Generación, Captacion y Aprovechamiento del Biogas

Curso Internacional: Diseño y Operación de Rellenos Sanitarios para América Latina Quito, Ecuador – 15 al 17 de Noviembre 2010 Generación, Captacion y Aprovechamiento del Biogas L.F. Diaz CalRecovery, Inc. Concord, California USA

iwwg Generación y Manejo del Biogas

Contenido • 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: • CH4: combustible, riesgo de explosiones, GEI • CO2: toxico para las plantas y los seres humanos

Particulas Finas Particulas medianas (8-40 mm) (> 8 mm) Residuos Vidrio Embalaje Problematicos MetalsFerrosos Pañales Materiales compuestos MetalesNo ferrosos Minerales Textiles Plasticos Residuos de Comida Papel Cartón Ejemplo de la Composición de Residuos Domésticos (Ciudad Europea)

Evolución de la Composición del Biogas I I aerobic phase aerobic phase V V long term phase long term phase II II acidic phase acidic phase VI VI air air infiltration phase infiltration phase III III unstable methanogenic phase unstable methanogenic phase VII VII methane oxidation phase methane oxidation phase IV IV methanogenic phase methanogenic phase VIII VIII CO CO - - phase phase 2 2 IX IX ambient air ambient air phase phase [%] [%] in [%] in [%] composition composition the maximum value the maximum value production production - - - - LFG LFG LFG LFG of of undisturbed undisturbed LFG LFG - - production production disturbed disturbed LFG LFG - - production production 2 – 5 years time time Varias decadas acidica aerobica metanogenica inicial metanogenica estable Largo plazo Quelle: VDI 3790 Bl. 2, 2000

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 Evitar poner en el relleno residuos que contienen yeso Problemas

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)

Modelos

Predicción de la Producción de Biogas durante el Tiempo --- Modelo de Biogas - Gt = Ge (1-e -kt) 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

Produccion de gas totalGt 250,0 200,0 150,0 [m³/Mg DM] 100,0 50,0 Gt (H=6a) Gt (H=4a) Gt (H=10a) 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 tiempo [a] Calculo de Volumenes de Biogas Usando Modelos Tiempos de media vida variables

Tasa de Produccion de Gas (despues de descargar una ves) 45 Pt (H=6a) 40 Pt (H=4a) Pt (H=10a) 35 [m³/Mg*a] 30 t 25 20 15 Tasa de produccion de gas 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tiempo (años)] Influencia de diferente valores de T0.5

Produccion de biogas Pt-total para descarga continua 25.000.000 gas production rate Pt (H=6a) [m³/a] gas production rate Pt (H=12a) [m³/a] 20.000.000 15.000.000 total landfill gas production [m³/a] 10.000.000 5.000.000 0 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] Producción Total de Biogas

Tasa de producción Tasa de colección Tasa de Colección de Biogas 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)

Problemas causados por el Biogas (I) • Explosiones • Metano es un gas combustible, con riesgo de explosión entre los 5-15 (% v/v) en el aire • Efecto Invernadero • Destrucción de la capa de ozono • Impacto del metano es aproximadamente 21-veces mayor que el impacto del CO2

Problemas causados por el Biogas (2) • Migracion 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 planonhumans, 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

Compuesto inflammable Valor limite de explosion pre-alarma cierre Monitoreo de CH4 12,5 % 25 % 30 % Monitoreo de O2 11,6 % 6 % 3 % Protección para la explosión (3) Valores limite para fiscalizar y cerrar un sistema de extraccion de biogas

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) • Quemador • para quemas exceso de biogás • Unidades para el Uso del biogás • (estaciones para generación de electricidad, generadores

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Biogas User II (heat) Gas well LFG collection pipe High temperature flare Blower Horizontal LFG collection system Blower Gas transportation pipe Condensate trap User I (electricity) Gas pre-treatment Gas utilisation

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Biogas Fundamentos 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 extracción basado en las pruebas para determinar el radio de influencia y el área del relleno Determinación de un factor de seguridad Determinación de las velocidades máximas de flujo en las tuberias de recolección

