............................................................................................................964.9.1.-Reduccion de emisiones de gas invernadero .......................................................................964.9.2.-Reduccion de emisiones de voc y hap ..................................................................................974.9.3.-Emisiones de otros contaminantes ......................................................................................98
CONCLUSIONES................................................................................................................................................................102RECOMENDACIONES................................................................................................................................................10102ANEXO A..............................................................................................................................................................................102ANEXO B..............................................................................................................................................................................105FUENTES DE INFORMACION NORMA OFICIAL MEXICANA [NOM-083-SEMARNAT-2003]...........108
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Optimizar el proceso de obtención del biogas, por medio de un sistema de controlaprovechado para la generación de energía eléctrica, con esto contribuir en la reducción deemisión de gases al medio ambiente, con la finalidad de preservar y mejorar el ambiente.
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El biogás generado en rellenos sanitarios puede ser capturado utilizando un sistema de recolección debiogás que usualmente consume el gas por medio de quemadores. Alternativamente, el gasrecuperado puede usarse de diferentes maneras. Por ejemplo: producción de energía eléctrica através del uso de generadores acoplados a motores de combustión interna, turbinas, o micro turbinaso puede utilizarse como combustible en calentadores de agua u otras instalaciones.
Además de los beneficios energéticos, la recolección y control del biogás generado ayuda a reduciremisiones contaminantes. La USEPA ha determinado que las emisiones de biogás provenientes de losrellenos sanitarios causan o contribuyen significativamente a la anticipada contaminación atmosféricaque puede ocasionar problemas de salud y bienestar. Algunas de estas emisiones son consideradascarcinogénicas o con posibilidad de que produzcan cáncer y otros efectos adversos en la salud. Entrelos efectos negativos en el bienestar público están el mal olor y la posible migración del metano, en elrelleno sanitario y sus alrededores; esto podría contribuir a explosiones o fuegos. También, el metanoemitido por los rellenos sanitarios es considerado un gas invernadero que contribuye al problema delcambio climático global.
El principal propósito del Modelo Mexicano de Biogás es proveer a propietarios u operadores derellenos sanitarios con una herramienta para evaluar la factibilidad y beneficios de recuperar y usar elbiogás generado. Para lograr este propósito, este modelo proporciona proyecciones de generación yrecuperación de biogás. Las proyecciones de recuperación de biogás son obtenidas multiplicando lasproyecciones de generación por la eficiencia del sistema de recolección.
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El biogás generado en los Sitios de Disposición Final (SDF) es una fuente de ingresos cuyo buenaprovechamiento, reduce la problemática del calentamiento global y por otro lado reduce el consumode recursos no renovables. Al mantener bajo control el biogás generado en los Sitios de DisposiciónFinal (SDF) se logran beneficios importantes, entre otros los siguientes:
Control de las emisiones de biogás a la atmósfera, el cual es considerado como un gasde invernadero.
Reducción en el consumo de recursos no renovables.
La conservación ambiental es un compromiso ineludible, por lo que se deben implementar una seriede medidas en el corto plazo, porque aunque impliquen esfuerzos y costos, se trata de una inversióncuyos réditos significarán una herencia importante: un entorno sano para las generaciones futuras.Los rellenos producen biogás según la materia orgánica, la cual se descompone bajo condicionesanaeróbicas (ausencia de oxigeno). El biogás tiene aproximadamente partes iguales de metano ydióxido de carbón y concentraciones mínimas de compuestos orgánicos no metálicos (MNOC).Ambos componentes principales (metano y dióxido de carbón) son considerados gases efectoinvernaderos que contribuyen al caldeamiento global, aunque el Panel Intergubernamental de CambioClimático (IPCC) no considera el dióxido de carbón en el biogás como un (GHG) es considerado serbiogénico y por ende parte natural del ciclo de carbón.El metano presente en el biogás sí es considerado un GHG. De hecho, metano es mucho más potentecomo GHG que el dióxido de carbón con un potencial de caldeamiento 21 veces más que el CO2. Por lotanto, la captura y quema del metano y su transformación final a dióxido de carbón vía unaquemadora, generador, caldero u otro aparato resulta ser una reducción significante de las emisionesde gases invernaderos.El biogás sale del relleno naturalmente de dos maneras: migración o ventilación por la cubierta.En ambos casos y sin controles ni captura, el biogás (y el metano) saldrá a la atmósfera. El volumen eíndice de las emisiones del metano de un relleno es relacionado con la cantidad total de materiaorgánica enterrada en el relleno y su contenido húmedo, técnicas de compresión, temperatura, tipode desechos y tamaño de las partículas. Aunque el índice de emisión de metano disminuye con elcierre del relleno (según la materia orgánica cese), el relleno típicamente continua emitiendo metanopor años (20 años) después de su clausura.Un método común para controlar las emisiones del biogás es la instalación de un sistema de coleccióny control del biogás. Estos sistemas tienen un aparato diseñados para la destrucción del metano ycompuestos orgánicos volátil antes de ser emitidos a la atmósfera.Biogás de buena calidad (aquel con alto contenido de metano y bajos niveles de oxigeno y nitrógeno)es utilizado como combustible para desplazar el uso de combustibles convencionales.
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1.- Estado del Arte de Rellenos Sanitarios
La disposición final de los residuos sólidos ha sido practicada por varios siglos. En realidad, hace 2000años los griegos enterraban sus residuos sólidos sin compactar. En 1930, en la ciudad de Nueva York yFresno, California, iniciaron la compactación de los residuos con equipo pesado y cubriéndolos, así eltérmino de “Relleno Sanitario” fue, inventado.
Un relleno sanitario, es tradicionalmente definido como un método de ingeniería para la disposiciónfinal de residuos sólidos en el suelo, de tal manera que proteja el ambiente, mediante el extendido delos residuos en capas delgadas, compactándolas al menor volumen posible y cubriéndolas con tierraal término de cada día de trabajo.
De acuerdo con la NOM-083-SEMARNAT-20031 un relleno sanitario es una obra de infraestructura queinvolucra métodos y obras de ingeniería para la disposición final de los Residuos Sólidos Urbanos y deManejo Especial, con el fin de controlar, a través de la compactación e infraestructura adicionales, losimpactos ambientales. En la Figura 1.1, se ilustran un corte esquemático de un Relleno Sanitario consus diferentes componentes.
1. Cerca perimetral
2. Protección arbórea
3. Camino perimetral
4. Dren perimetral
5. Geomembrana
6. Celda diaria
7. Cubierta diaria
8. Pozos de venteo de biogás
9. Cobertura final
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456 7
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1. Cerca perimetral
2. Protección arbórea
3. Camino perimetral
4. Dren perimetral
5. Geomembrana
6. Celda diaria
7. Cubierta diaria
8. Pozos de venteo de biogás
9. Cobertura final
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Figura 1.1 Corte esquemático de un relleno sanitario
1 Publicada en el Diario Oficial el 20 de octubre de 2004.
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1.2.- Estadísticas de los rellenos sanitarios para la obtención del biogás
Para la disposición final de los residuos sólidos, el relleno sanitario ha sido la opción más empleada.Cuando los residuos son tirados en barrancas o espacios abiertos se vuelve un problema incontrolable.Estos residuos depositados indiscriminadamente generan contaminación ambiental, como son malosolores, explosiones, contaminación de los mantos acuíferos, basuras arrastradas por el viento,proliferación de fauna nociva, etc.
Lo que se viene buscando es que los residuos sólidos generados sean dispuestos en sitios controladosy/o rellenos sanitarios.
Actualmente en la mayoría de los sitios de disposición final que vienen operando en el país, existecarencia en la infraestructura básica, observándose obsolescencia en el equipo, ausencia de manualesde operación, capacitación esporádica y pocos o nulos procedimientos para la construcción de la celdadiaria.
En los sitios no controlados (conocidos como tiraderos a cielo abierto) existentes no se tiene ningúncontrol sobre la disposición de los residuos sólidos, estos son a cielo abierto y son grandestransmisores de enfermedades; además de que representan un foco de contaminación para el medioambiente.
En nuestro país, en base a métodos estadísticos, se tiene una media en la cobertura de recolecciónde 88% y en disposición final adecuada se tiene una cifra de 64% (relleno sanitario y sitio controlado)
Tipo de Localidad Número deLocalidades
Población(mill. Hab.)
Generación(Ton/día)
Zonas Metropolitanas 7 32.7 42,990
Ciudades Medias 173 30.7 30,950
Localidades UrbanasPequeñas
267 8.8 7,260
Localidades Rurales ySemirurales
199,600 33.1 13,600
Tabla 1.1 Generación de residuos sólidos.
Tipo de Localidad Cobertura %Disposición Adecuada
Zonas Metropolitanas 92
Ciudades Medias 66
Localidades Urbanas Pequeñas 12
Localidades Rurales y Semirurales 2
Total 64
Tabla 1.2 Porcentaje de cobertura por tipo de localidad.
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Tipo de Localidad Disposición Final
Zonas Metropolitanas Relleno Sanitario 77%Sitio Controlado 15%Sitio No Controlado 8%
Ciudades Medias Relleno Sanitario 52%Sitio Controlado 14%Sitio No Controlado 34%
Localidades Urbanas Pequeñas Relleno Sanitario 11%Sitio Controlado 1%Sitio No Controlado 88%
Localidades Rurales y Semirurales Relleno Sanitario 2%Sitio No Controlado 98%
Tabla 1.3 Sitios de disposición final por tipo de localidad.
Los residuos orgánicos (que representan alrededor del 52% de total de residuos sólidos) contenidos enlos residuos dispuestos en los rellenos sanitarios y sitios controlados, son degradados pormicroorganismos anaerobios, resultando como producto principal; gases de metano (CH4) y bióxido decarbono (CO2) y otros componentes, lo cual es conocido como biogás.
El biogás por una parte representa un importante recurso energético y por otra, una fuente decontaminación que afecta al entorno inmediato, incidiendo en la población vecina por la toxicidadpotencial que puede representar sus emisiones, la propagación de olores y el riesgo de explosividadque puede presentarse una vez rebasados ciertos niveles de concentración. Asimismo se hademostrado que en el calentamiento del ambiente y el efecto invernadero la participación de lasemisiones no controladas generadas en los sitios de disposición final es determinante.
Se estima que de los 2,500 sitios de disposición final que existen en el país, existen alrededor de 120rellenos sanitarios. En estos rellenos se ha incorporado alguna infraestructura para la captación ycontrol del biogás, llegando a iniciarse proyectos para su explotación y aprovechamiento en el DistritoFederal y ahora en Monterrey.
Sin embargo, se sabe que por la composición promedio de los residuos sólidos generados en el país, seconstituye un potencial importante de generación de biogás cuya explotación como fuente alterna deenergía requiere evaluarse a fin de identificar su correcto control y aprovechamiento, ya que de nohacerse representa un potencial de contaminación y riesgo.
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El manejo de los residuos sólidos constituye uno de los servicios municipales que mayores rezagospresenta y en particular, la disposición final. Hasta hace pocos años bastaba con recoger los residuos ydepositarlos en zonas alejadas de la vista de los habitantes para dar atención al servicio. Con eltiempo, los sitios no controlados fueron alcanzados por el crecimiento de las ciudades, haciéndoseevidente la grave problemática que generaban, no sólo en imagen, olores, marginalidad social, sinofundamentalmente en la contaminación de suelo, aire y agua.
Aunada a esta situación, surge la problemática relacionada con el gas generado por la degradación dela materia orgánica, cuyo contenido fundamentalmente de metano y bióxido de carbono, representapor una parte un importante recurso energético y por otra, una fuente de contaminación que afecta alentorno inmediato, incidiendo directamente en la población vecina por la toxicidad potencial querepresentan sus emisiones, la propagación de olores y el riesgo de explosividad, una vez rebasados losniveles máximos de concentración.
Asimismo, se ha demostrado que en la problemática del calentamiento de la tierra y el efectoinvernadero, la participación de las emisiones no controladas de metano a partir de biogás en los sitiosde disposición final de residuos sólidos es determinante.
El cambio climático en la Tierra se hace cada vez más evidente, ya que cada año es más caluroso queel anterior y las lluvias son cada vez más escasas en diversas partes del mundo. Desde 1880, se hacenobservaciones del calentamiento de la Tierra y existen claros indicios de que ésta se calienta cada vezmás año con año.
Al mismo tiempo que se realizan estadísticas sobre las temperaturas registradas en un año, se haobservado que el área de los glaciares se aleja hacia los polos al mismo tiempo que se adelgazan loshielos que los conforman.
La tendencia actual es la que apoya que estos cambios no se tratan de un proceso natural, debido aque esto se le atribuye al famoso efecto invernadero. Esta teoría tiene mucha fuerza ya que el efectoinvernadero es provocado por gases que la actividad humana libera a la atmósfera.
Esto coincide con las fechas en que se empezó a notar el cambio climático con el uso de loscombustibles fósiles durante el auge de la revolución industrial.
La emanación constante de gases tales como: dióxido de carbono, metano, óxido nitroso yclorofluorocarbonos en la atmósfera, han provocado un cambio climático mundial, que tiene comocaracterísticas el aumento de la temperatura global, así como el del nivel del mar.
El segundo gas más importante a controlar, después del dióxido de carbono, es el metano el cualcontribuye también en el cambio climático y es liberado entre otros por los sitios de disposición finalde residuos sólidos urbanos.
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Aún cuando la regulación del manejo y disposición final de los residuos sólidos no sean peligrosos, asícomo la emisión a la atmósfera de gases de invernadero, conforme a la Ley General del EquilibrioEcológico y la Protección al Ambiente y sus disposiciones reglamentarias, son materia de competenciade las entidades estatales y municipales, la Federación, a través del INE, puede promover acuerdos decoordinación y asesoría con estos niveles de gobierno para el control de los residuos sólidos urbanos yde gases de invernadero y al mismo tiempo generar energía renovable a partir del biogás generado enlos sitios de disposición final.
Como se mencionó anteriormente, los sitios de disposición final de residuos sólidos urbanos son lafuente principal de emisiones de biogás ocasionadas por la actividad humana. El biogás generado enlos sitios de disposición final esta constituido por aproximadamente 50% metano y 50% CO2.
Debido a que el metano posee un efecto de albedo 21 veces mayor al del bióxido de carbono, sucaptación y aprovechamiento es vital para nuestro planeta. Y si bien, en el mundo existe un númeroimportante de experiencias exitosas en la captación y uso del metano generado en los rellenossanitarios (EU 350 plantas, Reino Unido 250, por mencionar dos países), en nuestro país hasta haceunos cuantos años se dieron las modificaciones al marco legal, que permitieron la apertura del sector.
Recientemente, mas de 168 países tomaron la incitativa para reducir sus emisiones de gases conefecto invernadero y adoptaron el Protocolo de Kioto, el cual establece, entre otros objetivos, que ungrupo de países industrializados deberán reducir sus emisiones por debajo de 5.2% de los nivelesgenerados durante el año de 1990, lo anterior para el primer periodo de las reducciones obligatoriasestablecidas en el tratado durante los años 2008-2012. Estados Unidos rechazo dicho tratado, aunquerecientemente propuso un plan para la reducción de gases del efecto invernadero en la economíaestadounidense por un 18% hasta el año 2012.
Para impulsar el desarrollo positivo de la economía al promover la reducción de estas emisiones,Organismos nacionales e internacionales han creado un plan de Implementación Conjunta. Este planpermite a grupos de un país obtener créditos para participar en proyectos que ayuden a evitar olimitar la emisión de gases del efecto invernadero.
Entre los objetivos de este tipo de proyectos es reducir las emisiones de metano y CO2 de los rellenossanitarios.Adicionalmente a los beneficios de la mitigación de Gases Efecto Invernadero (GEI) se espera que los“Proyectos de captura y uso del biogás de los sitios de disposición final” traigan una serie de beneficiosde desarrollo sostenible para la región así como para el país en general:
Podría atraer inversiones extranjeras adicionales al país, que tendrán un efecto positivo en labalanza de pagos de México;
El efecto multiplicador de estas inversiones probablemente traiga beneficios adicionales comoun aumento en las oportunidades de empleo;
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Desempeñará un papel importante como proyecto de demostración, y alentará una menordependencia en la energía eléctrica suministrada por la red troncal y fomentará una mejoradministración de los rellenos sanitarios en todo el País. Esto es particularmente relevantedebido a la problemática en el suministro de energía eléctrica cada vez más evidente.
