Evaluación del balance de masa y energía para el diseño

Evaluación del balance de masa y energía para el diseño de un
biodigestor de flujo continuo, para la generación de biogás a partir de
biomasa residual de la ciudad de Tepic México
I. Paz Hernándeza, Oscar G. Martíneza, Enrique Estradaa, Sarah R. Messina Fernández, Carlos Escobar del Pozob.
a
Cuerpo Académico de Sustentabilidad Enérgetica, Ciencias Básicas e Ingenierías de la Universidad Autónoma de
Nayarit, Ciudad de la Cultura "Amado Nervo", Col. Los Fresnos Tepic, Nayarit. México. C.P. 63190.
[email protected]
b
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad de Colima, Km. 9 Carretera Colima-Coquimatlán C.P.
28400, Coquimatlán, Colima, México.
Resumen. En los últimos años, con el crecimiento de la población y el consumismo, se ha
incrementado la generación de basura o residuos sólidos. Estos residuos sólidos o “basura”
tienen un alto potencial en cuanto a contaminación se refiere, si no se les aplica un tratamiento
adecuado. En general todo tipo de residuo sólido orgánico urbano (RSO), por su contenido de
materia orgánica es utilizado para fines energéticos mediante procesos de transformación de
biomasa residual en biogás. Por ello, esté trabajo tiene como objetivo, evaluar el balance de
materia y energía para el diseño de un biodigestor de flujo continuo; empleando residuos sólidos
orgánicos municipales de la ciudad de Tepic Nayarit- México, como materia prima para la
producción de biogás. Se realizó el análisis físico-químico a la biomasa residual, se
determinaron parámetros importantes del proceso de la degradación anaerobia como: el rango de
operación de la biodigestión mesofílica, que fue de 21°C a 35°C, el volumen de residuos sólidos
orgánicos que se procesaron diariamente, que fueron de 11l/día, el tiempo de retención
hidráulica (THR), que fue de 16 días, la carga orgánica (Q), la cual fue de 0.490l/día. También
se manejó como un parámetro importante la inoculación, para amortiguar el pH de la biomasa
residual, la relación fue de 50:50 (biomasa residual: Co-sustrato), obteniéndose un pH igual a
7±1. La producción diaria de biogas fue de 5.775X10-4 Kg de CH4, equivalente a 9.076X10-3MJ.
El balance de energía mostró la importancía de los requerimientos energéticos de operación del
sistema qué se proponga, así como el material de fabricación y el grosor, los cuales son
determinantes para no tener perdidas de calor en el biodigestor.
Palabras Clave: Balance de energía. Potencial energético. Composición Química.
1. Introducción
La palabra basura se utiliza comúnmente para denominar a los desechos domiciliarios,
industriales, de jardinería, entre otros. A estos desechos les llamaremos Residuos Sólidos
Urbanos (RSU), de los cuales diferenciamos a los Residuos Sólidos Orgánicos (RSO) restos de
comida, vegetales, etc. La problemática de los RSU no es nueva ya que se remonta miles de
años atrás desde que el hombre se comenzó a establecer en forma sedentaria.
En la actualidad uno de los mayores problemas a nivel mundial es la contaminación, por eso
surge la necesidad de tratar a los RSO. Una alternativa es el tratamiento de los RSO de forma
acelerada para la obtención de energía (biogás) y composta de alta calidad (mejorador de
suelos). Esta alternativa parece ser viable para atender la gran problemática a la que nos
enfrentamos hoy en día que es la disposición final de los RSU.
En los basureros a cielo abierto, los RSO se degradan bajo condiciones de anaerobiosis no
controlados dando como resultado la generación de biogás CH4 (60 %) y CO2 (40 %), lixiviados
y fauna indeseable (insectos, roedores, entre otros). Esto ocasiona contaminaciones al suelo,
mantos acuíferos y corrientes subterráneas subterráneos de agua dulce y a la atmósfera.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
El CH4 es un gas con un efecto invernadero 20 veces mayor que el CO2. Es por eso que se busca
degradar a los RSU de una manera acelerada y controlada simulando las condiciones de un
relleno sanitario, con la finalidad de recuperar el biogás para su posterior reutilización, además
de contar con los beneficios del composteo.
El creciente aumento en el precio mundial del petróleo y los combustibles ha producido un
profundo efecto sobre las políticas energéticas de las naciones. En los países ricos, tal hecho ha
provocado un desarrollo desbordante en la explotación de reservas aparentemente ilimitadas de
fuentes de energía barata. En los países pobres, el efecto representa un incremento en su ya de
por si crítica situación, originando de esta forma que la brecha entre las necesidades reales de
una comunidad y su posibilidad de satisfacerlas se amplie aún más.
