Generación, Captacion y Aprovechamiento del Biogas

Generación, Captacion y Generación, Captacion y

Aprovechamiento del BiogasAprovechamiento del Biogas

Curso Internacional:Diseño y Operación de Rellenos Sanitarios para América LatinaQuito, Ecuador – 15 al 17 de Noviembre 2010

L.F. Diaz CalRecovery, Inc.Concord, California USA

Generación y Manejo del Biogas

iwwg

ContenidoContenido• Introducción• Generación y tasas de producción

de biogás• Modelos para Predecir la Generación• Diseño y dimensionamiento de un

Sistema de Extracción de Biogas• Conclusiones

Introducción La extracción y el uso del biogás de los rellenos debe de ser un procedimiento estándar en todos los rellenos sanitarios

• Permite el control de malos olores y emisiones a la atmosfera (calentamiento global)

• Permite el uso de la energía (calor, vapor, electricidad)

• Genera utilidades debido a la venta de energía (aproximadamente 70m³ biogás/h (50% CH4) resulta en una producción de energía de aproximadamente 100 kW de electricidad y 170 kW de energía térmica)

Origen y riesgos del biogas

El biogás se produce por medio de procesos de degradación anaeróbicos

La máxima producción de biogás ocurre durante la fase methanogenic estable, después la tasa de producción se reduce paulatinamente durante aproximadamente 25 a 30 años

Los principales componentes : Metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y algunos otros gases en pequeñas concentraciones

Riesgos de los componentes principales:Riesgos de los componentes principales:

- CH4: combustible, riesgo de explosiones, GEI

- CO2: toxico para las plantas y los seres humanos

Ejemplo de la Composición de Residuos Domésticos (Ciudad Europea)

MetalsFerrosos

MetalesNo ferrosos

Embalaje

Particulas medianas

(8-40 mm)

Particulas

Finas (> 8 mm)

Vidrio Residuos

Problematicos

Pañales Materiales

compuestosMinerales

Textiles

Plasticos

Papel

Cartón

Residuos de Comida

Evolución de la Composición del BiogasL

FG

-com

posi

tion

[%

]

time

LF

G-p

rodu

ctio

n in

[%

]

of th

e m

axim

um v

alue

undisturbed

LFG-production

disturbed

LFG-production

I aerobic phase V long term phase

II acidic phase VI air infiltration phase

III unstable methanogenic phase VII methane oxidation phase

IV methanogenic phase VIII CO2-phase

IX ambient air phase

LF

G-c

ompo

siti

on

[%]

time

LF

G-p

rodu

ctio

n in

[%

]

of th

e m

axim

um v

alue

undisturbed

LFG-production

disturbed

LFG-production

I aerobic phase V long term phase

II acidic phase VI air infiltration phase

III unstable methanogenic phase VII methane oxidation phase

IV methanogenic phase VIII CO2-phase

IX ambient air phase

Quelle: VDI 3790 Bl. 2, 2000

aero

bica

acid

icametanogenica inicial

metanogenica

estable Largo plazo

2 – 5 years

Varias decadas

Composicion del biogas (fase metanogenica estable)

55-60% metano (CH4),

40-45% dioxido de carbono (CO2),

Otros elements :

compuestos de oxigeno

H2S

hidrocarburos clorinados

hidrocarburos fluorinados

ProblemasProblemas

Evitar poner en el relleno residuos que contienen yeso

Evaluación de la Cantidad de Biogas

De la ecuación de Symons y Buswell se puede evaluar la cantidad y calidad de biogás considerando la composición elemental de los residuos:

(1 mol Corg. se convierte en 1 mol de biogás)

Bajo condiciones estandar:

1 mol Carbono (Corg) en la materia orgánica = 22,4 l gas (CH4 + CO2)

En base al peso:

1 g Carbono (Corg) en la materia orgánica = 1,868 l gas (CH4 + CO2)

ModelosModelos

Predicción de la Producción de Biogas durante el Tiempo --- Modelo de Biogas -

Gt = Ge (1-e -kt)

donde:

Gt = producción de biogás en un tiempo especifico (t) [m³/h]

Ge = producción total de biogás [m3 / t TS RSU]

= 1.868 * Corg. (biológico degradable C)

= 120-150 m³/t TS RSU° 65 – 80 kg Carbono (biodegradable)

k = constante de degradación : -ln (0.5)/T0.5

T0.5 = media vida (tiempo después del que el 50% del total del biogás se ha producido) de 4 a 7 años dependiendo de la composición de los RSU, operación del relleno y el clima