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

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Biogas Prueba de Extracción de Biogas • Objetivos: • Estimar las tasas de producción de biogas para dimensionar el sistema de extracción • Clasificación de rellenos en fases especificas de operación • Verificación negativa de la producción de biogas • Desempeño: • Comenzar con tasas de extracción bajas (< 5m³/h) • Después de llegar a una concentración constante de CH4 y de O2 : Incrementar las tasas de extracción • Duración de la prueba: debe ser a lo menos del 20% del volumen no rellenado debe ser extraído (generalmente debe de ser varios días (corto termino) o semanas (largo plazo), si es necesario

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Biogas Resumen de Datos Fundamentales ) Soplador y Uso de biogas Pozo Tuberia dre recoleccion prnciapl Estacion de recoleccion 115 m Tuberia dr recoleccion 150 m Area del relleno: 1.62 ha Volumen del relleno: 91,456 m³

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Biogas Resumen de Datos Fundamentales

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Biogas (Calculo y Verificación de Pozos) Diametro para tuberias de filtro y recoleccion de gas PEAD 110 * 6,3 mm; PN 6 (DIN 8074) PEAD 355 * 20,1 mm; PN 6 (DIN 8074 / DIN 19537) verificacion de max. Volumen de gas Flujo max. 200 m³/h 2,000 m³/h Error 40 m³/h 400 m³/h Flujo 240 m³/h 2,400 m³/h Dimensiones de tuberia Diametro externo 110 mm 355 mm Espesor 6,3 mm 20,1mm Diametro interno 97,4 mm 314,8 mm Seccion interna 0,0075 m² 0,0778 m² Flujo maximoQmax = vmax * A Qmax = vmax * A Qmax = 10 m/s * 0,0075 m² Qmax = 10 m/s * 0,0778 m² Qmax = 0,075 m³/h = 270 m³/h Qmax = 0,778 m³/h = 2,800 m³/h Qmax > Qreq. Qmax > Qreq Principales tuberias de recoleccion Tuberiasde Filtro

Diseño y Dimensionamiento de un sistema de Extracción de Biogas Gas (diseño de pozo, sección) LFG-collection pipe Compensator Valve Landfill top cover Clay cap PEAD pipe (externo : 110 mm) PEAD tuberia perforada (externo : 110 mm) Gravel / sand Waste

Ejemplos de Pozos de Gas (Examples) Tubería Perforada de PE (pozo de gas convencional) Pozo de gas con capa de filtro integrado

Perforación del Pozo de Biogas (1)

Terminando la Construcción del Pozo Installation of the clay cap Instalación de la capa de filtro – grava gruesa (tamaño de partícula: 16 – 32 mm)

Biogas extraido Filter (coarse gravel) Surface capping Landfill body (wastes) Area de influencia Base liner Area de influencia alrededor de un pozo vertical

Pozo de gas surface capping ambient air macro poros micro poros Area de influencia alrededor de un pozo vertical • 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 User II (heat) Gas well LFG collection pipe High temperature flare Blower Horizontal LFG collection system Blower Gas transportation pipe Condensate trap User I (electricity) Gas pre-treatment Gas utilisation

Condensado • 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 Cossu et al., 1996

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

Diseño y Dimensionamiento de un Sistema de Extracción de Gas Calculo del Condensado 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) 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)

Soplador Soplador lateral Soplador con piston rotatorio

Estación de Recolección de Gas

Estación de Colección de Gas Tuberias principales conectando la estacion de coleccion con la unidad de extraccion Tuberias conectando la estacion de gas con los pozos

Uso del Biogas gas collection gas disposal gas utilisation direct utilisation flaring combustion muffle gas cleaning gas storage gas engine gas turbine burning methane separation steam turbine, steam motor generator, block-type thermal power station generator, steam electricity mech. energy heat natural gas

Generación, Captacion y Aprovechamiento del Biogas