De acuerdo a la problemática mencionad, es necesario realizar un inventario de emisiones de biogásen sitios de disposición final de residuos sólidos urbanos, sitios controlados y/o rellenos sanitarios ysitios sin control, con el objetivo de establecer un programa de captación y aprovechamiento para lageneración de energía eléctrica en el país.
El biogás generado en los SDF es una fuente de ingresos cuyo buen aprovechamiento, reduce laproblemática del calentamiento global y por otro lado reduce el consumo de recursos no renovables.
Al mantener bajo control el biogás generado en los SDF (rellenos sanitarios) se logran beneficiosimportantes, entre otros los siguientes:
Control de las emisiones de biogás a la atmósfera, el cual es considerado como un gasde invernadero.
Reducción en el consumo de recursos no renovables.
Se evita la infiltración de gases al subsuelo evitando posibles incendios o la generaciónde contaminantes por arrastre de metales pesados generando los ácidos carbónicos, loscuales pueden infiltrarse al subsuelo contaminando el propio subsuelo o los mantosacuíferos.
La conservación ambiental es un compromiso ineludible, por lo que se deben implementar una seriede medidas en el corto plazo, porque aunque impliquen esfuerzos y costos altos, se trata de unainversión cuyos réditos significarán una herencia importante: un entorno sano para las generacionesfuturas.
1.3.-Composición de los rellenos sanitarios
La composición de los residuos es de gran importancia para la evaluación de un proyecto de larecuperación de biogás en particular el contenido orgánico, cantidad de humedad y la habilidad de ladescomposición de las diferentes fracciones de residuos sólidos. Por ejemplo, rellenos sanitarios congrandes cantidades de residuos alimenticios, que son altamente degradable, tienden a producir elbiogás en las etapas tempranas del relleno sanitario pero en períodos más cortos. El efecto de lacomposición de los residuos sólidos es discutido con más detalle en el capitulo 3.
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La Tabla 1.4 es un resumen de datos de la composición de los residuos en el relleno sanitario.
Tabla 1.4.-COMPOSICIÓN DE RELLENOS SANITARIOS
Composición los residuos sólidos
No solamente es necesario conocer la cantidad de residuos generada en las ciudades, sino quetambién el análisis de la composición de los mismos es importante para mejorar su manejo.
Al igual que sucede con la cantidad de residuos, a medida que las ciudades han desarrollado procesosindustriales, la composición de estos ha variado pasando de ser densa y casi completamente orgánicaa ser voluminosa, parcialmente no biodegradable y con porcentajes crecientes de materiales tóxicos,lo que dificulta su manejo.
Los porcentajes más altos de residuos los representan los alimentos, papel y cartón y los plásticos,junto con los residuos de jardín. Estas cantidades dejan ver en claro que las posibilidades del reciclajeen las ciudades pueden ser amplias, sin embargo son pocos los casos en los cuales existe una seleccióny clasificación de subproductos controlada por lo que la alternativa de la comercialización organizadade estos subproductos es aun incipiente, prevaleciendo los sistemas de pepena en camiones y en lossitios de disposición final, sin que las dependencias de limpia pública obtengan un beneficio de ella.
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1.4.-Almacenamiento
Son pocas las ciudades donde se tiene un almacenamiento adecuado en las casas habitación, loscomercios, industrias y hospitales. En este apartado se señalará, en forma general, la situación queprevalece en los diferentes tipos de almacenamiento.
Almacenamiento casas-habitación.
Con respecto al almacenamiento domiciliario éste se efectúa en la mayoría de los casos, bajocondiciones inadecuadas; en primer lugar los recipientes varían, ya que se emplean desde las bolsasde papel, plástico, cajas de cartón hasta botes de lámina, madera o plástico, los cuales en ocasiones noson lo suficientemente resistentes para contener los residuos o no son los idóneos para poder sermanejados por el personal de recolección.
En cuanto a su ubicación, muchas veces no existe suficiente espacio en la casa-habitación ynormalmente se localizan en la cocina la cual puede atraer la proliferación de insectos o roedores si nodisponen de una cubierta o tapa. Así mismo, al no almacenar los residuos en orgánicos e inorgánicos,hace que se dificulte el rescate posterior de material reciclable.
Por lo tanto, es importante orientar a la población para que utilice recipientes adecuados, quemantengan la higiene mientras los residuos son recolectados, procurando un almacenamiento pormás de un día y además promover prácticas de separación y reciclaje doméstico de los residuos.
Almacenamiento comercial.
Este tipo de almacenamiento se lleva a cabo en los mercados, tiendas de abarrotes, restaurantes yhoteles. Es muy común el uso de tambos de 200 litros adaptados para el almacenamiento, aunquetambién se utilizan contenedores con capacidades que varían de 1 a 6 m3.
Almacenamiento industrial.
Este tipo de almacenamiento no es responsabilidad directa del municipio sino de la empresageneradora. Sin embargo, los encargados del servicio de limpia deben aplicar la normatividadexistente para el adecuado control de almacenamiento de este tipo de residuos, situación que se da,en muy pocos casos e inclusive ni se llega a disponer del padrón actualizado de industrias establecidas.
Almacenamiento hospitalario.
A nivel nacional se dispone de estudios aislados sobre el tipo de almacenamiento efectuado enhospitales, aunque al igual que en los residuos industriales, las autoridades actúan únicamente comonormativas y no tienen que involucrarse en el manejo de este tipo de residuos. No obstante, dentro
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del reglamento de limpia deben contemplarse las disposiciones concernientes al almacenamientohospitalario.
En general se puede mencionar, que a pesar de que en la mayoría de los hospitales y laboratorios(75%) se emplean recipientes adecuados en forma, tamaño y protegidos en su interior con bolsas deplástico, facilitando con esto su limpieza y manejo, en mas del 50% de estos centros, las papeleras deplástico no disponen de tapas.
El almacenamiento central generalmente es externo (en patios, estacionamientos y otras zonas al airelibre), utilizando en el 56% de las unidades médicas y 30% de los laboratorios tambos de 200 litros delos que únicamente el 5% son de plástico y con tapa y el resto son metálicos y abiertos.
En el 65% de los hospitales y en más del 80% de los laboratorios el personal encargado del manejo delos residuos no utiliza equipo personal de seguridad.
De lo anterior, se pueden desprender las siguientes conclusiones:
Las infecciones bacterianas y virulentas pueden incrementarse en los hospitales al dispersarse losorganismos patógenos por el interior de los centros, provenientes de un mal almacenamiento deresiduos (recipientes sin tapa y construidos con material poco resistente como papel y cartón).
El almacenamiento central y en tambos metálicos sin tapa y sin protección interior facilita ladispersión de agentes infecciosos entre la población externa y aledaña a estos, a través del viento,agua, fauna nociva y comercialización no controlada de materiales recuperados de los residuos, asícomo por la disposición inadecuada de verter los residuos hospitalarios junto con los residuosdomiciliarios.
Por lo tanto, los municipios deben reglamentar el almacenamiento de los residuos de hospitalesconjuntamente con autoridades de salud, con el fin de evitar la dispersión de enfermedadesinfecciosas como la hepatitis, SIDA, etc. entre la población.
1.5.- Barrido
El barrido es otra fase del sistema de recolección de residuos y surge por la necesidad de mantenerlimpia y en condiciones estéticas, sobre todo las vías de intensa circulación peatonal de las principalesciudades de los municipios, como las calles principales, parques y jardines las que por factoresnaturales o antropogénicas son invadidas por residuos vegetales, arenas, lodos, envolturas deartículos, o residuos de comidas, botellas de vidrio, etc.
Barrido manual.
Para poder recolectar la diversidad de residuos, en un buen número de ciudades medias del país seemplea en mayor proporción el barrido manual, para lo cual se utiliza equipo diverso tal como:carritos con tambos de 200 litros, escobas, cepillos, recogedores
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Con respecto al personal cada carrito está a cargo de un barrendero quien a su vez está controlado porun jefe que se encarga de la distribución del trabajo. En promedio para el barrido en ciudadeslatinoamericanas se tiene un rendimiento individual de 1 a 2.5 km/día de calle y en promedio por kmbarrido se recogen de 30 a 90 Kg., requiriéndose 0.4-0.8 barrendero por cada 1000 habitantes.
Las áreas prioritarias de atención son las zonas pavimentadas como la plaza principal, sitioscomerciales, calles y avenidas céntricas, parques y jardines. La gran mayoría de las ciudades tienenestablecidos horarios al personal para realizar esta actividad, en los turnos matutino y vespertinoprincipalmente. Aunque también se tienen ciudades que carecen de un programa definido.
Barrido mecánico.
El uso de este sistema de barrido se observa en mayor proporción en ciudades medias conpoblaciones de más de 50,000 habitantes. El hecho de que pocas ciudades dispongan de maquinariapara el barrido se debe principalmente a la falta de recursos económicos para adquirir el equipo y paradarle el mantenimiento adecuado. A pesar de que el barrido mecánico implica menores gastos que elmanual, ocasiona el desplazamiento de mano de obra y favorece la salida de divisas del país ya que elequipo es importado.
En promedio para el barrido mecánico en ciudades latinoamericanas se tiene un rendimiento porequipo de 30 km/día de calle.
1.6.-Recolección
El proceso de recolección es la parte medular de un sistema de limpia y tiene como objetivo principalpreservar la salud pública mediante la recolección de los residuos en los centros de generación ytransportarlos al sitio de tratamiento o disposición final en forma eficiente y al menor costo, ya queesta etapa es la que emplea un número considerable de recursos económicos.
Con el fin de diseñar un sistema adecuado de recolección, los municipios deben contar con ciertosparámetros técnicos y demográficos como:
Procedencia y volumen de los residuos sólidosTipo de almacenamientoFrecuencia de recolecciónMétodo de recolección y tripulaciónTipo de vehículos, etc.
Las siguientes estadísticas nos dan un panorama general de la situación actual de la recolección,entorno a algunos de estos factores, en ciudades medias de México. El 60.97% de los residuos sólidosgenerados proceden de fuentes domiciliarias y el restante 39.02% de las industrias, comercios y otrasfuentes. Se recolecta el 85% de los residuos generados.
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Con respecto a rutas de recolección los datos que se muestran en la tabla 1.3 anteriormente mostradaEn el 75% de las ciudades las áreas atendidas se dividen por sectores operativos. Sólo el 43% de lasciudades medias realizan un diseño a través de un método técnico para llevar a cabo la recolección.En cuanto a los métodos actuales de recolección realizados en el país, el más común es el de acera o elde parada fija, más sin embargo, debido a las características de nuestras ciudades se ha optado poremplear primordialmente una combinación de estos.
El 26.67% de las ciudades disponen de rutas eficientes de recolección y en un 73.33% no sonsuficientes. El número promedio de viajes que realiza cada camión diariamente es de casi 3, y por cadavehículo recolector se emplean en promedio 1 chofer y 3 ayudantes.
De lo anterior se desprende que existe un número mayoritario de ciudades que no disponen de undiseño de rutas y que éstas son insuficientes, lo cual refleja que los municipios aparte de no contar conlos suficientes recursos económicos, tampoco disponen de una buena planeación para ampliar sucobertura adecuadamente y con menores costos, sobre todo para aquellos lugares periféricos condificultades de acceso o en zonas de reciente creación.
Esta situación trae por consecuencia que se concentran cantidades considerables de residuos en áreascomo lotes baldíos, barrancas y colonias periféricas como se muestra en la tabla 1.2.
1.7.-Transporte y Transferencia
El transporte de los residuos sólidos ya sea en forma directa o por medio de centros de transferenciaes al igual que en la fase de recolección, la parte que más recursos económicos emplea.
Por lo tanto, para que un municipio adopte cualquiera de los dos sistemas de transporte directo oindirecto, deberá realizar un análisis de los costos y beneficios en base a:
La generación de residuos producida en los distintos sitios o fuentes. Frecuencia y métodos de recolección. Personal necesario. Condiciones ambientales y sociales de cada ciudad.
Se sabe que en el país solamente 16 ciudades medias han realizado estudios relativos a la selección deltransporte adecuado, incluyendo las que han elaborado estudios de factibilidad. En lo que se refiere altipo, cantidad y calidad de los vehículos empleados por el servicio de limpia pública, se tiene:Que el transporte más usado es el de camión de volteo y otro tipo de vehículos, los cuales no son losmás indicados desde el punto de vista económico y sanitario.
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Los vehículos compactadores a pesar de reunir mejores ventajas para el transporte ocupan unsegundo término.
Con respecto a los vehículos descompuestos, se estima en casi el 20% del total, se tiene que el 37% delas ciudades carecen de presupuesto específico para el mantenimiento, lo que significa que losmunicipios de dichas ciudades no cuentan con taller apropiado, refacciones especiales y equiponecesario. De los vehículos restantes en servicio, un alto porcentaje se tiene de malas a regularescondiciones, lo que refleja también que se carece de un mantenimiento preventivo y correctivo.
Es importante entonces recalcar que no es sólo la compra suficiente de vehículos lo que requiere elsistema para el transporte de los residuos, sino que también se deben impulsar acciones comoorganizar y equipar los talleres de mantenimiento, minimizando con esto los costos y prolongando lavida útil de los vehículos con lo cual se podrá realizar una cobertura mas eficiente.
Aunado a lo anterior, en lo referente al aspecto de eficiencia del servicio, se debe contemplar dentrode la planeación, la posibilidad de instalar centros de transferencia en sitios estratégicos, con el fin deque los vehículos recolectores de los residuos puedan ampliar su cobertura al reducir las distancias alsitio de disposición final o de tratamiento.
Actualmente solo 16 ciudades medias del país cuentan con centros de transferencia, los cuales operancomo tales o a través de remolques o tráileres; en dos más existe el proyecto de construcción y enotra están por concluirse los trabajos de instalación.
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2.- Características del biogás
El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, porlas reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos,(bacterias metanogénicas, etc...), y otros factores, en ausencia de aire (esto es, en un ambienteanaeróbico). Cuando la materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno, actúa este tipo debacterias, generando biogás.
Se llama biogás al gas que se produce mediante un proceso metabólico de descomposición de lamateria orgánica sin la presencia del oxigeno del aire. Este biogás es combustible, tiene un alto valorcalórico de 4 700 a 5 500 kcal/m3 y puede ser utilizado en la cocción de alimentos, para la iluminaciónde naves y viviendas, así como para la alimentación de motores de combustión interna que accionan,máquinas herramientas, molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículosagrícolas o de cualquier otro tipo.
La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono. Elmetano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos quedegradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente.
2.1.- Composición química del biogas
El biogás está compuesto por:Metano (CH4) 55 a 70 %.Anhídrido carbónico (CO2) 35 a 40 %.Nitrógeno (N2) 0.5 a 5 %.Sulfuro de hidrógeno (SH2) 0.1 %.Hidrógeno (H2) 1 a 3 %.Vapor de agua Trazas.
Como se observa el aporte calórico fundamental lo ofrece el metano cuyo peso especifico es dealrededor de 1 kg/m3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos limpiarlo de CO2. Deesta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede llegar hasta 8 260 kcal/ m2 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina.El uso del biogás en motores de combustión interna permite que se soporten altas compresiones sindetonaciones. Con el término biogás se designa a la mezcla de gases resultantes de la descomposiciónde la materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias.El biogás se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor el cual puede serconstruido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico.
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El biodigestor, de forma cilíndrica o esférica posee un ducto de entrada a través del cual se suministrala materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las aguas sucias de las ciudades, residuosde matadero) en forma conjunta con agua, y un ducto de salida en el cual el material ya digerido poracción bacteriana abandona el biodigestor.Los materiales que ingresan y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluenterespectivamente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energíaquímica contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás.Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque lacomposición del biogás varia de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada sepresenta a continuación:
Metano, CH4 40 - 70% volumen
Dióxido de carbono, CO2 30 - 60
Sulfuro de hidrógeno, H2S 0 - 3
Hidrógeno, H2 0 - 1
Tabla 2.1 Porcentajes de la composición del biogás
El metano, principal componente del biogas, es el gas que le confiere las características combustiblesal mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la concentración demetano - alrededor de 20 – 25 MJ/m3, comparado con 33 – 38MJ/m3 para el gas natural (Werner et al1989).A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar encombustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación,para calefacción y como reemplazo de la gasolina o el acpm (combustible diesel) en motores decombustión interna.
