El proceso de recuperación y utilización de biogás generalmente incluye varios pasos: recolección y pretratamiento de materia prima, fermentación anaeróbica y producción de gas, purificación y mejora del biogás, almacenamiento de biogás y utilización del biogás. Aquí hay una introducción para todos:
Recogida y pretratamiento de materia prima
Recolección de materia prima
Las materias primas adecuadas para la producción de biogás proceden de una amplia gama de fuentes, incluidos residuos agrícolas (como paja, estiércol de ganado y aves de corral), aguas residuales orgánicas industriales, aguas residuales domésticas urbanas, basura, etc. Es necesario establecer un sistema estable de recolección de materias primas basado en las condiciones locales. Por ejemplo, se pueden establecer puntos de recolección centralizados en zonas rurales para recolectar estiércol y paja de ganado y aves de corral; las ciudades pueden cooperar con plantas de tratamiento de aguas residuales y vertederos para obtener las materias primas correspondientes.
Pretratamiento de materia prima
Trituración: En el caso de materias primas crudas, como la paja, la trituración es necesaria para aumentar el área de contacto entre la materia prima y los microorganismos y mejorar la eficiencia de la fermentación. Generalmente, la paja se tritura a una longitud de 2 a 5 cm.
Ajuste de la relación carbono-nitrógeno: una relación carbono-nitrógeno (C/N) adecuada es la clave para la fermentación del biogás y normalmente se controla entre 20 y 30:1. La proporción carbono-nitrógeno se puede ajustar mezclando diferentes materias primas. Por ejemplo, la proporción carbono-nitrógeno del estiércol de ganado y aves de corral es baja, mientras que la de la paja es alta, por lo que ambas pueden mezclarse en cierta proporción.
Ajuste de la humedad: El contenido de humedad de las materias primas se controla generalmente entre el 80 % y el 90 %. Si el contenido de humedad es demasiado alto, se puede reducir mediante secado u otros métodos; si es demasiado bajo, se debe añadir agua según corresponda.
Producción de gas de fermentación anaeróbica
Selección de equipos de fermentación
Los equipos de fermentación anaeróbica comunes incluyen digestores hidráulicos tradicionales, mantas de lodos anaeróbicos de flujo ascendente (UASB), reactores anaeróbicos completamente mezclados (CSTR), etc. El equipo de fermentación apropiado debe seleccionarse en función de factores como las características de la materia prima, la escala de procesamiento y las condiciones climáticas locales. Por ejemplo, los proyectos de biogás rurales en pequeña escala pueden utilizar digestores de biogás hidráulicos; el tratamiento de aguas residuales orgánicas industriales a gran escala a menudo utiliza reactores UASB o CSTR.
Vacunación y preparación
Se añade al fermentador un inóculo con una gran cantidad de microorganismos anaeróbicos, como lodos de depuradora, lodos de tanques de biogás antiguos, etc., para acelerar el inicio de la fermentación. La cantidad de inóculo suele ser del 10 % al 30 % del volumen de la materia prima. Durante el proceso de arranque, es necesario controlar parámetros como la temperatura de fermentación y el valor del pH para permitir que los microorganismos anaeróbicos se adapten gradualmente al nuevo entorno y comiencen a producir gas.
Control del proceso de fermentación
Control de temperatura: La fermentación anaeróbica se divide en fermentación a temperatura ambiente (10-30 °C), fermentación a temperatura media (alrededor de 35 °C) y fermentación a temperatura alta (alrededor de 55 °C). Ambas fermentaciones ofrecen una mayor eficiencia en la producción de gas, pero requieren cierta cantidad de energía para mantener la temperatura. En aplicaciones prácticas, la temperatura de fermentación adecuada se puede seleccionar según las condiciones climáticas locales y el suministro de energía.
Control del pH: El rango de pH adecuado para la fermentación anaeróbica es de 6,5 a 7,5. Un pH demasiado alto o demasiado bajo afectará la actividad de los microorganismos y provocará una disminución de la producción de gases. La estabilidad del pH se puede mantener añadiendo reguladores ácido-base.
Agitación: Agitar regularmente las materias primas de fermentación puede garantizar un contacto suficiente entre las materias primas y los microorganismos, promover la transferencia de sustancias y la producción de gas. Los métodos de agitación incluyen agitación mecánica, agitación con gas, agitación con líquido, etc.