° Para RSU Alenanes, basado en experimentos

Calculo de Volumenes de Biogas Usando Modelos

Produccion de gas total Gt

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

tiempo [a]

[m³/

Mg

DM

]

Gt (H=6a)

Gt (H=4a)

Gt (H=10a)

Tiempos de media vida variables

Influencia de diferente valores de T0.5

Tasa de Produccion de Gas (despues de descargar una ves)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tiempo (años)]

Tas

a de

pro

ducc

ion

de

gast

[m³/

Mg*

a]

Pt (H=6a)

Pt (H=4a)

Pt (H=10a)

Producción Total de Biogas

Produccion de biogas Pt-total para descarga continua

0

5.000.000

10.000.000

15.000.000

20.000.000

25.000.000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Tiempo de operacion del relleno [a]

tota

l lan

dfill

gas

pro

duct

ion

[m³/

a]

gas production rate Pt (H=6a) [m³/a]

gas production rate Pt (H=12a) [m³/a]

Tasa de Colección de Biogas

Tasa de producción Tasa de colección

Tasa de colección: Es la porción del volumen total de biogás, colectado por el sistema de extracción

_____________________________

Depende de:- Tipo de sistema de captacion (horizontal, vertical, distancia entre los pozos, etc.)- Porosidad de la cubierta del relleno- Tasa de producción de biogás

Estimación de los volúmenes de Biogas por medio de Modelos (2)

Gas production Pt (50%) as a basis for the gas utilisation planning

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Landfill operation time [a]

spec

ific

gas

pro

du

ctio

n r

ate

Pt [

m³/

h]

Pt (H 1)

Pt 50% (H 1)

block-type thermal power station #1(basic unit)

block-type thermal power station #2(additional unit, possibly rented)

Gas production Pt (50%) as a basis for the gas utilisation planning

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100


spec

ific

gas

pro

du

ctio

n r

ate

Pt [

m³/

h]

Pt (H 1)

Pt 50% (H 1)

block-type thermal power station #1(basic unit)

block-type thermal power station #2(additional unit, possibly rented)

Problemas causados por el Biogas (I)Problemas causados por el Biogas (I)

ExplosionesExplosiones

Metano es un gas combustible, con riesgo de explosión entre los 5-15 (% v/v) en el aire

Efecto InvernaderoEfecto Invernadero

Destrucción de la capa de ozonoImpacto del metano es aproximadamente 21-veces mayor que el impacto del CO2

Problemas causados por el Biogas (2)Problemas causados por el Biogas (2)

Migracion del biogasMigracion del biogas

movimiento horizontal debido a la difusión y convección (diferencia en presión)

consecuencias: - explosiones en estructuras alrededor del relleno

- efectos tóxicos en seres humanos y planon humans, animals, plantas

- daño a las plantas por la insuficiencia

de concentraciones de O2 debido a las altas concentraciones de gas de

en las áreas cerca de la superficie

Corrosivo al sistema de captación

Malos olores

Protección para la explosión (3)

Valores limite para fiscalizar y cerrar un sistema de extraccion de biogas

Compuesto inflammable

Valor limite de explosion

cierre

pre-alarma

12,5 % 25 % 30 %

11,6 % 6 % 3 %

Monitoreo de CH4

Monitoreo de O2

Componentes de un Sistema de Extraccion de Biogas

- Pozos verticales y/o horizontales: tuberías perforadas puestas dentro de grava (filtros))

- Tuberías para la recolección del biogás (ramales principales)

- Unidades para remoción de líquidos para separar los condensados

- Soplador (es) para generar el vacio (presión negativa)

- Quemadorpara quemas exceso de biogás

- Unidades para el Uso del biogás (estaciones para generación de electricidad, generadores

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de Biogas

Gas well

LFG collection pipe

Horizontal LFG collection system

Blower

Condensate trap

High temperature flare

Gas transportation pipe

Blower

Gas pre-treatment

Gas utilisation

User I(electricity)

User II(heat)

Producción especifica de biogas [m³/h]

basado en los resultados de un modelo de generación de biogás y en un ensayo de extracción de biogás

Numero de pozos de extracciónbasado en las pruebas para determinar el radio de influencia y el área del rellenoDeterminación de un factor de seguridadDeterminación de las velocidades máximas de flujo en las tuberias de recolección