Por todo ello existe una urgente necesidad de encontrar y desarrollar tecnologías de bajo costo
mediante el uso inteligente de los recursos locales, para así ayudar a resolver el problema que
afrontan los países pobres. Los campos prioritarios para su solución lo representan los
problemas de suministro de potencia y energía. Las plantas generadoras de gas metano son un
mecanismo ecológicamente puro para obtener potencia y energía, puesto que proveen un
combustible limpio, amplio y eficientemente aplicable, con combustión excenta de humos, y
además, un fertilizante no patógeno rico en material orgánico, humus, nitrógeno, fósforo y
potasio.
Los RSO que se generan en la ciudad de Tepic Nayarit representan el 37% de los RSU [1], por
ello se pretende reducir estos residuos de forma controlada a través de la técnica de digestión
anaerobia con biodigestores de flujo continuo. El objetivo del presente trabajo fue, evaluar el
balance de materia y energía para el diseño de un biodigestor de flujo continuo; empleando
residuos sólidos orgánicos municipales de la ciudad de Tepic Nayarit- México, como materia
prima para la producción de biogás. Se realizó el análisis físico-químico a la biomasa residual,
se determinaron parámetros importantes del proceso de la degradación anaerobia como: el rango
de operación de la biodigestión mesofílica, que fue de 21°C a 35°C, el volumen de residuos
sólidos orgánicos que se procesaron diariamente, que fueron de 11l/día, el tiempo de retención
hidráulica (THR), que fue de 16 días, la carga orgánica (Q), la cual fue de 0.490l/día.
2. Materiales y Métodos
I.) Evaluar el balance de materia. Para el diseño de un equipo es necesario un balance de materia
atendiendo el objetivo por el cual se desea diseñar el equipo, bien puede ser para predecir líneas
de entrada o salida, volumen requerido, entre otros. Identificados los datos de la composición
biológica y química presentes en la biomasa residual del proceso de digestión anaeróbica, se
procedió a identificar las líneas de corriente del biodigestor. Primero se elaboró con la ecuación
de generación de biogás teórico, con los datos de la composición química de los residuos sólidos
urbanos publicados por el autor Tchobanoglous con los RSU de España [2].
II.) Diseño del biodigestor.
III.) Calcular los parámetros básicos de los equipos complementarios de la instalación
IV.) Realizar los cálculos de generación energética.
3. Resultados y discusiones
3. 1. Balance de Materia
Los resultados de la determinación teórica-experimental de biogás se muestran en la tabla 1.
Tabla 1: Resultados del balance de materia
Para 1.65 Kg de RSU, mezcla al 20% sólidos, Volumen de la mezcla
8.25 Lts ,75% del volumen del biodigestor de RSU, Tchobanoglous
Peso en kg
Nomenclatura
Compuestos kg
Composición química
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
%
0.362
C= 48.5
0.0463
H= 6.2
0.295
O= 39.5
0.01045
N= 1.4
Energía de la producción de biogás.
N
A
B
--
H2O=0.203
CO2=0.249
CH4=0.113
--
Para 1000 Kg (1 tonelada) de RSU, Stchovanubus.
Peso en kg
Nomenclatura
Composición química
%
265.36
N
C= 48.5
33.92
A
H= 6.2
216.12
B
O= 39.5
7.66
--N= 1.4
Energía de la producción de biogás.
5.55 MJ*
0.001MW-h
Compuestos kg
H2O=148.82
CO2=182.46
CH4=82.89
4068 MJ
1.13MW-h
* El biogás generado es capaz de producir 5.55 MJ suponiendo un poder calorífico de 18.86 MJ/m3, una densidad de 1.23 kg/m3 [3]
En una tonelada de residuos orgánicos se generarían 219.54 Kg de biogás o 178.48 m3. El
balance de materia se realizó de manera teórica-experimental suponiendo un posible
comportamiento del proceso, la producción de biogás en realidad sería mucho menor pero aun
así sabemos que la producción de biogás no excederá los resultados obtenidos. Generalmente se
acepta que un volumen máximo aproximado de 200 m3 de biogás puede generarse a partir de
una tonelada de residuos sólidos urbanos dispuestos en el relleno sanitario [4].
3. 2 Diseño del biodigestor. Existe una amplia gama de factores que deben tomarse en cuenta al
diseñar un equipo para poder satisfacer las necesidades por el cual se pretende elaborar. En este
trabajo se consideraron los siguientes parámetros de diseño:
Determinación del tamaño (volumen del biodigestor) y su geometría.
El volumen requerido por el biodigestor debe ser considerado utilizando la carga volumétrica
(Volume Load, VL) a soportar o por el tiempo de retención hidráulico (Hydraulic retention
time, HRT).
El biodigestor se diseñó con un volumen total de 11L tomando en cuenta que aproximadamente
75% de este será ocupado por la mezcla residuos-agua dejando el 25% para la acumulación del
biogás que se esté generando.