2.2.- Modelo matemático para determinar la cantidad del biogás generado.
El Modelo Mexicano estima el biogás producido por la degradación de desechos en rellenos sanitarios.La descomposición anaeróbica de los desechos en los rellenos sanitarios causa generación de biogás.El modelo asume que la composición del biogás es aproximadamente 50% metano (CH4) y 50% otrosgases entre ellos: dióxido de carbono (CO2) y porcentajes menores de otros componentes.
Este modelo utiliza una ecuación de degradación de primer grado para estimar el volumen degeneración de biogás en metros cúbicos por minuto (m3/minuto) y en metros cúbicos por hora(m3/hora). También calcula el contenido de energía en el biogás generado en billones de joules poraño (GJ/año). La generación de biogás se estima multiplicando la generación de metano por dos (Seasume que el biogás está compuesto de 50% metano y 50% dióxido de carbono).
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La generación de metano se calcula usando dos parámetros:
(1) Lo ó Generación Potencial de Metano(2) k ó Índice de Generación de Metano
Se asume que el índice de generación de metano está a su máximo al momento de clausura o decolocar los residuos finales en el relleno sanitario. A pesar de que el modelo permite la alimentaciónde los valores de Lo y k derivados con información propia del relleno sanitario (los valores de Lo y kpueden ser desarrollados en rellenos sanitarios con sistemas de recuperación de biogás, calibrando elmodelo con los datos de recuperación de biogás actuales), es recomendable que se utilicen los valoresque el modelo calcula automáticamente.
El índice de generación de metano, k, determina el índice de generación de metano producido por ladegradación de los desechos en el relleno sanitario. Las unidades de k son anuales-l, esto significa queel valor de k describe la generación de biogás producida por la degradación de los residuos dispuestosen un relleno sanitario en un año. Conforme el valor de k se incrementa, la generación de metano enun relleno sanitario también aumenta (siempre y cuando éste siga recibiendo residuos) y luegodisminuye (después que el relleno sanitario es clausurado) con el tiempo. El valor de k es determinadopor los siguientes factores:
Contenido de humedad en los residuos
La disponibilidad de nutrientes para las bacterias generadoras de metano,
pH, y
Temperatura
Los valores de k obtenidos de datos de rellenos sanitarios de Estados Unidos varían entre 0.003 a 0.21por año (EPA, 1991a). Estos valores fueron determinados con modelos teóricos realizando pruebas decampo. Al menos que se cuente con valores específicos de k del relleno sanitario en cuestión, elmodelo calculará automáticamente este valor. Los valores siguientes son valores de k usados por elmodelo, dependiendo de la precipitación promedio anual en la región donde se localice el rellenosanitario:
PrecipitaciónPromedio anual
(mm/año)
K(Por año)
0 - 249 0.040250 – 499 0.050500 – 999 0.065≥ 1000 0.080
Tabla 2.2.-Índice de generación de metano (k)
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En teoría, el valor de la generación potencial de metano en los residuos (Lo) sólo depende del tipo deresiduos presente en el relleno sanitario. Conforme el contenido de celulosa en los residuos aumenta,el valor de Lo también crece. En la práctica, el valor teórico de Lo no podría ser alcanzado en regionesde clima seco donde la humedad en los residuos es muy baja o inexistente lo que; provoca inhibiciónde las bacterias generadoras de metano.
Las unidades de Lo están en metros cúbicos por tonelada de residuos, lo cual significa que el valor deLo describe la cantidad de gas metano producida por tonelada de residuos (no se especifica ningúnlímite de tiempo). Los valores teóricos Lo varían entre 6.2 y 270 m3/Mg de residuos.
Al menos que se cuente con valores específicos de Lo (potencial del metano) para el relleno sanitarioen cuestión, estos valores serán calculados automáticamente por el modelo. Los siguientes valores deLo serán usados por el modelo, dependiendo de la precipitación promedio anual de la región donde seencuentra localizado el relleno sanitario:
PrecipitaciónPromedio anual
(mm/año)
L0
(m3/ton)
0 – 249 60250 – 499 80≥ 500 84
Tabla 2.3.- potencial de metano (L0)
La generación per cápita de residuos sólidos de origen doméstico varía de acuerdo a la modificaciónde los patrones de consumo de la población y en la medida en que incrementa la comercialización deproductos industrializados y de lujo. En 1975 se estimó que el promedio nacional per cápita degeneración de residuos sólidos era de 320 gr/hab/día y hoy en día dicho índice es de 900 gr/hab/día.
En cuanto a los residuos peligrosos, la información es escasa. Sin embargo, el Programa Nacional deMedio Ambiente y Recursos Naturales 2003–2008 registra que en el país se generan 10,513 toneladasdiarias que corresponden a materiales que tienen características peligrosas.
Aunque no corresponde directamente a los municipios el manejo de los residuos industriales yhospitalarios, es recomendable que se disponga de ciertos elementos como un padrón de industrialescon el objeto de controlar la disposición de estos residuos, ya que la mayor parte de los industriales,incluyendo a los dueños de pequeños talleres, los entregan a los servicios municipales de recolección,donde son mezclados sin ninguna precaución con la residuos doméstica y son transportados atiraderos a cielo abierto, o arrojados en sitios disponibles de los alrededores, ocasionando seriosproblemas sanitarios y de contaminación del suelo, agua y aire.
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Con respecto a las fuentes generadoras, los residuos provenientes de las casas-habitación se generanen mayor proporción y los comercios, las industrias, mercados tianguis y vías públicas (dentro de lasfuentes no domésticas) son las que más generan residuos
El Modelo Mexicano de Biogás es una herramienta automática para la estimación de la generación yrecuperación de biogás en rellenos sanitarios municipales en México. El Modelo fue desarrollado porla empresa americana SCS Engineers bajo un contrato con el programa Landfill Metano Outreach(LMOP) de la U. S. EPA. El Modelo está elaborado en una hoja de cálculo en Excel y está basado en unaecuación de degradación de primer orden. Para la estimación de la generación y recuperación delbiogás en un relleno sanitario, el Modelo requiere que el usuario alimente algunos datos, como son:
a) Año de apertura del relleno;b) Año clausura estimado;c) La cantidad de residuos depositados en el relleno sanitario, o el índice de aceptación anual
estimado;d) Precipitación promedio anual; ye) Eficiencia del sistema de recolección
El modelo provee automáticamente valores para el índice de generación de metano (k) y la generaciónpotencial de metano (L0). Estos valores fueron desarrollados usando datos específicos de rellenossanitarios de México y la relación de entre los valores de k y L0, y la precipitación promedio anual enalgunos rellenos sanitarios de Estados Unidos. Los valores de k y L0 varían dependiendo de laprecipitación promedio anual y pueden utilizarse para producir proyecciones de generación de biogáspara rellenos sanitarios municipales localizados en las diferentes regiones de México.
El método utiliza una ecuación de degradación de primer orden que asume que la generación debiogás llega a su máximo después de un periodo de tiempo antes de la generación de metano. Elmodelo asume que el período es de un año desde la colocación de los residuos y el comienzo de lageneración de biogás. El modelo asume que por cada unidad de residuos, después de un año lageneración disminuye exponencialmente mientras la fracción orgánica de los residuos es consumida.
Para sitios donde se conocen los índices de disposición año con año, el modelo estima la generaciónde biogás en un año dado usando la siguiente ecuación publicada en el Código 40 de Leyes Federalesde los Estados Unidos, Parte 60
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Donde:
La suma desde el año de apertura +1 (i=1) hasta el año de proyección (n);
QM = Generación máxima de biogás en (m3 /años)
K = Índice de generación de metano (año)
Lo = Generación potencial de metano (m3 /Mg)
Mi = Masa de residuos sólidos dispuestos en el año i (Mg)
ti = Edad de los residuos dispuestos en el año i (años)
Figura 2.1.-Ecuación del Modelo Matemático
La ecuación anterior estima la generación de biogás usando cantidades de residuos dispuestosacumulados a través de un año. Proyecciones para años múltiples son desarrolladas variando laproyección del anual y luego iterando la ecuación. El año de generación máxima normalmente ocurreen el año de clausura o el año siguiente (dependiendo del índice de disposición en los años finales).
Con la excepción de los valores de k y L0, el modelo mexicano de biogás requiere datos específicos delrelleno en cuestión para producir las proyecciones de generación. El modelo provee los valore de k yL0. Los valores son calculados basándose en la información recolectada de rellenos sanitariosrepresentativos en México y la relación entre los valores de k y L0 observados en rellenos sanitarios delos Estados Unidos.
Los valores de k y L0 varían dependiendo de la precipitación anual y podrán ser usados para producirproyecciones de generación de biogás en rellenos sanitarios localizados en las diferentes regiones deMéxico.
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2.3.- Descripción del proceso de generación del biogás
Este sistema se debe diseñar y construir principalmente para colectar gas y utilizarlo como fuente deenergía, pero también para controlar la migración del biogás en el sitio de disposición y evitar el olorque se genera, reduciendo las emisiones contaminantes al aire.
El manejo del biogás se concibe como un conjunto de sistemas a través de los cuales se posibilita elsuministro del biogás como energético a la planta de producción o de aprovechamiento energético.Esta etapa incluye la captación, conducción, succión, limpieza, quemado de excedentes y dosificaciónpara el suministro a la planta generadora.
Figura 2.2 Etapas que comprende el proceso del manejo del biogás.
CAPTACIÓN
CONDUCCIÓN
SUCCIÓN
LIMPIEZA
DOSIFICACIÓN
QUEMADODE EXEDENTES
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Para la definición y características de estas etapas, se consideró la información relativa a las siguientesvariables:
Producción de biogás
Horizonte de producción
Composición del biogás
Porcentaje en volumen de Metano
Contenido de Oxigeno
Contenido de Bióxido de Carbono
Contenido de Nitrógeno
Temperatura
Presión
Flujo
Por otra parte la producción de energía eléctrica, comprende la operación de equipos de combustióninterna, generadores, transformación del nivel de voltaje y suministro de energía eléctrica.En la figura 2.3 se muestra un diagrama de flujo del manejo de biogás y como ejemplo la producciónde energía eléctrica.
Figura 2.3.- Diagrama de Flujo del proceso de captación de biogás y Generación de Energía Eléctrica
CAPTACIÓN
CONDUCCIÓN
SUCCIÓN
LIMPIEZA
DOSIFICACIÓN
GENERACIÓN
TRANSFORMACIÓNDELNIVEL
DEVOLTAJE
INTERCONECCIONALAREDPUBLICA
REDPÚBLICA
ALUMBRADOPÚBLICO
BOMBEODEAGUAPOTABLE
YRESIDUAL
MANEJODEBIOGÁS PRODUCCIÓNDEENERGÍAELECTRICA
QUEMADODEEXEDENTES
QUEMADO DEEXCEDENTES
SUMINISTRO
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2.3.1. Sistema de captación
El sistema de captación permite el control de las emisiones de biogás y su migración y olores a zonasaledañas cuya extensión depende altamente de la estratigrafía del terreno.
Para diseñar el sistema de captación es necesario, como ha sido establecido, realizar una pruebaestática y otra prueba de corto plazo, tal como se señala en el apartado 1.4. Este tipo de pruebas seutilizan para identificar la presencia y migración del biogás en el sitio y para definir la composición delmismo.
Como se analizó previamente existen varias opciones para mitigar los impactos producidos por laemisión del biogás a la atmósfera. El diseño del control del biogás debe estar dentro de una filosofíaintegral, para el diseño y operación del sitio.
El sistema de captación de biogás incluye los siguientes componentes:
Pozos de captación
Equipamiento de pozos
Mecanismos de control de flujos
Para el cálculo del número de pozos se debe considerar las dimensiones del sitio, el radio de influenciay la separación entre pozos. Basándose en las estimaciones de diversas pruebas de producción debiogás se considera un radio de influencia promedio entre 25 y 35 metros, lo que dividido entre eltotal del área de estudio.
En el sistema de captación entonces, se debe instalar la cantidad de pozos verticales estimada, en dossecciones interconectadas entre sí, a través de una tubería de 18 pulgadas de diámetro, la cual llevaráal biogás hacia la planta de tratamiento y hacia los generadores.
La primera sección de la tubería estará integrada por tubería de 4 pulgadas de diámetro la cualconecta a la mitad de los pozos al sistema. La siguiente sección de tubería consiste de 6 a 14 pulgadasde diámetro, en ambos lados del sistema conforme el flujo de biogás. La tubería de 18 pulgadas llevael flujo de gas hacia la planta de generación de energía.
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A manera de ejemplo y considerando los pozos descritos, en la figura 2.4 se ilustra el tipo de arreglode captación que se ha determinado para el relleno sanitario.
Figura 2.4.- Sistema de Captación de Biogás por Medio de Pozos Verticales
Figura 2.4 Arreglo de captación en un relleno sanitario
Pozos de venteo pasivos.
Los sistemas más utilizados para el venteo de biogás en nuestro país, son los pozos de venteo pasivos;
debido a que relativamente son más fáciles de construir que el sistema de zanja o trinchera. Son
construidos frecuentemente durante el depósito de los residuos sólidos en el sitio de disposición final,
con el propósito de ahorrar en su construcción; sin embargo, durante las operaciones se corre el
riesgo de que dichos pozos sean dañados y, por consiguiente, no sean confiables para el venteo de los
gases una vez que el sitio ha sido clausurado.
En la mayoría de los Sitios no Controlados, no existen dispositivos para el control de los gases, por lo
cual es relativamente sencillo perforar los pozos de venteo una vez que se ha logrado conformar el
sello final del sitio.
Estos sistemas funcionan prácticamente debido a los gradientes de presión que se establecen cuando
son construidos. El efecto que tienen sobre la migración del biogás es mínimo, por lo que se
EMPAQUE DEARCILLA
PAQUETE DE GRAVA ENPOZO DE EXTRACCIONDE GAS EMPACADOCON GRAVA DESECHOS SOLIDOS
MUNICIPALES COMPACTADAS
GEOMEMBRANA
RELLENO SANITARIO
CABEZAL DERECOLECCION DE GAS
SOPLADOR
ELECTRICIDAD HACIALA RED DE ENERGIAU OTRO USO
SUBESTACIONTRANSFORMADORA
EQUIPO LIMPIADORDE GAS Y ARREGLODE GENERADORES
COBERTURAIMPERMEABLE DELRELLENO SANITARIO
TUBERIAPERFORADA
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recomienda ubicarlos cerca de los límites del sitio clausurado en combinación con barreras naturales o
artificiales, con el objeto de asegurar el control de dicho problema.
Asimismo, para el uso de este sistema, es recomendable la utilización de quemadores de biogás para
el control de olores y minimizar el daño a la salud del personal encargado del control y mantenimiento
del sitio, una vez que éste haya sido clausurado.
Los pozos de venteo pasivo consisten en una perforación de 40 a 60 cm. de diámetro, a una
profundidad máxima del 75% del espesor de residuos sólidos, en la cual es colocado un tubo de PVC o
de Extrupack, de un diámetro de 10 cm. (4") y empacado con grava o tezontle de un diámetro
controlado de 2" como mínimo.
En la parte superior del pozo se coloca un sello con arcilla, bentonita, mezcla de suelo cemento o
cualquier otro material impermeable que evite la salida descontrolada del biogás y/o la entrada de
agua hacia el interior del pozo, siendo este último aspecto desfavorable para el adecuado venteo del
gas, además de que se favorece la generación de lixiviados. En la figura 2.14 se muestran las
características mínimas requeridas para la construcción de pozos de venteo de biogás.
Figura 2.5- Características de Pozos de Venteo de Biogás
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Por lo que se refiere a la perforación de los pozos, se deberán tomar en consideración las siguientes
recomendaciones:
El personal encargado de esta actividad deberá protegerse con mascarillas con filtro de
carbón activado, para evitar la inhalación de los gases que se desprenderán durante la
perforación de los pozos. Además, deberá estar estrictamente prohibido entrar dentro de
los pozos, ya perforados, debido a la falta de oxígeno.
El equipo recomendado para este tipo de trabajos es del tipo CALDWELL rotatorio.
Se deberá verificar una completa verticalidad del equipo antes de iniciar la perforación.
Se iniciará la perforación vertical con broca helicoidal tipo AUGER de 60 cm de diámetro y
1 m de longitud como máximo.