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de BiogasExtracción de BiogasFundamentos


Modelo de BiogasGas production Gt (100%)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100


spec

ific

gas

pro

du

ctio

n r

ate

Gt

[m³/

h]

Pt (T0.5=5a)

Pt (T0.5=10a)

Pt (T0.5=12a)


Prueba de Extracción de Biogas

Objetivos: - Estimar las tasas de producción de biogas para

dimensionar el sistema de extracción- Clasificación de rellenos en fases especificas de

operación- Verificación negativa de la producción de biogas

Desempeño:

- Comenzar con tasas de extracción bajas (< 5m³/h)

- Después de llegar a una concentración constante de CH4 y de O2 : Incrementar las tasas de extracción

- Duración de la prueba: debe ser a lo menos del 20% del volumen no rellenado debe ser extraído (generalmente debe de ser varios días (corto termino) o semanas (largo plazo), si es necesario


Resumen de Datos FundamentalesResumen de Datos Fundamentales)

13

90 m

180 m

10 m

30 m

30 m

30 m

30 m

13

90 m

180 m

10 m

30 m

30 m

30 m

30 m

115 m

150 m

Estacion de recoleccion

Soplador y Uso de biogas

Pozo

Tu

ber

ia d

re r

ecol

ecci

on

prn

ciap

l

Tuberia dr recoleccion

Area del relleno: 1.62 ha

Volumen del relleno: 91,456 m³ BABAh

*3

Produccion Especilfica de

Biogas [m³/h] 2.000

Numero de pozos [ - ] 10

Factor de Seguridad [%] 20

Velocidades a Maximo Flujo [m/s] 10


Resumen de Datos FundamentalesResumen de Datos Fundamentales

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de

Extracción de Biogas

Gas well

LFG collection pipe


Blower

Condensate trap



Blower

Gas pre-treatment

Gas utilisation

User I(electricity)

User II(heat)

Diametro para tuberias de filtro y recoleccion de gasPEAD 110 * 6,3 mm; PN 6 (DIN 8074)PEAD 355 * 20,1 mm; PN 6 (DIN 8074 / DIN 19537)

verificacion de max. Volumen de gasFlujo max. 200 m³/h 2,000 m³/hError 40 m³/h 400 m³/hFlujo 240 m³/h 2,400 m³/h

Dimensiones de tuberiaDiametro externo 110 mm 355 mmEspesor 6,3 mm 20,1mmDiametro interno 97,4 mm 314,8 mmSeccion interna 0,0075 m² 0,0778 m²

Flujo maximo Qmax = vmax * A Qmax = vmax * AQmax = 10 m/s * 0,0075 m² Qmax = 10 m/s * 0,0778 m²Qmax = 0,075 m³/h = 270 m³/h Qmax = 0,778 m³/h = 2,800 m³/hQmax > Qreq. Qmax > Qreq


Extracción de Biogas (Calculo y Verificación de

Pozos)

Tuberiasde Filtro

Principales tuberias de recoleccion

Diseño y Dimensionamiento de un sistema

de Extracción de Biogas Gas (diseño de

pozo, sección)

Landfill top cover

Clay cap

PEAD pipe (externo : 110 mm)

PEAD tuberia perforada (externo : 110 mm)

Gravel / sand

Waste

ValveCompensator LFG-collection pipe

Ejemplos de Pozos de Gas (Examples)

Pozo de gas con capa de filtro integrado

Tubería Perforada de PE (pozo de gas convencional)

Perforación del Pozo de Biogas (1)

Terminando la Construcción del Pozo

Instalación de la capa de filtro – grava gruesa

(tamaño de partícula: 16 – 32 mm)

Installation of the clay cap

Area de influencia alrededor de un pozo vertical

Surface capping

Landfill body

(wastes)

Base liner

Filter (coarse gravel)

Biogas extraido

Area de influencia

Area de influencia alrededor de un pozo vertical

surfa

ce ca

ppin

g

Pozo de gas

ambient air

macro porosmicro poros

Problems:

•Flujo en macro poros

•succion de aire del ambiente

Sistema de Captacion de GasSeparación de Pozos, Verticales y Horizontales

air

Gas flow lines

Gas flow lines

Diseño y dimensionamiento de un Sistema de Extracción de

Biogas

Gas well

LFG collection pipe


Blower

Condensate trap



Blower

Gas pre-treatment

Gas utilisation

User I(electricity)

User II(heat)

Condensado

Cossu et al., 1996

Origen:

El biogás se caracteriza por un alto contenido de humedad relativa; cerca del punto de saturación

El condensado se forma cuando el biogás se enfría (en superficies frías como tuberías, válvulas, etc.)

