ESTADO DEL ARTE Y PERSPECTIVAS SOBRE PURIFICACIÓN Y...

ESTADO DEL ARTE Y PERSPECTIVAS

SOBRE PURIFICACIÓN Y ENRIQUECIMIENTO DE BIOGÁS

Nombre: Guillermo QuijanoInstitución: Instituto de Ingeniería - UNAM

5º curso RED TRITÓN

Querétaro (México) 27-agosto-2018

Fuentes alternativas de energía



Energía renovable

Energía renovable en forma de BIOGÁS

Residuos con alto contenido en materia orgánica

Digestión Anaerobia



Tecnología biológica robusta y ampliamente aplicada

Materia orgánica

Biogás

Digestato

37°C

55°C

Digestión anaerobia: somos lo que comemos



~60% CH4~39% CO2

H2S (proteínas, sulfato)

Metil siloxanos volátiles (MSVs)Productos cosméticos y detergentes (champú, cremas, maquillajes, acondicionadores, jabones, etc.)

Contaminantes más importantes del biogás



1,000 – 30,000 ppmv H2SO4

H2O, O2

Corrosión

Aguas residuales de papeleras, vinazas

vitivinícolas, producción de ácido cítrico

Abrasión

Contaminantes más importantes del biogás



150 - 400 mg m-3

Principalmente biogás de relleno sanitario (vertedero)

Contaminantes y Aprovechamiento del Biogás



Energía térmica y

eléctrica

Motores de ciclo

combinadoCHP, combined heat & power

H2S concentración máxima

500 ppmv

Siloxanos concentración máxima

0.03 - 28 mg m-3

Purificación del biogás



La purificación del biogás

para la obtención de energía

renovable a nivel industrial es

hoy en día es necesaria

La inversión requerida para la

purificación del biogás es una

limitante para su uso masivo,

sobre todo en plantas pequeñas

Tecnologías Fisicoquímicas de purificación de biogás



Lavado químico

(absorción)

Columnas de adsorción

(adsorción regenerativa)

Alto consumo de

agua

Uso intensivo de

reactivos químicos

Contaminación

secundaria

Costos de

operación de

~€3.6 m-3 h-1

Alto consumo

energético

Altos costos de

inversión

Contaminación

secundaria

Costos de

operación de

~€7.2 m-3 h-1

El sistema más

costoso de

purificación

Sistemas Biológicos de Eliminación de H2S



H2S

SO42-

S0

O2

O2

S0

SO42-

Biogas + H2S

Biogas Biogas

Biogas + H2S

Air inlet

Air outlet

Air inlet

Thipaq®/Shell Paques®

HS- + 0.5O2 → S0 + OH-

Sulphus®/SOX®

HS- + 2O2 → SO42- + H+

1.2 € m-3 h-1

Pros y Contras: Thipaq®/Shell Paques®



S0

Biogas + H2S

Biogas

Air inlet

Air outlet

HS- + 0.5O2 → S0 + OH-

Excelentes para tratar

altas cargas de H2S

Bajo consumo de O2

(aireación/compresor)

Se pueden tratar altas

cargas de H2S

Al generase OH-,

disminuye el uso de

reactivos químicos

Se produce S0, el cual

precipita

Valorización de S0

Baja pureza de S0 (20%

sulfato)

Requiere altas tasas de

recirculación de líquido

(≥20 m h-1)

Sulfato: forma química

asimilada por plantas, S0

requiere etapas

posteriores de oxidación.

Otras aplicaciones del S0

requieren pureza mínima

del 99.2%. Etapas de

purificación posteriores

Pros y Contras: Biofiltros percoladores



SO42-

Biogas

Biogas + H2S

Air inlet

HS- + 2O2 → SO42- + H+

Excelentes para tratar

concentraciones de

H2S < 5,000 ppmv

Sistemas eficientes en

un rango muy amplio

de pH (2 – 9)

Tiempos de retención

de gas muy

competitivos (2-8 min)

Se produce SO42-, que

puede valorizarse

como fertilizante

Poca robustez a

concentraciones de H2S >

5,000 ppmv

Exceso de aireación:

dilución de biogás

Limitación de oxígeno:

acumulación de S0,

pérdida de carga y

taponamiento de lecho.