Una vez perforados los primeros cinco metros con la broca AUGER, se procederá a rimar
el pozo con el bote CALDWELL de 40 cm. de diámetro, y así sucesivamente hasta la
profundidad que indique el proyecto.
Una vez terminada la perforación se deberá tener habilitada la tubería para facilitar las
maniobras y evitar que el pozo se azolve.
Cuando se encuentren llantas en el proceso de rimado, deberá de utilizarse la broca
AUGER para recuperar la llanta.
Si durante la perforación inicial se encuentran rocas o fragmentos de concreto, se
utilizará la cuña del barretón.
Para el retiro de los materiales producto de la perforación, se recomienda un trascabo, o
si se lleva a cabo de forma manual, se recomienda que el manejo de dichos productos sea
con un bieldo.
Se deberán colocar señales preventivas de 0.60 x 0.60 m de lámina con las leyendas
"Peligro Excavación Profunda" y "No Fumar", equidistantes a la perforación.
Se empleará ademe metálico recuperable cuando así se requiera.
El radio de influencia de los pozos de venteo, normalmente depende del grado de compactación y, del
tipo de residuos sólidos (residuos de mercados, domésticos, de construcción, etc.). Ahora bien, hay
que considerar que dentro de los estratos de residuos sólidos no existe una uniformidad en cuanto a
las características de los mismos, así como de su acomodo. Esto origina que el cálculo para determinar
la ubicación de los pozos de venteo sea difícil de llevar a cabo.
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En la actualidad, se tiene reportado por la literatura que el número de pozos de venteo para un
sistema pasivo, será de 2 a 6 piezas por hectárea; sin embargo, se tiene un segundo criterio, para
determinar el número de los mismos y consiste en ubicar un pozo de venteo por cada 7,500 m3
de
residuos sólidos.
Pozos de Extracción
Estos pozos activos, tienen las mismas características que los pozos pasivos, excepto que el espesor
del material de sello es mayor y la parte ranurada o perforada del tubo para la captación del biogás, se
encuentra a una mayor distancia de la superficie, además de que se encuentra conectado a una red
principal para su captación.
Las diferencias señaladas obedecen a la necesidad de evitar la intrusión de aire al sistema, debido a
que el sistema estará bajo presión (ver figura 2.6).
Figura 2.6- Pozo de Extracción de Biogás
Cabe destacar que la grava que se coloca en el pozo tiene el objetivo de reducir la velocidad de
entrada, así como permitir la distribución uniforme del vacío a lo largo del tubo.
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Figura 2.7.- Construcción Típica de Chimeneas de Biogás
Prueba de extracción de biogás
La prueba de extracción de biogás generalmente consiste de los siguientes elementos físicos yequipos:
• Un total de tres pozos nuevos de extracción (referidos como EW-1 a EW-3). Los pozos de extracciónson fueron instalados con profundidades de 15 metros. Una perforación de 15 metros de profundidadfue hecha para EW-3 pero el pozo fue instalado hasta los 10 metros porque se encontró lixiviado en ellugar. Los pozos fueron separados en forma triangular con al menos 65 metros entre ellos. La Figura 2-1 es un detalle típico de la construcción de los pozos. Los formularios de la construcción de los pozosse pueden encontrar en el Anexo B.
Figura 2.8.- Perforación de Sonda de Monitoreo
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• Un total de nueve sondas de monitoreo de gas y presión. Tres sondas son fueron instalados por cadapozo. Las sondas tiene una profundidad de 2 metros y son fueron instaladas en línea a distancias de 5,15 y 25 metros del pozo de extracción. La Figura 2.3 es un detalle típico de la construcción de lassondas de monitoreo.
• Una bomba de extracción creó un vacío en los pozos de extracción y extrajo el biogás de los pozos.La bomba de extracción fue conectada a un generador portátil.
• Interconexión de los tres pozos de extracción y el soplador con tubería sólida. Válvulas de control deflujo fueron instaladas en cada pozo de extracción así como en la entrada de la bomba de extracciónpara ajustar la presión del vacío y el flujo de ambos el sistema y los pozos individuales. La Figura 2-3 esun diagrama típico de la conexión del sistema de prueba de extracción de biogás.
• Equipo de medición del gas y para el monitoreo de vacío y flujo. Mediciones de la calidad del biogás(metano y oxigeno) y la presión estática fueron tomadas con un Analizador de gas infrarroja tipoLANDTEC GEM 500(GEM 500). Las mediciones de flujo de biogás fueron tomadas usando un plato deorificio en cada pozo y programando el GEM 500 para que calculara el flujo basado en la diferencia depresión atrás del plato del orificio
Figura 2.9.- Pozos de Extracción para Prueba de Biogás yTubería hacia la Bomba
SCS contrató a la empresa Estudios Especializados (Estudios) para los trabajos de perforaciones yconstrucción de los tres pozos de extracción, la instalación de las nueve sondas de monitoreo, lainstalación de la bomba de extracción, motor y generador, y la tubería de interconexión. SCS contratóa ETEISA de C.V. (ETEISA) para proveer apoyo local por medio de su oficina en la Ciudad de México.Durante las pruebas, el personal de Estudios y ETEISA apoyaron a SCS localmente.
Antes de iniciar las perforaciones, SCS le proveyó a Estudios un mapa con la localización de la pruebade extracción de biogás y las ubicaciones específicas para los pozos de extracción. En febrero del 2005,Estudios movilizó su equipo y personal al relleno sanitario para comenzar las actividades deperforaciones para los pozos.
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Personal de SCS visitó el lugar el 16 y 17 de febrero para supervisar el final de las perforaciones y laconstrucción de los pozos. SCS regresó al relleno sanitario del 2 al 5 marzo para supervisar lainstalación de tubería, bomba de extracción y platos de orificio, proveer entrenamiento sobre el usode los equipos de mediciones, información general de cómo interpreta los datos y recomendaciónsobre los ajustes necesarios durante la prueba.
SCS regresó nuevamente el 6 de abril. Durante esta visita se determinó que los platos de orificios de ½pulgada utilizados para las mediciones de flujo eran muy pequeños y se reemplazaron con platos deorificios de ¾ de pulgadas.
Programa de Prueba: Condiciones Pasivas
Durante la mañana del 8 de marzo, antes de empezar la bomba de extracción y comenzar lascondiciones activas de la prueba, el técnico monitoreó la calidad del biogás y presión para identificar ydocumentar las condiciones estáticas (pasivas) para luego compararlas con datos tomados durante lascondiciones activas.
La Tabla 2-3 presenta un resumen de los promedios durante condiciones estáticas de cada uno de lospuntos de monitoreo. Resultados adicionales de la prueba de extracción de biogás se encuentran en elAnexo B.
Tabla 2.4.-PROGRAMA DE PRUEBA DE EXTRACCIÓN DE BIOGÁS –PROMEDIOS DE CONDICIONES ESTÁTICAS
Por lo general, la calidad de gas observada bajo las condiciones estáticas fueron de un alto nivelaunque se obtuvieron altos niveles de oxigeno en EW-2 y EW-3. Las mediciones altas de oxigeno enEW-2 y EW-3 indican que existe acumulación de aire en el relleno sanitario alrededor de laschimeneas. Los resultados de presión estáticas indicaron números positivos altos, particularmente enEW-1 e indican la acumulación de presión de gas y generación de gas.
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Sistema pasivo.
Dentro de los sistemas de venteo pasivo, se tienen los siguientes tipos:
- Zanjas de grava.
- Pozos de venteo pasivos.
- Barreras.
- Sistema de colección a nivel superficial.
Figura 2.10.- Pruebas de extracción del biogás
Programa de Prueba: Condiciones Activas
Los resultados iniciales de monitoreo en EW-1 y EW-2 demostraron niveles de metano deaproximadamente 57 por ciento y niveles de oxigeno de aproximadamente 0.6 por ciento, conpresiones de vacío de alrededor de -0.9 a -3.1 pulgadas de columna de agua en cada pozo deextracción.La calidad de metano en EW-3 fue de 27 por ciento mientras el nivel de oxigeno fue de 0.8 por ciento yla presión del vacío de pozo fue de -4.0 pulgadas de columna de agua. Flujos de biogás en EW-1, EW-2y EW-3 fueron 6, 2, y 1 cfm.Durante el primer día de prueba, EW-1 y EW-2 indicaron altos niveles de metano consistentemente(sobre 54%) y bajos niveles de oxigeno. Metano en EW-3 permaneció bajo 34% y con altos niveles deoxigeno (8% a 11.5%).
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Los flujos aumentaron, alcanzando 8, 4, y 7cfm en EW-1, EW-2 y EW-3 al terminar el primer día.La operación de prueba activa continuó hasta el 7 de abril. El monitoreo del contenido de metano yoxigeno de pozos y sondas ocurrió cada hora durante los primeros dos días de operación y luego tresveces al día durante el tiempo restante. Una grafica en al Fig. 2.11 presenta el contenido de metano enlos pozos e indican que los niveles de metano permanecieron altos para W-1 y EW-2 pero variabanpara EW-3 durante la mayor parte de la prueba.
Algo notable durante la prueba es el carácter cíclico de las concentraciones de metano en EW-3, queaumentaron por la tarde. Esto indica el efecto de las fluctuaciones de presión atmosférica que influyenlos niveles de filtración de aire en el relleno sanitario cerca de las chimeneas. La grafica del contenidode oxigeno en la Fig. 2.12 confirma el carácter cíclico de la filtración de aire en el relleno sanitario en lacercanía de EW-3.
Figura 2.11.- CONTENIDO DE METANO EN LOS POZOS DE EXTRACCIÓN
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Figura 2.12.-CONTENIDO DE OXIGENO DE LOS POZOS DE EXTRACCIÓN
Los flujos de biogás durante la prueba de extracción de biogás fueron calculados con la presióndiferencial monitoreada en los pozos utilizando los platos de orificios.
Durante la prueba de extracción de biogás, SCS evaluó los datos de monitoreo obtenidos por ETEISA.Los datos de flujo de los pozos de extracción indicaron flujos consistentes. Los flujos en cada pozopermanecieron generalmente entre los 6 y 8 cfm, y no excedieron los 9 cfm.
Personal de SCS regreso al relleno sanitario el 6 de abril para revisar las operaciones de monitoreo yfue determinado que el plato de orificio de ½ pulgada en los pozos es eran muy pequeños.
Estos fueron reemplazados con platos de orificio mas grandes (3/4 pulgadas) e inmediatamente losflujos aumentaron de 7-9 cfm a 20-21 cfm. La Fig. 2.13 muestra los flujos en cada pozo de extraccióndurante el periodo de la prueba de extracción de biogás.
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Figura 2.13.- FLUJO DEL BIOGÁS DE POZOS DE EXTRACCIÓN
A continuación presenta las presiones diferenciales en los pozos de extracción y los flujos durante elperiodo de flujos mayores (6 y 7 de abril). Los flujos de biogás sin ajuste obtuvieron durante eseperiodo el promedio de 20 cfm en cada pozo.
Como el contenido de metano en EW 1 y EW 2 obtuvieron un promedio de casi 55%, comparado al46% de EW 3, el flujo con ajuste al 50% de metano de EW 1 y EW 2 resultaron más altos queEW 3. El flujo combinado total con ajuste a 50% de contenido de metano fue 61.4 cfm (36.2 m3/hr) Elflujo de 20 cfm por pozo es común en la industria para pozos de esta profundidad (aproximadamentede1 cfm/pie de tubería perforada).
Interpretación de los Resultados de la Prueba de Extracción de Biogás
SCS utilizó los resultados de la prueba de extracción de biogás durante la proyección de los índices derecuperación de biogás en el relleno sanitario. El proceso general par el uso de los datos de prueba deextracción de biogás es el siguiente:
• Estime el flujo máximo bajo condiciones de equilibrio alcanzable en el área de la prueba deextracción de biogás Este flujo es esencialmente el flujo máximo observado sin filtración de aire.Basado en los datos de la prueba de extracción de biogás SCS o opina que los datos obtenidos duranteel periodo de operación del 6 y 7 de abril (presentados en la Tabla 2-4) e se aproximan a lascondiciones máximas de equilibrio.
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El flujo promedio observado durante este periodo fue de 61.4 cfm (104 m3/hr) Típicamente, unsistema completo y normal de biogás obtiene un flujo mas bajo por pozo que los flujos de condicionesde equilibrio máximo logrados durante la prueba de extracción de biogás debido a la influenciassobrepuestas y la “competencia” entre los pozos.
Sin embargo, como la prueba de o extracción de biogás terminó antes de determinar si flujos mayorespodrían ser alcanzado a niveles de presión del vacío mayor sin la filtración de aire, SCS decidió noaplicar un factor reducido de seguridad a los índices de flujo antes de ajustar las proyecciones derecuperación de biogás.
• Estime el radio de influencia de los pozos de extracción. De acuerdo a lo antes presentado, existeevidencia de que la influencia del vacío se extiende a las sondas 25 metros de cada pozo. Basado enesto, SCS estima que el radio de influencia promedio de los tres pozos de extracción bajo las máximascondiciones de equilibrio es de 40 metros.
Utilizando un radio de influencia de 30 metros y una profundidad de residuos sólidos en el área de laprueba de extracción de biogás de 35 metros, el volumen de influencia de la prueba de extracción debiogás es de 198,000 m3 (66,000 m3/pozo).
• Estime el por ciento por volumen del relleno sanitario afectado por la prueba de extracción debiogás Para l un relleno sanitario existente con una área de aproximadamente 11 hectáreas y unaprofundidad promedio de 30 metros, el volumen actual del relleno sanitario es de 3,300,000 m3. Elvolumen de influencia de la prueba de extracción de biogás de, aproximadamente 198,000 m3,representa aproximadamente 6.0 por ciento del volumen total del relleno sanitario.
Proyectando el flujo de recuperación de la prueba de extracción de biogás al volumen total de rellenosanitario, se estima que la recuperación total de biogás del relleno sanitario completo sea1,0223 cfm (1,738 m3/hr). Los resultados sostienen las proyecciones de recuperación de biogás, queestimó el índice potencial de recuperación para el 2005 de 1,024 cfm (1,740 m3/hr).
Red de captación del biogás.
Para conducir el biogás que es captado a través de los pozos de extracción, es indispensable la
instalación de tubos de PVC de 15 a 20 cm. de diámetro, los cuales estarán conectados a sopladores
para ejercer una presión de vacío en el sistema de captación y conducción. El diámetro del tubo
deberá ser lo más amplio posible para reducir las pérdidas de carga debido a la fricción.
Los tubos mencionados pueden colocarse subterránea o superficialmente; sin embargo, en la práctica
es más recomendable colocar el sistema en forma subterránea, debido a que de este modo se
minimiza el riesgo de que la red sea dañada por acciones de vandalismo o, simplemente, durante el
mantenimiento del sitio. Además, cuando se tiene una red a nivel superficial, el uso propuesto para el
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sitio se ve limitado. En la figura 2.16 se presentan los diferentes componentes que integran una red
de biogás
Figura 2.14 Componentes de la Red de Biogás
El relleno sanitario actualmente no tiene un sistema de control y extracción de biogás pero sí tienepozos de ventilación pasiva (chimeneas) del biogás a cada 40 m. Las chimeneas fueron construidasdesde el fondo del relleno sanitario hacia arriba con piedras de 10centímetros de diámetro. Una vezque los pozos llegan a su grado de terreno final o intermediario, las chimeneas son terminadascondrones de 55 galones soldados. (Figura 2.16).
2.3.2.- Sistema de Conducción
El sistema de conducción consiste en la construcción de una red de tubería para transportar el biogásdesde los pozos de captación hasta la planta de extracción. El sistema de tuberías de conducciónincluye lo siguiente:
a) Tubería de diámetros de 4, 6, 8, 10, 12, 14 y 18 pulgadas, los cuales conectan los pozos.b) En el inciso (a) la tubería de los diámetros se determinan por medio de los siguientes factores:
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La dimensión del terreno
La determinación de cuantos pozos de venteo se van a realizar
Cuanta basura hay en el relleno sanitario
c) Subcabezales que conectan a grupos de pozos.
En el inciso (b) como lo muestra la figura 2.4, se ve como se determina un cabezal ya que estodo el conjunto de subcabezales, un subcabezal es el grupo de pozos de venteo que serealizan en el relleno; la dimensión de los subcabezales siempre van a depender de la cantidadde pozos que este tenga. A continuación se muestra que es un subcabezal:
Figura 2.15 subcabezal
d) Cabezales que transportan el biogás desde los subcabezales hasta la planta de extracción.