Problemas:

Acumulación de liquido en puntos bajos o antes del cabezal de los pozos

Alto potencial de corrosividad (en la planta para el uso del biogás)

Potencial producción de compuestos tóxicos durante el proceso de combustión

Colección del liquido condensado

Captación de liquido condensado (I)

a)

Inclinación hacia el cabezal del pozo

Captación de liquido condensado (2)

b)

Inclinación hacia el punto mas bajo de la tubería principal

Problemas debido al liquido condensado

Puntos bajos en las tuberias causados por los asentamientos en el relleno

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Gas

Problema: Condensado

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

LFG temperature [°C]

abso

lute

hum

idity

of t

he L

FG

[g/m

³]

20 K

LFG temperatureabsolute humidity at

100% relative humidity[°C] [g/m³]

0 4,82 5,64 6,46 7,38 8,310 9,412 10,714 12,115 12,916 13,717 14,518 15,419 16,320 17,321 18,422 19,523 20,624 21,825 23,126 24,428 27,230 30,432 33,834 37,636 41,738 46,240 51,145 65,4

Rellenos Convencionales anaerobicos:

Condensado: 30,4 g/m³ (30°C, 100%) – 9,4 g/m³ (10°C, 100%)

= 21 g/m³ (cantidad promedio de condensado por m³ de gas)

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Gas

Calculo del Condensado

Rellenos Aerobicos:

Condensado: 160 g/m³ (65°C, 100%) – 9,4 g/m³ (10°C, 100%)

150 g/m³ (cantidad promedio de condensado por m³ de gas)


Extracción de Biogas

Gas well

LFG collection pipe


Blower

Condensate trap



Blower

Gas pre-treatment

Gas utilisation

User I(electricity)

User II(heat)

Soplador

Soplador lateral Soplador con piston rotatorio

Estación de Recolección de Gas

Tuberias conectando la estacion de gas con los pozos

Tuberias principales conectando la estacion de coleccion con la unidad de extraccion

Estación de Colección de Gas

Uso del Biogas

gas collectiongas collection

gas utilisationgas utilisationgas disposalgas disposal

flaring combustion muffle

gas engine gas turbine burning methane separation

gas cleaninggas storage

direct utilisation

electricity mech. energy heat natural gas

generator, block-typethermal power station

generator, steamsteam turbine,steam motor

Problemas relacionados con el Tratamiento y Uso del Biogas

Una variedad de Compuestos Orgánicos en la fase de vapor del gas

Posible contaminación por el condensado

Quema del Biogas si no es usado

Problema con la quema (combustión incompleta y no uniforme, en teoría posibilidad de formar dioxinas

Gas flareGas flare

Gasflare in Damsorf / Germany

Technical regulation air (TA -Luft), Flares

Target value for the operation and emissions:

• Temperature at the flame front: 1000 °C

• Detention time of the hot gases in the combustion chamber of the flame: 0.3 sec.

• CO < 100mg / m3

• NO / NO2 < 200mg/m3

Values are related to 3% vol O2

Ejemplos de Quemadores

Quemador en Damsorf / Alemania

Pozo y quemador en Braunschweig / Alemania

Uso de Energia del Biogas

• Producción de Gas 120 –150 m³ / ton seca de RSU

• Uso de Energía en Generadores a Gas:

30% -eficiencia para la producción de electricidad

50% -eficiencia para la producción de agua caliente (70°C – 90°C)

• Contenido de Energía del biogás: 5.9 kWh/m³

• Composición del Gas 50-60% CH4, 40-50% CO2

• Volúmenes de Gas mínimos para su uso:

- Térmico (combustión o co-combustion) 50m³/h

- Generador a Gas : 100 kW poder eléctrico aprox 60-70 m³/h

mathematical modelChemical / physical model

Corg. = 180 kg/Mg

(este valor es equivalente al de residuos domesticos en Europa)

T0,5 = 15 anhos k = 0,0462

(larga media vida debido al clima seco)

T = 35 °C

(Temperatura promedio dentro del relleno)

Gt = Ge * (0,014 * T + 0,28) * (1-e –k*t)

where:

Gt = LFG – production at a specific time (t) [m³/h]