Requiere altas velocidades

de líquido (e.g. 20 m h-1)

para obtener conversión a

sulfato >80%

Propuesta IINGEN-Juriquilla

Quijano et al., 2018. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, DOI: 10.1002/jctb.5732



Aire

Aire

Biogás + H2S

Biogás

NO3-

N2

No hay dilución del biogás

Eficiencias de remoción del 100%

2,500 < H2S < 10,000 ppmv

Conversiones de S-H2S a sulfato

superiores al 80%

Velocidad de líquido 1.7 – 3.0 m h-1

Sin pérdidas de carga

Se puede usar aire o nitrato para la

oxidación del H2S

SO42- Fertilizantes

Integración y valorización



SO42-

Aire

Aire

Biogás + H2S

Biogás

NO3-

N2

Fracción líquida

Digestato

Secado

Fracción sólida

Aire

Aire

NO3-

NO3-

Fertilizante

Composta

Biogás limpio

Sistema anóxico




SO42-

Fracción líquida

Digestato

Secado

Fracción sólida

Aire

Aire

Aire

NO3-

Fertilizante

Composta

Biogás limpio

Aire

Aire

Biogás + H2S

BiogásSistema aerobio

Sistemas Biológicos de Eliminación de Siloxanos



¡Nicho de

investigación

interesante!

Biogas

Biogas +

Siloxanos

Air inlet

Baja solubilidad en agua

Constante adimensional de Henry

de 10 @ 1atm y 26°C

Pobre transferencia de masa

Eficiencia de remoción del 43% en

sistemas aerobios, con tiempos

de retención de gas de 19.5 min

Eficiencia de remoción del 15% en

sistemas anaerobios, con tiempos

de retención de gas de 4 min

Propuesta IINGEN-Juriquilla



NO3-

N2

14NO3- + [Si(CH3)2O]4 + 20H+ → 7N2 + 4SiO2 + 8CO2 + 22H2O

Proceso anóxico desnitrificante

Sin riesgo de dilución de biogás

Mejorar la transferencia de D4 y

D5 con adición de una fase

orgánica afín por siloxanos

Sistema para el tratamiento

combinado de H2S y siloxanos

Biogás + H2S

Biogás

Aceite de

silicón

Enriquecimiento del biogás



BIOGÁS

60% CH4

40% CO2

BIOMETANO

≥ 95%

CH4

• Mayor poder calorífico

por m3 de combustible

• Se puede inyectar en

redes de gas natural

Tecnologías Fisicoquímicas de enriquecimiento de biogás

Luo and Angelidaki, 2013. Applied Microbiology and Biotechnology 97:1373-1381



Absorción con

poliglicolAdsorción con

zeolitas

MembranasOperación altas presiones

Taponamiento si hay vapor de agua

Se requieren por lo menos 2 en línea

Sistemas costosos (semejante a adsorción)

Sistemas muy compactos

Sistemas Biológicos de Enriquecimiento de biogás

Quijano et al., 2017. Biotechnology Advances 35:772-781



[CH4] ≥ 95%

Biogás

CH4CO2

H2S

Biometano

H2S SO42-

CO2 O2

Sistemas de microalgas y bacterias

High Rate Algal Ponds (HRAP)



Reactores tipo “Raceway”

Biometano≥95% CH4

Biogás

Columna de

absorción

CO2

H2S

Tratamiento de agua residual




Fracción líquida

Digestato

Secado

Fracción sólida

Biomasa microalgal

Composta

Biometano limpio

CH4

Biogas

Biogás

CH4 ≥ 95%

Enfoque IINGEN-Juriquilla



Biogás rico en H2S (≥5,000 ppmv)

Módulo de

absorción

CH4

Biogas

Tiempo característico

de absorción:

15 – 30 min

Tiempo característico (TRH):

10 - 20 días

Airlift

H2S: 5,000 – 30,000 ppmv

Objetivo 1: absorber tanto CO2

como las tas cargas de H2S

Se espera una alta acumulación

de sulfato en el líquido

Investigar el desempeño de

comunidades de microalgas-

bacterias ante altas

concentraciones de sulfato




Fracción líquida

Digestato

Secado

Fracción sólida

Biomasa microalgal

Composta

Biometano limpio

CH4

Biogas

Biogás

rico en

H2S

CH4 ≥ 95%

Fertilizante

SO42-

NO3-



Gracias por su atención

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TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALESMEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADASEN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508

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