Los arreglos de la red de tubería deberán facilitar el drenado de los líquidos para el manejo decondensados.
Las líneas de cabezales y las líneas laterales constituyen el sistema de conducción de biogás, el cual estransportado posteriormente hasta los sistemas de tratamiento.
La tubería transportadora se considera deberá ser superficial y en algunas partes subterráneas. Elmaterial a utilizarse en las tuberías es polietileno de alta densidad. El arreglo más común considerados líneas que confluyen en un punto al centro del relleno sanitario.
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2.3.3.- Sistema de Succión.
A través del sistema de succión se extraerá el biogás del relleno sanitario. Este sistema contempla 2sopladores centrífugos cada uno de ellos será capaz de manejar la mitad del flujo de biogás producido.
Los sopladores centrífugos no tienen virtualmente partes usables, cada impulsor es balanceadoindependientemente y el ensamble rotacional es dinámicamente balanceado por un liso seguro,operación libre de vibración (no excediendo 0.28"/segundo de velocidad).
El rendimiento superior de los sopladores Hoffman y bombas de vació es atribuido para el diseño ycaracterística de calidad de cada unidad fabricada.
Las cubiertas de los sopladores centrífugos, constan de una serie de verticales divididas ensecciones posicionadas entre hierro fundido de entrada y mando de salida.
Las conexiones de la cabeza esta levantado y fluye lentamente para conformar hasta 125 LB,norma ASA.
Las carcasas Hoffman ofrecen una substancial diferencia de presión de una taza de 25 PSIG. Anillos de flecha de carbono segmentado, los sellos preventivos de filtración de aire y gas,
protegen el balero lubricante de la contaminación. Los valeros de balines antifricción soportan la rotación de ensamble en cada extremo los
cuales están montados en la cabeza de los baleros, fijada con pernos a la fundición de lacabeza.
Los valeros están asilados de la corriente de aire por el sello del anillo de carbono y esaccesible sin desensamblar de la máquina.
Lubricación.
Los sopladores Hoffman usan cada uno un sistema atmosférico de salpicado de aceite o grasa para lalubricación de los valeros, generalmente aquellos en bajar el rango de volumen (Aproximadamente5,000 CFM) esta equipado con grasa de lubricación, la cual permite un amplio rango de operación entemperaturas de -20øF a 300øF, todas las unidades en este rango pueden ser solo equipadas con unsistema opcional de lubricación de aceite.
Se ha considerado que el sistema de succión de biogás deberá captar de manera independiente elbiogás de las dos líneas. Los sistemas de succión que cubren la superficie del relleno sanitario, deberáncontrolar además, el impacto a la calidad del aire y los olores.
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El sistema activo de succión debe incluir los siguientes componentes:
Planta de extracción del biogás
Sistema de control eléctrico o mecánico para la operación de la planta
La planta de extracción incluye componentes mecánicos y eléctricos del sistema que capta el biogásque se genera en el relleno sanitario. Los siguientes factores y criterios que se han considerado paraseleccionar el sitio en donde se establecerá la planta:
Restricciones de ley y condiciones legales del suelo
Acceso al sitio
Cercanía al suministro de energía y al sistema de drenajes
Ruido potencial e impacto visual
Consideraciones en la utilización del biogás, incluyendo la cercanía a las instalacioneseléctricas de interconexión, la tubería de gas natural y a consumidores potenciales decombustible.
Posibilidades de uso futuro para el aprovechamiento del biogás de otras trincherascircundantes, que se irán clausurando con el tiempo.
Los componentes principales de la planta de extracción se integra con:
Separador de condensados y tanque de almacenamiento con un sistema de bombeo
Tubería y válvulas
Medidores de gas
Extractores
2.3.4.- Sistema de Quemado.
El sistema de quemado tiene el propósito de disponer de los excedentes del biogás que no se utilizanen la planta de generación de energía.
En la mayoría de los casos el biogás captado en los rellenos sanitarios que no es utilizado oaprovechado, generalmente es quemado.
Se considera localizar a los quemadores de biogás, en la planta de extracción de biogás. Los sistemasde control también son incorporados dentro de las instalaciones de la planta de extracción.
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Figura 2.16.- Quemador Abierto
2.3.5.- Sistema de limpieza (tratamiento del biogás).
El biogás contiene metano, bióxido de carbono, trazas de ácido sulfhídrico e hidrocarburos clorados ygeneralmente se encuentra saturado de vapor de agua. Cuando el biogás es extraído del rellenosanitario se encuentra caliente y también, puede contener pequeñas cantidades de nitrógeno yoxigeno proveniente del aire atmosférico.
En los resultados de los análisis del monitoreo que deben ser realizado al biogás, es importantedeterminar las concentraciones de ácido sulfhídrico presente en la mezcla, puesto que sólo en el casode que esta sea muy baja, es posible eliminar el sistema de tratamiento o limpieza, dejandoúnicamente un equipo para eliminar la humedad presente en el biogás.
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El sistema de tratamiento del biogás incluirá remoción de humedad y de partículas.
Figura 2.17 Separador de Humedad
2.3.6- Sistema de Suministro.
El sistema de suministro está estrechamente relacionado con los requerimientos de los equipos degeneración de energía, por lo conforma parte de los temas aprovechamiento energético.
En resumen los equipos requeridos para el manejo y producción del biogás son los siguientes:
Construcción de pozos de captación
Instalación de red de conducción
Instalación de sistema de succión (Sopladores)
Instalación de sistema de quemado (Quemadores)
Instalación de sistemas de limpieza y suministro
Instalación de un cuarto de máquinas
Instalación de la central de aprovechamiento energético (para el caso deenergía eléctrica):
Generadores
Transformadores
Interruptores
Barra de interconexión
Tablero de control
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2.4.-Acondicionamiento del relleno sanitario
Figura 2.18.- Acondicionamiento del terreno
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Figura 2.19.- Acondicionamiento del terreno (continuación)
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En la figura 2.29 para la perforación y localización de los pozos se determina a partir de cómo fueacondicionado el terreno.
Figura 2.20 .-Perforación del Pozo
En la figura 2.30 es donde se forman las redes de captación y conducción del biogás por medio desondas utilizándolas como tuberías.
Figura 2.21 .-. Tubería de Conducción
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Figura 2.22.- Conexión de las Tuberías de Extracción a la Tubería de Conducción
Figura 2.23 Sistema Conceptual para el control de biogás.
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Figura 2.23 Sistema Conceptual para el control de biogás.
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3.-Optimización del proceso
3.1-Análisis de condiciones actuales de relleno sanitario de Querétaro
Es el establecimiento y determinación de las condiciones físicas y de contexto que se encuentranasociadas a la producción de biogás en un determinado sitio de disposición final, como son:
Aspecto Parámetros Asociados a la Generación deBiogás
Cantidad de Residuos Sólidos Urbanosdepositados
Mas de un millón de toneladas dispuestas
Humedad de los residuos en el estrato Precipitación pluvial mínima y máxima anual200 mm a 1000 mm
Clima Temperatura promedio anual 15ºC a 30ºC
Composición de los residuos sólidosdepositados
Contenido de materia orgánica mayor al 40 %
Antigüedad del sitio de disposición Tiempo medio de biodegradaciónmínimo 1 año máximo 6 años
Profundidad o Altura de las capas Mínimo 10 metros
Tabla 3.1.- Aspectos del Relleno Sanitario
Residuos Sólidos Depositados
El volumen de residuos sólidos confinados es fundamental ya que entre mayor es, mayor será lacantidad de materia orgánica y por ende mayor el volumen de biogás.
Entonces para que un sitio cuente con una producción de biogás factible a ser comercializado, se haconsiderado que éste tenga una cantidad mayor a un millón de toneladas dispuestas.
Humedad
La humedad está asociada con el porcentaje de agua que contienen los residuos sólidos dentro delestrato, por un lado la humedad propia y por otro la que reciben a través de la infiltración del aguapluvial y la descarga de lixiviados.
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Respecto al agua pluvial, se considera que rangos de precipitación anual entre 200 mm a 1000 mm,proporcionan una infiltración tal que los residuos alcanzan la humedad adecuada de mas o menos el80%, para que el proceso de biodegradación sea eficiente.
Clima
Está asociado a la temperatura que se alcanza en el estrato, a saber existen tres rangos de temperaturapara la digestión de residuales, el primero es el mesofílico (de 20 a 45 0C), el segundo es el termofílico(por encima de 45 0C). El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 0C .
El óptimo puede ser de 35 0C a 55 0C (Fair y Moor 1937 citado por Gunnerson y Stuckey 1986). La ventajade la digestión termofílica es que la producción de biogás es aproximadamente el doble que la mesofílica.
Un clima con una temperatura entre 15ºC y 30ºC es favorable para que se presenten en el estrato lascondiciones mesófilicas y termofilicas.
Composición de residuos
La composición de los residuos sólidos que se depositan deberá contener un porcentaje de materiaorgánica responsable directa de la producción del biogás, mayor al 40%; al respecto cabe decir que enMéxico la composición de los residuos sólidos urbanos es del 27% para materia inorgánica y 73% paramateria orgánica, lo cual muestra que se tiene un alto potencial de generación de biogás por la grancantidad de materia orgánica que se genera.
Antigüedad del Sitio
Es dependiente directa del tiempo que tienen los residuos sólidos desde que inician su biodegración.Sobre esto es importante mencionar la siguiente relación:
Velocidad Residuos Tiempo medio en años
De lenta biodegradación papel, cartón, madera,fibra dura vegetal
10
De medianabiodegradación
lodos, grasas 5
De rápida biodegradación residuos alimenticios, dejardinería,
1
Tabla 3.2.- Velocidad de biodegradación de los residuos sólidos orgánicos
La tabla anterior presenta el tiempo que tarda la materia orgánica en descomponerse, siendoentonces el rango de producción de biogás entre 1 y 10 años.
Teóricamente se tiene que la máxima producción de biogás se presenta entre un rango de 3 a 6 años.
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Por lo que se ha considerado que para que un sitio se considere prefactible para aprovechar el biogás,los residuos depositados deberán de tener mínimo un año y máximo 6 años.
Prefactibilidad
Es el estudio que permitirá determinar mediante una serie de investigaciones preliminares, laposibilidad de implementar con un alto grado de certidumbre un proyecto de aprovechamiento debiogás en su sitio de disposición final de residuos sólidos urbanos. Dichos estudios se efectuaránmediante un proceso secuencial de identificación, análisis y evaluación de barreras técnico ambiental,económico-financiero, legal, social y política.
Factibilidad
Es un estudio que tiene como propósito evaluar la viabilidad económica financiera y de estructura denegocio para realizar un proyecto de aprovechamiento de biogás; para lo cual será necesario llevar acabo los estudios de campo correspondientes que permitirán verificar la información preliminarobtenida en el estudio de prefactibilidad
Pruebas de Producción de Biogás
Para obtener la composición y los niveles de presión del biogás, se llevarán cabo dos pruebas unaestática y otra de corto plazo.
Prueba estática
La prueba estática se efectúa para determinar las condiciones iníciales del relleno sanitario, generainformación sobre presiones y flujos iníciales en el sitio. En esta prueba se tomarán mediciones de lospozos profundos en lo que respecta a concentraciones de gas, así como el flujo de gas en el pozo deextracción.
Prueba de corto plazo
Se realiza para determinar el vacío máximo aplicable en el cual no existe infiltración de aire dentro delrelleno. Se registrarán las concentraciones de metano, bióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno con elanalizador portátil.
Diseño de construcción de pozos
Para llevar a cabo las pruebas antes mencionadas y determinar el radio de influencia de los pozos deextracción se llevarán a cabo la perforación y construcción de pozos profundos y someros.
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-Evaluación de Opciones de Uso y Aprovechamiento
Con la información obtenida en cuanto a la cantidad y calidad del biogás se determina el uso potencialque éste ofrece: Usos del metano proveniente del biogás de un relleno sanitario
La energía acumulada en el metano proveniente del biogás de un relleno sanitario puede ser utilizadaen diversas aplicaciones. En principio, la selección del uso final del metano depende de lasnecesidades en energía sobre el sitio y en las poblaciones vecinas. Una vez que estas necesidades hansido bien identificadas, las opciones viables serán aquellas que sean compatibles con la cantidad y lacalidad del metano producido en el relleno.
Uso directo.
El uso local del biogás es frecuentemente la opción más simple y económica. En efecto, un gas derelleno de mediana calidad, puede encontrar variadas utilizaciones como por ejemplo:
Uso residencial (gas de cocina, generación de agua caliente y calefacción).
Combustible para caldera de calefacción comunitaria.
Diversos usos industriales en procesos que requieren calentamiento o generación devapor.
Todas estas opciones requieren que el gas sea transportado desde el punto de recolección hasta sulugar de utilización, generalmente en un gasoducto construido expresamente para este fin. Si ello esposible, se prefiere un punto único de utilización, de esta manera los costos de construcción y deoperación pueden ser minimizados.
Antes de ser transportado hacia los puntos de utilización, el biogás captado debe sufrir un proceso delimpieza mínima, en efecto, la humedad y las partículas son removidas haciendo pasar el biogás poruna serie de filtros y deshidratadores.
Después de la limpieza el biogás presenta un contenido en metano entre 35 y 50 % en volumen.
3.2.-Relleno Sanitario de la Ciudad de Querétaro
El relleno sanitario de la Ciudad de Querétaro es de residuos sólidos localizado en elKilómetro No. 5.5 en la Carretera Satélite-Mompani, en el cañón conocido como Miguelote. El lugarcuenta con 20 hectáreas (ha), del cual 15ha son para el uso de disposición de desechos. Las tierras delárea consisten mayormente una material de baja permeabilidad conocido como “Tepetate”, conpermeabilidad medida de 10-5 cm/sec.
El clima es considerado semi-árido, con una precipitación anual de 542 mm/año. El lugaroriginalmente operaba como un basural al aire libre; esta área no fue consideraba durante laevaluación de pre-factibilidad.
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El relleno sanitario comenzó a recibir residuos en septiembre del 1996. Hasta la fecha,aproximadamente 1.7 millones de toneladas de residuos han sido aceptado en 11 hectáreas. El rellenosanitario tiene una capacidad total de aproximadamente 6.1 millones de toneladas.Actualmente, el relleno acepta cerca de 300,000 toneladas diariamente. Considerando un aumentoanual de 1.5 por ciento de residuos, se calcula que el relleno sanitario alcanzara su máxima capacidadpara el 2015.
La construcción del relleno sanitario fue mediante una excavación de 6 metros de profundidad y lainstalación de una capa de arcilla de baja permeabilidad en el subterreno sobre una membrana depolietileno. Una capa de geomembrana con sistema de colección de lixiviados fue instalada sobre lamembrana de polietileno.
Los lixiviados son dirigidos por medio de gravedad a una laguna de evaporación. Una porción de loslixiviados son introducidos nuevamente al relleno sanitario por medio de algunos de los pozosexistentes y otra porción es regada sobre la superficie del relleno sanitario durante los mesesveraniegos para acelerar la evaporación.
Actualmente, los desechos son depositados en las Celdas 1 y 2. El máximo espesor de los residuos seráde 45 metros de profundidad para el cierre del relleno sanitario; hasta ahora el relleno tiene 40metros de profundidad y se espera que para el cierre del relleno. Las pendientes del relleno sanitariotienen una relación aproximada de 4H a 1V.
Las operaciones del lugar son manejadas por Mexicana del Medio Ambiente S.A. de C.V.(MMA) y por lo general son consideradas como operaciones modernas en México.La Tabla 3-1 resume el historial de disposición de residuos en el relleno sanitario y calcula la cantidadde residuos a recibirse en el futuro.
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Tabla 3.3 Datos Querétaro
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• Historia de Disposición de Residuos – El personal del relleno sanitario proveyó los índices dedisposición anual hasta septiembre del 2004. Los futuros índices de disposición se asumenaumentaran el promedio de 4.5 por ciento anualmente hasta que el Relleno Sanitario alcance lacapacidad de 6.1 millones de toneladas. La clausura del relleno está pautada para el 2015.
• Contenido de Metano – SCS ha estimado el contenido de metano futuro como 50 por ciento.