Ge = total LFG-production [m3 / t MSW]

= 1.868 * Corg. (biologically degradable C)

1,868 = Volume of 1kg Carbon as LFG

k = degradation constant: -ln (0.5)/T0.5

T0.5 = half life (time after which 50% of the total LFG is produced)

5-15 years depending on MSW-composition, landfill operation and climate

Ejemplo del Uso de Energia del biogas

Relleno de Residuos Urbanos en Uzbekistan

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1967 1977 1987 1997 2007 2017 2027 2037

LF

G p

rod

uct

ion

[m³/h

]

To.5=15a

To.5=10a

To.5=15a; Biowasterecycling since 2006

To.5=15a; Biowasterecycling since 1995

23a

18a

15a

12a

10a

8a

6a

4a

Planta de Generacion de Electricidad

Calculo de la Producción de Energía

Producción de

Energía

LFG collection

(tasa de coleccion = 60%)

Contenido de Energia del Gas

Energia producida

electricidad calor

periodo [m³/h] [m³/h] [kJ/d] [kWh] [kW]

2007 - 2010 8000 4800 1715328000 19853 5955 9926

2010 - 2012 7000 4200 1500912000 17371 5211 8685

2012 - 2014 6000 3600 1286496000 14890 4467 7445

2014 - 2016 5000 3000 1072080000 12408 3722 6204

2016 - 2018 4000 2400 857664000 9926 2977 4963

2018 - 2021 3000 1800 643248000 7445 2233 3722

2021 - 2024 2000 1200 428832000 4963 1488 2481

2024 - 2029 1000 600 214416000 2481 744 1240

LFG: 50% CH4; 50% CO2; Heating value: 16.800 kJ/Nm³

Temperature = 35°C; 1 Joule = 1 Wsec.; electr. = 0.3, therm. = 0.5

Minima Calidad de Biogas que puede ser Usada en un Generador a Gas

Fa. Haase

Poder Calorifico Hu 4 kWh/m³n

Concentracion de metano (minimo) CH4 40 Vol %

Azufre Total S < 300 mg / m³n CH4

Concentracion H2S H2S < 150 ppm

Cloro Cl < 100 mg / m³n CH4

F F < 50 mg / m³n CH4

Polvo < 10 mg / m³n CH4

Humedad relativa < 60-80 %

Presion = 20-100

mbar

Cambios en presion de gas < 10 %

Temperatura del gas < 30 °C

Hidrocarburos (> C5) < 0,4 mg / m³n CH4

Numero de metano MZ 80

519 (0 – 6,150)

Hasta 600

Concentraciones tipicas en Biogas

Estación para Producir Electricidad y Calor para el uso de Biogas

Mejora del Biogas a Gas Natural y uso final como combustible

Adapted from Henrich and Ross, 1983

Métodos para mejorar la Calidad del Biogas a Calidad de Gas Natural

Biogas

Absorcion con Cambio de

Presion (PSA)

Lavado del Gas (fisico)

Lavado del Gas (quimico)

Tecnologia de Membrana

Biogas con calidad de gas natural

Mejora del Biogas : Remocion de CO2

M. Scheepers, 1996

Objectivo:

Mejora del biogas a una calidad similar a la de gas natural

Procesos para la remoción de CO2:

1. Absorción física en agua Remoción (presión aprox. 10 bar)

2. Absorción por metanol; presión: 20 a 35 bar)

3. Absorción con cambio de presión (PSA) por un cernidor molecular

4. Uso de membranas poliméricas(remoción por diferentes velocidades de difusión; presión: 25 a 35 bar)

Mejora del Biogas: Remocion de H2S

G. Rettenberger, 1996

Objectivo:Evitar problems con corrosion en las instalaciones que usan el gas

Concentraciones típicas de hidrogeno-azufre en el biogás: 0 a 20g/m³, dependiendo del tipo de residuo descartado en el relleno

(RSU + residuos de C&D resultan en altas concentraciones de H2S debido al alto contenido de yeso en los residuos de C&D)

Mejora del biogas: Remoción de H2S

G. Rettenberger, 1996

Materiales generados por los diferentes procesospara la remocion de H2S del biogas

No son aplicables para el tratamiento de biogas debido a la produccion de un gas que contiene altas concentraciones de H2S

Un alto potencial toxico; necesita tratamiento especial

Ferrous oxide (pellets) Pure sulphur

Generación, Captacion y Aprovechamiento del Biogas

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