Purificación de biogás
Desulfuración
El biogás contiene cierta cantidad de sulfuro de hidrógeno (H₂S), que es corrosivo y tóxico. Puede dañar equipos y tuberías, además de afectar el rendimiento de la combustión del biogás. Los métodos de desulfuración comúnmente utilizados incluyen la desulfuración seca y la desulfuración húmeda. La desulfuración seca utiliza desulfuradores como el óxido de hierro y es adecuada para proyectos de biogás a pequeña escala; la desulfuración húmeda utiliza soluciones como hidróxido de sodio y carbonato de sodio para absorber sulfuro de hidrógeno y es adecuada para proyectos de biogás a gran escala.
Deshidración
El biogás contiene una gran cantidad de vapor de agua, lo que reducirá el valor calorífico del biogás en un entorno de baja temperatura y provocará la congelación y el bloqueo de las tuberías. El tratamiento de deshidratación se puede realizar mediante condensación, adsorción y otros métodos. El método de condensación consiste en reducir la temperatura del biogás para condensar el vapor de agua; el método de adsorción consiste en utilizar un desecante (como gel de sílice, tamiz molecular, etc.) para adsorber el vapor de agua.
Descarbonización
Para mejorar el valor calorífico y la calidad del biogás, es necesario eliminar el dióxido de carbono (CO₂) del biogás. Los métodos de descarbonización comúnmente utilizados incluyen absorción, adsorción por cambio de presión (PSA), separación por membrana, etc. El método de absorción utiliza soluciones como hidróxido de sodio y etanolamina para absorber dióxido de carbono; el método PSA utiliza la diferente selectividad de adsorción de los adsorbentes para separar el dióxido de carbono y el metano; el método de separación por membrana utiliza las diferentes tasas de permeación de los gases en la membrana para separar el dióxido de carbono y el metano.
Almacenamiento de biogás
Almacenamiento de baja presión
El almacenamiento a baja presión generalmente se lleva a cabo en gabinetes de gas húmedos o secos. Los tanques de almacenamiento de gas húmedo utilizan sellos de agua para almacenar el gas. Estos tienen una estructura simple y son económicos, pero ocupan una gran superficie y presentan altos costos de mantenimiento. Los tanques de almacenamiento de gas seco utilizan membranas de goma o pistones para almacenar el gas. Estos tanques ocupan poco espacio y ofrecen un buen sellado, pero son relativamente costosos.
Almacenamiento de alta presión
Para el biogás que debe transportarse a largas distancias o utilizarse como combustible para automóviles, se puede utilizar almacenamiento de alta presión. El biogás purificado se comprime a 20-25 MPa y se almacena en cilindros de gas de alta presión o tanques de almacenamiento de gas de alta presión. El almacenamiento a alta presión requiere equipos de compresión especiales y dispositivos de seguridad.
Utilización de biogás
Generación de energía
El uso de biogás como combustible para impulsar generadores no solo permite satisfacer las necesidades de electricidad para autoconsumo, sino que también se puede conectar a la red eléctrica. El sistema de generación de energía con biogás se compone principalmente de un motor de biogás, un generador, un dispositivo de recuperación de calor residual, etc. El calor residual generado durante el proceso de generación de energía se puede utilizar para calentar materiales de fermentación o satisfacer otras necesidades de calor, mejorando así la eficiencia de la utilización de energía.
Calefacción
El biogás se puede utilizar directamente para la combustión de calderas para generar vapor o agua caliente, proporcionando energía térmica para la producción industrial, la vida de los residentes, etc. En comparación con las calderas tradicionales de carbón o de petróleo, las calderas de biogás tienen las ventajas de ser limpias, respetuosas con el medio ambiente y tener bajos costos operativos.
Como combustible para vehículos
Tras la purificación y el refinado, el contenido de metano, principal componente del biogás, puede superar el 97 %. Su composición y propiedades son similares a las del gas natural, y puede utilizarse como combustible para vehículos, sustituyendo a la gasolina y el diésel. El biogás de los vehículos debe almacenarse en cilindros de gas a alta presión y equiparse con estaciones de llenado de gas y equipos de modificación de vehículos correspondientes.
Producción de productos químicos
El metano del biogás se puede utilizar como materia prima química para producir productos químicos como metanol, formaldehído y amoníaco sintético. Mediante el uso de tecnología de síntesis química, el biogás se puede convertir en productos químicos de alto valor añadido, logrando una utilización eficiente y un valor añadido del biogás.