• Índice de Decaimiento de Metano [k] – El índice de decaimiento de metano está en función delcontenido de humedad en los residuos, la disponibilidad de nutrientes, el pH, y la temperatura. Comose ha mencionado anteriormente, SCS ha reconocido estas diferencias y consecuentemente hadesarrollado diferentes valores de k para niveles húmedos y secos, de una base de datos derecuperación de biogás. Para la evaluación del relleno sanitario de Querétaro, SCS empleo tresdiferentes valores de k basado en la degradabilidad de los diferentes componentes de los residuos (verla discusión en la alimentación del modelo presentado mas adelante).
• Potencial de Recuperación de Metano [Lo] – El Potencial de recuperación de metano es la cantidadde metano producido por una unidad de masa de residuos proveyendo suficiente tiempo. El Lo esta enfunción del contenido orgánico en los residuos. El valor de Lo es teóricamente independiente delcontenido de humedad, pero de acuerdo con los datos analizados, SCS ha encontrado que los valoresde Lo en sitios con poca precipitación son mucho menores a los de sitios con alta precipitación,indicando que el valor de Lo podría ser limitado por debajo de cierta cantidad de humedad.
Por lo tanto, SCS a derivado varios valores de Lo para sitios con alta precipitación y baja precipitaciónusando la base de datos de recuperación de biogás. Para el relleno sanitario de Querétaro, SCS uso unvalor basado en la precipitación anual promedio y se ajusto de acuerdo con las proporciones decontenido orgánico y humedad en rellenos sanitarios de Estados Unidos y los del este relleno sanitario(ver discusión en la alimentación del modelo presentada mas adelante).
• Cobertura del Sistema de Recuperación de Biogás. La cobertura del sistema es la medida de lafracción de los residuos que se encuentra bajo recolección activa. Este valor varía en base a losfactores descrito mas adelante. Le modelo estima tanto el potencial recuperable de biogás asumiendoque la cobertura del sistema es del 100 por ciento, como el total recuperable proyectado el cual sebasa en estimados de cobertura del sistema.
El factor de cobertura del sistema de biogás esta basado en criterio y considera varios factores entreestos están: si el relleno sanitario sigue activo o ya ha sido clausurad, el tipo de construcción del lospozos y el sistema, y el nivel de operación proveído, la rapidez de reparación de daños en el sistema,niveles de lixiviado en la masa de residuos, etc. Este valor cae en un rango del 0 (para rellenos sinsistema) al 100 por ciento (para rellenos con sistema excelente).
Modificaciones en la cobertura del sistema puede variar si se espera que el sistema de recolección seaexpandido periódicamente o si otros cambios al sistema son anticipados. (Por ejemplo, cierre delrelleno o cubierta parcial, flujos aumentativo debido a la presencia de material de relleno adicional).
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Rellenos sanitarios activos tienden a tener mas bajo factor de cobertura que los que han sidoclausurados debido a las interferencias causadas por las operaciones.Para esta evaluación, SCS empleo tres escenarios diferentes. Estos tres escenarios asumen que elsistema de recolección de biogás es integral y que será continuamente expandido a las nuevas áreasde disposición. Los estimados de cobertura del sistema también tomaran en cuenta la profundidadestimada de 30 a 45 metros, asume el uso de operaciones adecuadas de manejo de lixiviado talescomo bombeo de lixiviado para evitar acumulación en los pozos de extracción, si este esta presentedado a la clima árido.
Las diferencias en los escenarios reflejan diferentes suposiciones relacionadas con el nivel dehabilidades y recursos empleados en la operación y mantenimiento del sistema para maximizar larecuperación. Los resultados de cada escenario son los siguientes:
1. El escenario de recuperación baja supone que un nivel moderado en las habilidades y recursosempleados en la operación y el mantenimiento.La cobertura del sistema mientras el relleno este en operación (2008 – 2015 bajo el escenario) será de50 por ciento. Comenzando en el 2016, después de la clausura del relleno sanitario, la cobertura delsistema se incrementara a 60 por ciento. SCS considera que los estimados bajos de recuperación sonmuy conservadores y deberán solo ser usados para evaluaciones económicas con un margen alto deseguridad.
2. El escenario de recuperación media asumió que un nivel moderado alto de habilidades y recursosson empleados en la cooperación y mantenimiento del sistema de recuperación.La cobertura del sistema en el 2005 mientras el relleno este en operación (2008 – 2015) será de 75 porciento. Comenzado el año después de la clausura del relleno sanitario (2016), la cobertura del sistemase incrementara a 80 por ciento. SCS considera que los estimados medios de recuperación son los másadecuados en cuanto a la recuperación de biogás y los recomienda su uso para hacer una evaluacióneconómica.
3. El escenario de recuperación alta asumió un posible nivel alto de habilidad y recursos en laoperación y mantenimiento del sistema. La cobertura del sistema en el 2005 mientras el relleno esteen operación (2008 –2015), será de 95 por ciento. Comenzado el año después de la clausura delrelleno sanitario (2016), la cobertura del sistema se incrementara a 100 por ciento. SCS considera quevalores altos de recuperación son bastante ambiciosos y difícil de lograr al menos que elmantenimiento y operación del sistema este considerada dentro de las prioridades principales.
Es importante notar que además de la variabilidad de la cobertura del sistema y el nivel de operación ymantenimiento, también existe la incertidumbre intrínseca que presenta el modelo matemático. SCSconsidera (y trata de tomar en cuenta) que la incertidumbre intrínseca en el modelo al momento deseleccionar los valores para los escenarios de recuperación alta y baja en la estimación de larecuperación de biogás.
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Alimentación del Modelo--Para estimar los parámetros: índice de decaimiento del metano (k) y el potencial de recuperación demetano (Lo) para el relleno sanitario, SCS tomo en consideración la composición típica de los residuosdispuestos en el relleno sanitario de Querétaro. SCS comparo la composición de los residuos del sitiocon los datos de caracterización de la USEPA. Estos datos están presentados en la Tabla 3.2
COMPARACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE RESIDUOS (%)
Tabla 3.4 composición de residuos
Una diferencia importante en particular entre las dos series de datos es que los residuos del RellenoSanitario de Querétaro contiene una cantidad mayor de residuos de comida y “otros orgánicos” (elcual es altamente degradable) comparado con los residuos típicos de Estados Unidos.
Debido a que residuos de comida es altamente degradable, produce biogás más rápido, pero en unperiodo más corto. Por lo tanto, una grafica de recuperación de biogás para residuos con contenido decomida, poda y otros residuos de alta degradación mostrara una pendiente bastante pronunciada(alcanzando el flujo máximo más rápido) en un periodo de tiempo menor que una para residuos demenor degradación. En el modelo, este efecto se refleja en el parámetro k (índice de decaimiento demetano).
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3.3 Equipamiento para la mejora del proceso:
La producción de biogás es un proceso laborioso que incluye muchas tareas además de llevar unasecuencia como la que se muestra en el diagrama de la figura 3.1
Figura No. 3.1 Secuencia de obtención de biogás
Como lo habíamos observado y analizado en la ilustración se comprenden las etapas del proceso, ytambién se muestran los equipos que se utilizan en el proceso:
Figura No. 3.2 Ubicación de quipos del proceso de obtención del biogás
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Los equipos para la obtención de biogás son los siguientes:
1.- Pozos de extracción (Celdas de confinamiento)2.- Aumentadores secundarios3.- Múltiples de conducción del biogás4.- Filtro5.- Analizador de gas.6.- Bombas de Vació7.- Quemador de excedentes8.- Motogenerador
Del enlistado anterior, los pozos de extracción, los Aumentadores secundarios, los múltiples deconducción del biogás y el filtro, serán los mismos, ya que es la forma en la que operan y sondiseñados exactamente para lo que el proceso requiere.
A razón de la bomba de vacío se hacen las siguientes observaciones y se da el equipo empleadoactualmente en el proceso y se acompaña con la descripción del equipo para el mejoramiento delmismo junto con su tabla comparativa 3.4:
En el proceso actual la bomba utilizada es horizontal de una sola etapa, con aspiración axial eimpulsión radial, impulsor montado en voladizo hidráulicamente equilibrado.
La lubricación de los rodamientos es por aceite. La bomba puede suministrarse indistintamente con empaquetadura de trenzas y
prensaestopas o con cierres mecánicos normalizados. Prestaciones hidráulicas y dimensiones unificadas de acuerdo con la norma EN 733 (DIN
24255/NF 44111).
3.3.1.-Bomba de anillo líquido
Las bombas de vacío de anillo líquido tienen una construcción simple pero robusta, con las siguientescaracterísticas:
Compresión casi isotérmica
Sin lubricación interna libres de aceite.
Capacidad de manejar la mayoría de gases y vapores.
Tolerancia a la entrada de líquidos y sólidos.
Diseño simple para materiales resistentes a la corrosión.
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Las bombas de anillo líquido constan de una carcasa mandrilada cilíndricamente, en la cual el rotor seencuentra dispuesto excéntricamente. La carcasa se llena parcialmente de líquido (denominadolíquido de servicio) y con el giro del rotor, se transforma en un anillo hidráulico que se adhiere a lacarcasa.
De esta forma, con el núcleo del rodete del rotor dispuesto excéntricamente, un área de trabajofalciforme que es dividido por los álabes del rotor.
Desventajas:
Alto poder de absorción
El fluido de proceso y el fluido auxiliar (anillo líquido) se mezclan generando contaminación
Figura 3.3 Imagen de bomba de vacio
63
Tabla 3.5 Características técnicas de la bomba
64
Los criterios para la selección de la bomba son:
1. Capacidad requerida, así como cantidad máxima o mínima de líquido que debe descargar labomba.2. Naturaleza del líquido a trasegar.2.1. Fluidos con partículas (sólido en suspensión).2.2. Fluidos líquidos.3. Viscosidad aproximada del fluido.4. Condiciones de succión y descarga.5. Tipo de servicio (constante o intermitente).5.1 Horizontal.5.2 Vertical (foso lleno o foso seco).6. Posición en que se instalará la bomba.7. Tipo y características del accionamiento de la máquina.8. Ubicación de la instalación (disponibilidad de espacio).9. Rango de velocidades en que trabajará la bomba.10. Temperaturas máximas a que estará expuesto el conjunto motor- bomba.
De acuerdo a las condiciones anteriores se da la propuesta del siguiente equipo:
3.3.2.-Bombas turbinas de eje vertical
Diseñados para un amplio rango de servicios industriales, municipales, marinos y agrícolas.
Capacidades hasta de 80,000GPM (18,168 m³/hr) Cabezas a 3500 pies (1070 m) Temperaturas a 120˚ F Presiones hasta de 275 PSIG Configuraciones Flexibilidad del sistema de sellado: permite amplia selección de sellos y empaquetaduras Motor de eje hueco permite ajustes al punto de operación Construcciones disponible para operar altos contenidos de arena Aleaciones especiales como ser Níquel-Aluminio-Bronce y Acero Inoxidable 316SS para líquidos
corrosivos. Cabezales de descarga de varias Impulsores cerrados y semi-abiertos Anillos de desgaste para Impulsor y/o tazón Tazones de hierro fundido bridados revestidos de Vitra Glass Altas Eficiencias garantizan menores costos operativos
65
Figura 3.4 bomba turbina eje vertical
Servicios y Aplicaciones
Bombeo de Pozos Torres de enfriamiento Sistemas “Booster” Agua de mar Equipos de rebombeo Alimentación de caldera
Montajes:
Las bombas turbinas son por diseño, limitados a instalaciones verticales. No obstante, dentro de esterango, existe una gran flexibilidad de instalaciones. Se pueden instalar en pozos, en lagunas y encisternas. Se pueden instalar dentro de barriles presurizados con succión positiva, en línea,subterránea o sobre el nivel del terreno.
.
66
De los datos anteriores se llega a la siguiente tabla comparativa donde la bomba sugerida es másfactible:
BOMBA PROPUESTA BOMBA UTILIZADA
.Automática y segura. -Automática y segura.
- Tazones de hierro fundido bridadosrevestidos de Vitra Glass
- Camisa exterior y tornillería en acero
Anillos de desgaste para Impulsor y/otazón
- Rodetes y difusores en Noryl, concamisas de difusores y anillos.
- Facilidad en las operaciones dedesmontaje y sucesivo montaje,garantizan un mantenimiento rápido,fiable y económico.
- Cuerpo de aspiración en bronce eimpulsión en latón.
-Motor de eje hueco permite ajustes alpunto de operación
- Eje en acero inoxidable AISI 430F yacoplamiento en AISI 316 sinterizado.
-Proyecta mayor tiempo de vida por elmaterial con que están hechos suscomponentes.
-Su tiempo de vida es corto ya que susmateriales no cuentan con laspropiedades del medio de operación.
-Su mantenimiento puede ser solopreventivo, ya que solo seria por rutina eldarle una limpieza o cualquier otroservicio.
-Su mantenimiento es constante.
No hay mezcla de fluidos. Alto poder de absorción, mezcla de fluidodel proceso con fluido auxiliar generancontaminación.
Tabla No. 3.6 comparación de bombas
Resumiendo la tabla 3.4 y mostrada las comparaciones entre los equipos demostramos claramente lasventajas y los beneficios de emplear el equipo propuesto destacando que es un equipo seguro y nocontaminante.
67
3.4.-Motogenerador
Un motogenerador consta de un motor eléctrico y un generador conectados mecánicamente demanera que el motor hace girar al generador. El motor suministra así la energía mecánica que elgenerador transforma en energía eléctrica. Tanto el motor como el generador suelen estar montadossobre la misma base y pueden moverse e instalarse como una sola unidad.
Figura No. 3.5 Motogenerador GAUSCOR
68
Tabla3.7.-Caracteristicas del motogenerador guascor
69
En la utilización de este equipo se consiguen numerosos efectos beneficiosos para el medio ambiente,además de la generación eléctrica se produce energía térmica la cual puede utilizar como calefacciónen invernaderos u otras instalaciones cercanas al vertedero y susceptibles de consumir esta energía.
FIGURA 3.6.- Ventajas de equipo
Para darle un mejor ambiente de operación o todo el proceso, se propone utilizar módulos-gabinetesestos obviamente los protegen del medio ambiente, suciedad, humedad, temperatura, etc. Acontinuación se presentan los gabinetes antes mencionados de la marca GAUSCOR:
Figura 3.7.-Módulos-Gabinetes para protección de equipos
70
El motogenerador a proponer es de una marca llamada JENBACHER en la cual el parámetrodeterminante de la resistencia de denotación de un gas, es comparable al número de octano de lagasolina e indica el porcentaje de metano en volumen de una mezcla de gas metano e hidrógeno queen una prueba de laboratorio presenta la misma resistencia a la denotación del gas en cuestión.
Composición típica de biogás de R.S.U es:CH4 = 35 - 65%CO2 = 35 – 55%N2 = ~ 10%O2 = < 5%Trazas de H2S, Si y otros contaminantes.
Figura 3.8.- Graficas de composición de gases
También representa que el esquema para el aprovechamiento de Biogás es el siguiente:
Las particularidades con las que cuenta este motogenerador:
son específicamente concebidos para gas
diseño robusto y duradero del motor (overhaul a las 60,000 horas), así como de las cabezas de
cilindros (vida útil de hasta 20,000 horas).
Cilindros de geometría y dimensiones optimas para la utilización de gases pobres.
Configuración en “V” de los cilindros, compacto y de bajo nivel de vibraciones.
Colector de escape seco y situado en el exterior de la “V”para facilitar el acceso y reducir el
tiempo de paro por mantenimiento.
71
Turbocompresor ABB tipo TPS de ultima generación que permite evitar perdidas de potencia
por altura de instalación o temperatura ambiente elevada.
Bomba de agua mecánica y bajo consumo de equipos auxiliares.
Sistema de control de emisiones LEANOX, rápido y eficaz. No precisa de sensores en la cámara
de combustión ni sonda de oxigeno en los gases de escape del motor.
Sistema de control basado en tecnología PLC programable íntegramente desarrollada GE
JENBACHER.
Alimentación a baja presión (~ 50 mbar)
Mezclador de gas de diseño propio capaz de actuar en un rango muy amplio de variaciones del
poder calorífico del gas (gas de relleno sanitario con tan solo 35 % de CH4).
By-pass de turbo para compensar variaciones de carga y de temperatura ambiente.
Sistema de comunicación remota para diagnostico y mantenimiento HERMES.
72
Tabla 3.8 Características Técnicas del Motogenerador GE Jenbacher
73
El motor Jenbacher J624 GS
GE presenta el primer motor a gas de 24 cilindros del mundo para uso comercial. El motor JenbacherJ624 GS, con capacidad de suministrar energía a 9.000 familias europeas, supone un gran salto en latecnología de motores a gas. Tras dos años de desarrollo, este producto único, fruto de nuestra ampliaexperiencia, incorpora una nueva solución a nuestro catálogo de motores a gas. Funciona con diversoscombustibles, con la finalidad de proteger el medioambiente. Nuestro primer cliente será unacompañía explotador de invernaderos de los Países Bajos, que en 2009 comenzará a usar el motorpara la producción en serie.
Características del producto
24 cilindros / 1.500 rpm• Alta potencia concentrada• Bajo consumo de combustible específico• Diseño compacto• Sistema de vibración diferenciado
Flexibilidad de combustible
El J624 ofrece la misma flexibilidad de funcionamiento con diversos combustibles que el resto de losmotores Jenbacher
• Gas natural• Biogás• Gas de vertedero• Gases de efecto invernadero• Gases de desechos industriales• Gas de mina de carbón
El Nuevo, Potente J624 GS
Los beneficios de este motor para los clientes incluyen alta potencia concentrada, costos bajos deinstalación y operatividad, bajo consumo de combustible específico y un alto rendimiento derecuperación de calor.
74
Especificaciones técnicas del J 624 GS
Número de cilindros / disposición: 24 / V 60°Combustión: Principo de mezcla pobre LEANOXDiámetro interior: 190 mm
(7,48 pulgadas)Recorrido: 220 mm
(8,66 pulgadas)Velocidad: 1.500 rpmDimensiones del grupo electrógeno(en metros):(en pulgadas)
(largo x ancho x alto)11,6 x 2 x 2,5456,69 x 78,74 x 98,42
Peso del grupo electrógeno: 43 toneladas
Tabla 3.9 Especificaciones del equipo
Sistema de control de emisiones (LEANOX) que contiene y como opera
El sistema de control de emisiones LEANOX es el siguiente:
Figura No. 3.9 Sistema de control de emisiones
Para el motogenerador propuesto se ha considerado porque cuenta con un sistema de control deemisiones de gases, que se puede mejorar aplicando técnicas de control tomando como base eldiagrama de la figura 3.9.
75
Las técnicas de control a proponer son:
Figura 3.10 DTI de la mejora del proceso
Para la alimentación segura de dicho proceso se planea tener un tanque de almacenamiento donde seubica el primer lazo de control, el cual tiene como función lograr una presión constante, ademas deinstrumentos de control, empleados la mayoría para el flujo del gas, y para la supervisión van a serindicadores de presión y flujo.
76
En el tubo de escape, se localizara un analizador de combustión que nos permita tener el dato de lacantidad de CO2 (dióxido de carbono) existente a la salida de la combustión, la función es verificar lacomposición de gases que va al medio ambiente y evaluar la calidad de la combustión.
El dato de la concentración de dióxido de carbono (CO2) va a ser el punto de ajuste del controlador,que si no esta en los parámetros correctos, el control deberá de realizar los ajustes correspondientes,de donde mandara una señal para que sea modificada mezcla aire-combustible.
En el tanque de almacenamiento se consideran indicadores de presión para la supervisión y válvulasde corte para el control de llenado.
Para el sistema de control del proceso se crea la siguiente arquitectura de control:
Figura 3.11 Esquema de control del proceso
La Tabla 3.10 que a continuación se muestra permite dimensionar la cantidad de equipo de control, enella podemos observar el tipo de señales analógicas 4-20mA y señales discretas de 24 VCD.
77
El dimensionamiento de este sistema esta íntimamente relacionado con la cantidad de señales que setengan de cada una de ellas, en el caso de las señales analógicas la suma de estas es de 6,considerando se debe de cumplir con el porcentaje de seguridad para uso a futuro (20%) esto implicaque se debe de tener 2 entradas adicionales dándonos como resultado la necesidad de 8 entradas,esto implica tener un modulo de 8 entradas.
El ejercicio para la señales de entradas y salidas discretas es semejante al ejercicio anterior, de igualmanera se realiza para las señales analógicas de salida, el resultado de esto se puede apreciar en latabla 3.10.
ENTRADAS SALIDASANALOGICAS DISCRETAS ANALOGICAS DISCRETAS
PIT-001 PBA-001 PCV-01 SV-001FIT-001 PBP-001 PCV-01 SV-002FIT-002 HS-001 PCV-02 SV-003TIT-001 PSH-001 PAL-001PIT-002 PSL-001 PAH-001AIT-001 FSL-001 ILO-001
ILF-001MT-001
8 entradas 8 entradas 8salidas 16salidas
Tabla 3.10 Listado de entradas y salidas para el controlador
En la figura 3.12 se muestra el arreglo físico de lo módulos del sistema de control que incluye:
Modulo de control Modulo entradas analógicas Modulo de salidas analógicas Modulo de entradas discretas Modulo de salidas discretas Fuentes de alimentación Modulo de comunicación
78
Figura 3.12 Módulos de operación para el PLC
A continuación se muestra la tabla de consumo de energía de los módulos del sistema, este permitedimensionar el consumo máximo para determinar la cantidad de fuentes de alimentación modular.
TIPO CONSUMO CANTIDAD AMPERES
MODULOS DEENTRADAS
ANALOGICAS
0.8 1 0.8
MODULOS DE SALIDASANALOGICAS
0.8 1 0.8
MODULOS ENTRADASDISCRETAS
0.8 1 0.8
MODULOS DE SALIDASDISCRETAS
0.8 2 1.6
MODULOS DECONTROL
1.5 1 1.5
MODULO COMUN 1.2 1 1.2
TOTAL 5.1
Tabla 3.11.Consumo de energía de módulos
Dimensionamiento de la alimentación del sistema de control.
79
El dimensionamiento del sistema se realiza en base al consumo individual de cada uno de los módulos,considerando que el modulo de control tiene un consumo de 1.5 amperes, los módulos de entrada ysalida su consumo es de 0.8 amperes y el modulo de comunicaciones requiere de 1.2 amperes
En la tabla 3.11 se muestra lo siguiente:
Si cada fuente de alimentación tiene 2.5 Amp y el consumo máximo es de 5.1 A, cumpliendo con elrequerimiento de uso a futuro que nos solicita el 20% esto implica que nuestro sistema debe tener5.1 x 1.2 = 6.12.
La cantidad de módulos de alimentación modular será 6.12/2.5= 2.44 de esto se deduce que tenemosla necesidad de 3 módulos de alimentación para el sistema.
En el sistema secuencial tiene como condiciones de operación:
Baja presión
Presión estable o normal
Flujo necesario de combustible
Flujo necesario de aire
El sistema de control analógico cuenta con las variables:
Flujo-aire
Flujo-combustible
Presión de combustible
Corrección de dióxido de carbono.
El sistema de arranque y paro controla válvulas de corte, ignitor (piloto de encendido), botoneras einterruptores de baja presión y bajo flujo y disparo de emergencia.
Adicionalmente se agrega:
Interruptor de flujo mínimo (FSL)
Interruptor de alta presión del combustible (PSH), control de disparo
Interruptor de baja presión del combustible (PSL), permisivo.
80
En la siguiente figura se muestra el esquemático de control de combustión, a razón de la mezcla aire-combustible:
Figura 3.12 Esquemático de control de combustión
81
Esquemático de control de presión de descarga en el tanque:
Figura 3.12 Esquemático de control
Aquí se muestra el diagrama de control regulador de presión de gas:
Figura 3.13 Diagrama de control normado por la ISA
82
Para el monitoreo de este proceso se determina una interfaz (HMI) que llevara el monitoreo y controlde alarmas.
El flujo de alimentación va a operar del 10% al 85% dando así los parámetros de alarma en dondemenos del 10% es una alarma por baja presión y rebasando el 90% se dispara la alarma por altapresión.
En dicho monitoreo se crea una pantalla en Visual Basic en donde se representan alarmas de formavisual, la alimentación por medio de una grafica y se establece un cuadro de datos.
Encendido luz verde.
Paro del equipo luz roja
Alarma por alta presión luz naranja
Alarma por baja presión luz amarilla
El comportamiento de la variable a controlar se va a expresar por medio de una grafica cartesiana(flujo VS tiempo).
Se registra en una tabla de datos la siguiente información:
Fecha de registro
Hora de registro
Tipo de alarma
Tipo de variable.
Los elementos esenciales del sistema se basa en hardware y software para el control, este incluye:
La interfaz Hombre-Máquina (HMI). El PLC (controlador lógico programable). Sistema de comunicación.
El software a utilizar es visual basic el cual cuenta con un editor llamado Toolbox (caja deherramientas) el cual realiza:
Elaboración de tendencias e históricos Gráficos que representen procesos, con objetos dinámicos con función de introducir o
desplegar información (pueden ser Slider, luz indicadora, cuando una variable cambia oaparece una condición)
Monitorea entradas/salidas Selecciona señales, discretas y analógicas de control, las que se muestran en bloques del
programa, por medio de ventanas.
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Este software también se emplea para:
Introducir datos Manejar bases de datos Elaborar reportes Controlar alarmas Tener comunicación con dispositivos externos Se puede exportar información a otro modulo o equipo Permite hacer una lógica de control para generar el conteo de emisiones. En este tipo de control se puede llevar acabo reemplazo de tarjetas de I/O en operación,
cambios en línea en el software y también generar nuevos programas en visual basicutilizando el editor Toolbox, agregar/configurar puntos de I/O (analógicas y digitales)
Agregar / modificar alarmas, tener una red de datos de unidad. Cuenta con un editor de secuencia de control, bloques de captura de datos, grabador de
datos dinámicos (DDR), protocolo de tiempo de la red (NPT) y poder modificar el registrode disparos.
En las técnicas de control propuestas se asegura un índice de aire-gas correcto bajo cualquiercondición de funcionamiento para minimizar las emisiones de gases de escape y mantener unfuncionamiento del motor estable.
3.4.1.-Visión del control de equipos
Por medio de Intouch se propone controlar un sistema de equipos de fácil manejo. Por medio de unapantalla de gráficos a color que proporciona una visión general y clara de toda la información. Esteinstrumento de diagnostico incluye un sistema de alarma eficaz con todas las fechas de los mensajesde error grabadas y presentadas de una forma clara en una tabla.
Características y ventajas:
La presentación de pautas en distintos colores permite una evaluación precisa de varios parámetroscomo por ejemplo la frecuencia de errores en el tiempo. Esto permite realizar un análisis detallado delestado de la máquina o del desarrollo de un error. Los datos se almacenan en soportes dealmacenamiento masivo de información, facilitando el archivo y permitiendo que los datos secompartan de una forma sencilla. Se puede conectar una impresora y un módem al sistema para lacomunicación de información a otras plataformas de operación como pueden ser de mantenimientode los diferentes sistemas que componen este equipo.
La interfaz de operador (HMI) es de tipo abierta, esto quiere decir que puede conectarse a otrosequipos, incorpora un libro de registro de funcionamiento, que se actualiza de manera automática aldesplegar las páginas correspondientes de la estructura del equipo de control.
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El editor toolbox es una herramienta de desarrollo rápido para los siguientes software:
. NET
Visual Basic
Delphi
Visual C + +
Además de ser un desarrollador que facilita la manera rápida, fácil de leer y escribir datos desdecualquier servidor OPC. Sin escribir código de volúmenes.
El editor opera con sistemas operativos:
Windows 2003 Windows XP Pro Windows 2000 Windows NT 4.0 Windows 95/98/Me
Son compatibles con:
Allen-Bradley PLCs Modicon PLCs & Modbus Devices GE Fanuc PLCs
Pantalla:
Figura 3.13 Pantalla Touchscreen
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PC de gran capacidad. Incluye puerto Ethernet, puerto USB, slots ISA y PCI, drives para floppy,disco rígido y CDROM.
Monitores planos de 12.1", 15" y 18" TFT. La disponibilidad del Touchscreen y 5 teclasadicionales permiten total funcionalidad sin el uso del teclado.
Construcción para soportar requerimientos de temperatura y vibración mayores acorde a losencontrados en ambientes industriales.
El diagrama muestra la arquitectura interna de dicho motogenerador en el cual se especifica cada unode sus componentes y su ubicación:
86
Figura 3.14 Plano del Motogenerador GE JENBACHER
87
El Motogenerador se muestra a continuación:
Figura 3.15 Motogenerador GE JENBACHER
El cual cuenta con Módulos-Gabinetes para protección de equipos.
Figura 3.16 Modulo-Gabinete GE JENBACHER
88
Con la aplicación del sistema de control de emisiones destacamos las ventajas ambientales quepodemos proporcionar para la humanidad:
Figura 3.17 Aportaciones al medio ambiente
Después de haber descrito ambos equipos y proponer la mejora se implementa un nuevo control paramejorar las emisiones.
El motogenerador JENBACHER es el la mejor opción por la mejora continua y posibles actualizacionesque se le pueden implementar además de cuidar, proteger y perdurar el medio ambiente y tener unaproducción eficiente y de calidad de energía que puede ser utilizado en diversas actividades.
En la siguiente tabla se da la comparación de los equipos:
Motogenerador GUASCOR Motogenerador GE JENBACHER
Tiene potencia eléctrica del 40% Tiene potencia eléctrica del 50%
Potencia Calorífica 55% Potencia calorífica 48%
Tiene el 5% de perdidas Tiene 2% de perdida
Utiliza el 100% de su alimentación Utiliza el 100% de su alimentación
Tabla 3.10 Comparación de los motogeneradoresEn la tabla anterior y en toda la documentación antes expuesta, argumentamos las ventajas que elMotogenerador Jenbacher tiene sobre el Guascor, además de tener un control de emisiones que es desuma importancia para el cuidado y preservación del medio ambiente, así como la nuevaimplementación de un control diferente, ya que por medio de la interfaz se lleva acabo el controlmanual/automático/supervisado; esto es que el control de emisiones puede llevarse acabo a distanciasiempre supervisado por medio de un operador.
89
4..-Estudio económico4.1..-Evaluación de costos de proyecto
Para evaluar el costo del proyecto, se hizo un estimado del costo de capital para el desarrollo eimplementación de un proyecto de recuperación y utilización del biogás en el relleno sanitario.También calculó tanto los costos anuales de operación, mantenimiento y expansión regular delsistema de colección, así como también los costos de expansión de capacidad del sistema desucción/combustión y planta de energía (anexo B).
4.2.1.-Costo Presupuestales de Construcción
Se estimó los costos presupuestales para la construcción inicial de un sistema de colección ycombustión del biogás en $1,100,700 (USD). Estos costos están asociados con el sistema de colecciónde biogás descrito anteriormente y presentado en el Anexo A, con pozos de extracción, tuberíaprincipal y lateral, manejo del condensado e instalación del sistema de succión y combustión.La Tabla 5.3 presenta un resumen de los conceptos. Un inventario detallado con los costos y lascantidades de los conceptos se presentan en el Anexo B.
90
Tabla 4.1.-COSTOS PRESUPUESTALES DEL SISTEMA INICIAL DE COLECCIÓNY CONTROL DE BIOGÁS
4.2.2.-Costos Anuales Presupuestales de Operación y Mantenimiento
Se estimó los costos anuales presupuestales de operación y mantenimiento del sistema de colección,excluyendo las expansiones de los pozos, en un 10 por ciento del costo inicial del sistema, o $101,000(USD). Estos costos incluyen aquellos relacionados con el mantenimiento y operación del sistema talescomo mano de obra, pruebas, mantenimiento rutinario, reparaciones, y reemplazo de pozos. Lasexpansiones anuales del área de pozos se estimó que requerirán $43,000 USD adicionales por año,asumiendo 2 pozos nuevos, 137 m de tubería lateral y 68 m de tubería principal son instaladosanualmente entre el 2008 y el 2015.
91
La Tabla 5.4 presenta un resumen de estos conceptos.
Tabla 4.2.- COSTOS ANUALES PRESUPUESTALES PARA EL SISTEMA DECOLECCIÓN Y COMBUSTIÓN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Y
EXPANSIONES/REEMPLAZOS
4.2.3.-Estimado Presupuestal de la Inscripción del Proyecto, Monitoreo y Verificación
Otros gastos anuales del proyecto incluyen aquellos con relación al proceso de proyecto MDLincluyendo los gastos de inscripción, monitoreo y verificación de CERs. Como señalado en la Tabla 5.5,los gastos serán aproximadamente $30,000 (USD). Los gastos adicionales relacionados alprocedimiento de proyecto tipo MDL incurridos anualmente son mínimos (menos que el 10% del valorde CER) considerando los precios de CER analizados en este estudio ($4, $5, $6 por tonelada).
92
Tabla 4.3.- COSTOS PRESUPUESTALES PARA LA MATRICULA, MONITOREO, YVERIFICACIÓN DEL PROYECTO
4.2.4.-Generación de energía eléctrica
Se evaluó los costos de capital y anuales para implementar una planta de energía utilizando biogáscomo combustible para motores de combustión interna. Los costos son discutidos a continuación.
4.3.-Estimado Presupuestal de los Costos Inicial de la Planta
Se estimó que el costo inicial para implementar una planta de energía de 2.12 MW con generadoresde combustión interna (IC) utilizando el biogás como combustible será de $2,760,000 (USD). Estoscostos son adicionales al costo del sistema de colección y combustión.Se asume que la planta este en operación del 1 de enero del 2010 hasta el 2019. Comenzando en el2013, se estimó que habrá suficiente biogás disponible para mantener tres generadores de 1.06MW, por lo consiguiente, un generador de 1.06 MW será añadido. La planta de 3.18 MW operarádesde el 2013 hasta el 2019. La Tabla 6-4 es un resumen de los costos iníciales de cada concepto y suscantidades asociadas. El Anexo B presenta los costos y las cantidades asociadas de los conceptos conmás detalle.
Tabla 4.4.- RESUMEN DE COSTOS PRESUPUESTALES PARA LA PLANTA DEENERGÍA CON GENERADORES IC
93
4.4.-Estimado Presupuestal de la Operación y Mantenimiento Anual
SCS estimó que el costo presupuestal de operación y mantenimiento anual de la planta de energíaserá aproximadamente 1.8 centavos (USD) por kilowatt-hr (estimado cerca de 15.5 millones de kWhrsen el 2007) o cerca de $280,000, incluyendo mano de obra y equipo y costos de la operación ymantenimiento del equipo de la planta (mano de obra, pruebas, mantenimiento de rutina yreparaciones). La Tabla 6-5 presenta un resumen de los costos (para la planta de 2.1 MW).La Tabla 6-6 presenta un resumen de los índices anticipados de recuperación de biogás y la capacidadde la planta correspondiente mostrando los años durante los cuales el flujo proyectado es suficientepara las capacidades de generadores propuesta
Tabla 4.5.- RESUMEN DE COSTOS PRESUPUESTALES DEL MANTENIMIENTODE PLANTA DE ENERGÍA
TABLA 4.6 RESUMEN DE ÍNDICES ANTICIPADOS DE RECUPERACIÓN DEBIOGÁS Y CAPACIDAD DE LA PLANTA DE ENERGÍA
94
4.5.-Evaluacion económica
La economía relacionada con implementación de un proyecto de recuperación y utilización y laimplementación de un proyecto de recuperación y combustión del biogás en el relleno fue evaluadausando los costos señalados en la Sección 6 y los ingresos descritos a continuación. Un proyecto deuso directo para el biogás no fue identificado. Para propósitos de esta evaluación,SCS asumió que las ganancias incluyen las asociadas con la venta y el desplazamiento de electricidad(bajo el escenario del proyecto de utilización) también como las ganancias asociadas con la reducciónde emisiones de gas invernadero (la venta de los CERs por el Banco Mundial).Un resumen de la evaluación económica y las suposiciones es presentado mas adelante. Un análisisdetallado de la evaluación se presenta en la Anexo E.
4.6.-Resumen
Las siguientes suposiciones fueron usadas en la evaluación económica del proyecto:
La evaluación económica considera dos períodos: uno de 8 años entre el 2005 al2012, y otro de 15 años entre el 2005 al 2019.
Dos opciones para financiamiento fueron consideradas: La primera es sinfinanciamiento para los costos de capital (aplicación del 100% de costos decapital inicial) y la segunda con financiamiento del 75% de los costos de capitalinicial (inversión en patrimonio de 25%).
Tres precios de mercado fueron considerados: $4, $5 y $6 por tonelada de CO2eq.
Una tasa de interés de 8 por ciento fue incluida en el análisis de valor presenteneto (NPV) y para el financiamiento de préstamos.
Para la evaluación del proyecto desde el 2005 al 2012, los períodos derestitución del préstamo son de 7.5 años para la inversión inicial en el 2005 delos costos de construcción del sistema de colección y combustión, 6.5 años parala inversión inicial en el 2006 de la planta de energía y comenzando el 2009, de3.5 años para la expansión de la planta de energía.
Para la evaluación del proyecto desde el 2005 al 2019, el período de restitucióndel préstamo será de 10 años para la inversión inicial en el 2005 de los costos deconstrucción del sistema de colección y combustión, la inversión inicial de laplanta de energía en el 2006 y para la expansión de la planta de energía en el2009.
Con propósitos de este análisis, un pago de aproximadamente 20 por ciento delas ganancias de CERS serán para el propietario del relleno por el uso del biogásfue considerado (representado por el precio de $0.35/MMBtu). Esto se base enexperiencia internacional que señala que el pago por el biogás a los propietariosesta entre el 10 y 30 por ciento de las ganancias de CER. Si el propietariodesarrollara el proyecto solo (no es común) este concepto de costo seria cero.
Índice de escalamiento por la compra del biogás es de 3 por ciento.
95
Futuros gastos de operación y mantenimiento y de ampliación/mejora delsistema incrementarán con un índice anual de 3 por ciento al año.
Bajo el escenario de la planta de energía (utilización de biogás), se utilizaron lassiguientes suposiciones:
− La planta consistirá de dos generadores IC de 1.06 MW que estará operando desde el 2007 hasta el2019 (o 2012 si el proyecto termina antes). Un generador adicional de 1.06 MW será comprado en el2009 y estará operando desde el 2010 hasta el 2019 (o 2012 si el proyecto termina antes).− Una reducción de 7 por ciento será atribuida a carga parasítica del sistema y un factor de capacidadde planta de 90 por ciento será asumido para tomar en cuenta períodos de mantenimiento de rutina yotros tiempos sin funcionamiento. El biogás colectado durante estos periodos será dirigido alquemador para su combustión.− Toda la energía producida por el proyecto será vendida
El escenario alternativo de no construir una planta de energía y quemar todo elbiogás recolectado fue evaluado.
4.7.-Costos del proyecto
Los siguientes costos fueron considerados para la evaluación económica bajo el escenario de la plantade energía:• Inversión de capital inicial para el sistema de colección del biogás y planta de energía en el 2008• Inversión capital de un generador I.C: adicional en el 2009• Compra del biogás del propietario relleno sanitario.• Costo anual de operación y mantenimiento del sistema de colección del biogás, quemador y laplanta de energía eléctrica (bajo el escenario de planta de energía), y la expansión del sistema decolecciónPara la evaluación económica del escenario de combustión de biogás solamente, los siguientes costosfueron considerados:• Inversión de capital inicial para el sistema de colección del biogás y quemador en el 2005• Compra del biogás del propietario del relleno sanitario.• Costo anual de operación y mantenimiento del sistema de colección del biogás y quemador, como laexpansión del sistema de colección
4.8 Ingresos del proyecto
Para la evaluación económica del escenario de la planta de energía eléctrica, los siguientes ingresosfueron considerados:• La planta de energía producirá un total de 15,544 MW/ año. La planta venderá la energía a la red a$0.057 USD/Kw, Comenzado en el 2010, la planta de energía producirá 23, 316 MW/año.• Las reducciones certificadas de emisiones de GHG serán vendidas a $4, $5, y $6 USD por tonelada deCO2 eq., basado en los precios considerados por el Banco Mundial para este tipo de proyectos.• Se asumió que el biogás recolectado en exceso de la capacidad de la planta, al igual que el biogásrecolectado durante períodos de mantenimiento de la planta, será quemado.
96
Para la evaluación económica del escenario de combustión de biogás, los siguientes costos fueronconsiderados:• Las reducciones certificadas de emisiones de GHG serán vendidas a $4, $5, y $6 USD por tonelada deCO2 eq., basado en los precios considerados por el Banco Mundial.• Se entiende que todo el biogás colectado será quemado.
Costos de ingenieria para la implementación de la propuesta del sistema de control:
Personal Cantidad Costo unitario Total horas Costo totalAsesoria técnica 1 $600.00 9 hrs. $5400.00
Consultoría 1 $300.00 12 hrs. $3600.00Asesoria de
Investigación1 $300.00 6 hrs. $1800.00
Ingenieros de proyecto 2 $250.00 288 hrs. $ 72000.00
Total: $82,800.00
4.9.-Impactos ambientales
El biogás además de sus componentes principales metano y dióxido de carbono, también contienetrazos de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) y un sin número de compuestos consideradoscontaminantes de aire peligrosos (HAPs) por la EPA. Por lo tanto, el proceso de colección y combustióndel biogás quemado en un generador, turbina, quemador u otro dispositivo) resulta en la reducción delas emisiones de metano, VOCs, y HAPs emitidas por el relleno sanitario. El proceso de combustión, sinembargo, resulta en el incremento de emisiones de otros contaminantes tales como los óxidos deazufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO) y materia en partículas (PM)emitidas por rellenos sanitarios.Mientras ambos, el metano y el dióxido de n carbono son considerados gas invernadero (GHG), eldióxido de carbono presente en el biogás generalmente no es considerado un GHG. Más bien, eldióxido de carbono es considerado biogénico y parte natural del ciclo de carbón. El metano presenteen el biogás sí es considerado un GHG sin embargo, y por lo tanto su colección y combustión resulta enuna reducción neta de GHG.Los impactos ambientales que pueden tener la implementación de un sistema de colección y controlde biogás en el relleno sanitario, incluyendo la reducción de emisiones de GHG, reducción deemisiones de VOCs y HAPs, y las emisiones proyectadas de otros contaminantes, son presentados acontinuación.
4.9.1.-Reduccion de emisiones de gas invernadero
SCS estimó las reducciones de emisiones de s gas invernadero (CERs) asociadas con un proyecto derecuperación de biogás en un relleno sanitario (en unidades de toneladas métricas de metano por añoy en toneladas métricas de CO2 equivalente por año, utilizando un factor de equivalencia demetano/CO2 de 21) para el período de evaluación.
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La Tabla 8-1 presenta un resumen de las proyecciones de reducción de emisión de GHG para elperíodo 2006 a3 2019 bajo el escenario de planta de generación (las emisiones generadas en elescenario de combustión no fueron evaluadas).Las proyecciones en la Tabla asumen que todo el biogás recuperado será quemado para generarelectricidad o en un aparato de control y no considera las reducciones de emisiones de gasinvernadero por el reemplazo de otros combustibles para generar electricidad. Información adicionales proveída con los resultados del modelo de biogás en el Anexo.
Tabla 4.7.-RESUMEN DE PROYECCIONES DE CERS(Certificados de reducción de emisión de gas)
4.9.2.-Reduccion de emisiones de voc y hap
Biogás contiene trazos de VOCs y HAPs en concentraciones pequeñas. Por lo tanto, el proceso decolección y combustión del biogás resulta en la reducción neta de las emisiones de VOCs y HAPsemitidas por el relleno sanitario. SCS estimó la reducción de emisiones de VOCs y HAPs para el períodode evaluación del 2008 al 2019 asociada con la implementación de un proyecto de recuperación debiogás en el relleno sanitario. La Tabla presenta un resumen de las reducciones proyectada
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Tabla 4.8.- RESUMEN DE LAS REDUCCIONES PROYECTADAS DE EMISIONESDE VOC Y HAPS
Las siguientes suposiciones fueron consideradas para calcular las reducciones de emisión deVOC y HAP:
VOCs son el 39 por ciento de la concentración total de los compuestos orgánicosno metálicos (NMOCs) en el biogás y la concentración de NMOC se asume ser595 ppmv (U.S. EPA AP-42)
Concentraciones de HAP son basadas en valores publicados por el Informe6 de laWaste Industry Air Coalition y U.S. EPA AP-42 (Tablas)
La eficiencia de destrucción de VOC y HAP del quemador y generadores estomada en valores publicados por AP-42 (Tabla)
Cálculos detallados se pueden encontrar en el Anexo
4.9.3.-Emisiones de otros contaminantes
Emisiones debido a la combustión del biogás incluyen emisiones de NOx, CO, SOx, y PM. NMOCs,VOCs, y HAPs no son destruidos totalmente durante la combustión y son emitidos aunquegeneralmente en cantidades menores.
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SCS estimó las emisiones potenciales de NOx, CO, SOx, y PM para el período de evaluación del2005 al 2019 relacionadas con la implementación de un proyecto de recuperación de biogás. LaTabla 8-3 es un resumen de las emisiones proyectadas.
Tabla 4.9.- RESUMEN DE EMISIONES DE OTROS CONTAMINANTES
Los índices de emisión de estos contaminantes fueron estimados usando factores proveídos porU.S. EPA (AP-42 Tabla 2.4-5) y los fabricantes de equipo. Cálculos detallados se proveen en elAnexo.
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La importancia del sistema radica en la eficacia de operación del turbogenerador aprovechando almáximo el biogas que se obtiene del proceso, los equipos que se requieren para su implementacióncontribuirán a lograr la máxima eficiencia..
De todo esto se tiene la seguridad de los equipos y sistema propuestos cumplen con losrequerimientos técnicos del sistema lo que nos lleva a lograr el objetivo establecido.
El sistema así como la estrategia de control están estrechamente ligadas a la operación del equipo,siendo el control el que nos va a permitir un máximo desempeño, la relevancia de la estrategia es queen el control analógico y secuencial pueden estar considerados en un solo modulo.
Si las condiciones de operación y estrategias se cumplen, de acuerdo a la propuesta se tendrá comoresultado un alto grado de eficiencia de operación.
Con la reducción de emisiones en el medio ambiente se pueden lograr mejoras como:
El mal olor y la posible migración del metano en el relleno sanitario y sus alrededores. Por ser considerado un gas invernadero reducir el problema del cambio climático. Reducir las emisiones consideradas carcinogénicas (la posibilidad de que produzcan cáncer y
otros efectos adversos en la salud)
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Establecer una Organización formal para un mejor desarrollo del proyecto
Proporcionar capacitación al personal responsable de la administración, operación ymantenimiento del sistema.
Que el equipo que se adquiera cumpla con las características técnicas del proyecto.
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ANEXO A
PLANOS DE CONDICIONES ACTUALES DEL LUGAR Y EL DISENO
CONCEPTUAL DEL SISTEMA DE COLECCION DE BIOGAS
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ANEXO B
COSTOS DE CONSTRUCCION
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FUENTES DE INFORMACION
NORMA OFICIAL MEXICANA [NOM-083-SEMARNAT-2003]
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GLOSARIO
Biogás.- es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos
específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la
acción de microorganismos, (bacterias metanogénicas, etc...), y otros factores, en ausencia
de aire (esto es, en un ambiente anaeróbico).
Pozos de extracción.-son la instalación de tubos de PVC de 15 a 20 cm. de diámetro, los cuales
estarán conectados a sopladores para ejercer una presión de vacío en el sistema de captación y
conducción.
Subcabezal.- es el grupo de pozos de venteo que se realizan en el relleno; la dimensión de los
subcabezales siempre van a depender de la cantidad de pozos que este tenga.
Cabezales.- es el conjunto de subcabezales que en conjunto forman un todo, es la red de
captación del biogás.
Capacidad del relleno sanitario.-es la cantidad total de residuos que pueden ser depositados en el
relleno sanitario.
Índice de generación del metano (k).-k es la constante que determina el índice de generación
de biogás estimado. El valor de k está en función del contenido de humedad y la disponibilidad
de nutrientes, pH y temperatura.
Generación potencial de metano (Lo).- Lo es la constante del modelo que representa la
capacidad potencial para generar metano del relleno sanitario.
MNOC.- compuestos orgánicos no metálicos.
IPCC.- Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC).
GEI.-gases de efecto invernadero.
El sistema de captación.- permite el control de las emisiones de biogás y su migración y olores
a zonas aledañas cuya extensión depende altamente de la estratigrafía del terreno.
Lixiviados.- es la lechosa de la basura que se vierte en la parte de abajo del relleno
sanitario.