Se dimensionó un reactor en forma cilíndrica de 11 Lts de volumen total; por lo cual se
determinó dicho volumen basándose en los siguientes datos; diámetro = 20 cm, altura de 35 cm
y con la ayuda de la fórmula de volumen de un cilindro:
V = π* r2 * h
(1)
con esta misma ecuación se determinó el volumen máximo de proceso dejando 10 centímetros
libres en la parte superior del biodigestor para la acumulación de biogás donde:
V= Volumen de proceso del biodigestor.
h= Altura del área de biodigestión= 35cm - 10cm= 25cm.
r= Radio del biodigestor = 10cm
Uno de los parámetros importantes es la carga orgánica y esta se determinó con la siguiente
relación:
Q=
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
(2)
Donde:
Q= Carga hidráulica
V=Volumen del proceso del biodigestor
THR=Tiempo de retensión en días = 16 días.
El rango del tiempo de retensión hidráulica (TRH) a una temperatura mesofílica de 35ºC según
diferentes bibliografías es entre 15 y 30 días, y con base a nuestra experimentación con
matraces, el promedio del TRH fue de 16 días.
Encamisado y tapa del biodigestor
El biodigestor se diseñó con una chaqueta de calentamiento, para mantener la mezcla a la
temperatura óptima de acuerdo a lo establecido anteriormente, ésta tiene una altura de 25 cm
aproximadamente, cubre el 75% del biodigestor que es el nivel de llenado para la mezcla
residuos-agua, dejando el 25% para la acumulación de biogás.
La alimentación al igual que la salida de agua caliente se encuentra en la parte superior de la
chaqueta, hay que tomar en cuenta que se estará recirculando agua caliente las 24 horas del día.
La distancia de la pared exterior del tanque y la pared interior del encamisado es de 1.5 cm, el
grosor de las paredes es de 0.5 cm, en la base de la camisa el biodigestor cuenta con una purga
para el agua de calentamiento. En la figura1 se muestra detalladamente las medidas del tanque y
su enchaquetamiento.
La tapa del biodigestor de forma cóncava (ver figura 1) cuenta con un orificio de alimentación,
el cual tiene una inclinación de 23º, con el fin de facilitar la carga del biodigestor ya que se
encuentra muy cerca del eje del agitador en el orificio central, del lado izquierdo, como se
aprecia en la figura1 en la entrada de 1 cm de diámetro interior el cual está destinado para un
sensor de temperatura o bien podría introducirse un termómetro con el fin de controlar este
parámetro de gran importancia que es el que nos marcará el tiempo de retensión hidráulico. Por
último el orificio que se encuentra en la parte superior de la figura cuenta con un diámetro
interno de 1.5 cm y una altura de 2 cm, esta parte puede observarse en la parte central de la vista
lateral, es la salida del biogás (figura 1).
Figura 1: Dimensiones del tanque, tapa y chaqueta en cm.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
Selección del agitador
Tabla 2: Parámetros y medidas del agitador
Figura 2: Diseño del dimensionamiento del tanque y el
agitador seleccionado
Parámetros
Medida
Dt= Diámetro del tanque
20 cm
Da= Diámetro del agitador
8cm
L= Largo de la paleta de la
turbina
2.75cm
W = Ancho de la paleta de
la turbina
1.6cm
C = Posición de la turbina
sobre la base del tanque
6.66cm
H = Altura del biodigesor
35cm
Longitud del rotor
39.1 cm
Balance global de energía.
En la Figura 3 se muestran los requerimientos energéticos de cada equipo determinado para el
diseño.
Figura 3. Requerimientos energéticos por el diseño en los 16 días de operación
En la figura 3 se observa la gran diferencia que existe entre las pérdidas por fricción, entre el
agitador y la bomba con respecto a las pérdidas de calor que existe a través de las paredes del
biodigestor. El biogás generado teóricamente tiene una capacidad de 5.5 MJ (5,500,000 J) por lo
tanto la energía disponible sería la diferencia de la energía que genera el biogás y los
requerimientos del sistema (figura 3).
La producción neta teórica de energía que generó el diseño (energía disponible) es de 1.8 MJ, se
consumió alrededor del 67% de la energía “que se produjo teóricamente para el funcionamiento
del biodigestor”.
4. Conclusiones
La viabilidad de emplear biodigestores en el tratamiento de los RSO viene dada principalmente
por los requerimientos energéticos de operación del sistema que se proponga, el material de
fabricación y el grosor de éste, el cual juega un papel de gran importancia en las pérdidas de
calor que se obtengan. La implementación de un material aislante térmico nos ayuda a reducir
de manera significativa las pérdidas de calor por las paredes del biodigestor; de tener pérdidas
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos
de 8.7 kW se redujce a 2.6 W utilizando corcho como aislante térmico con un grosor de 4cm.
Conforme se aumente el grosor de este, menor serán las pérdidas al medio ambiente.
Conforme se reduzca el calor que emigra por las paredes del biodigestor, aumentará la
viabilidad del uso de estos en el tratamiento de los RSO, puesto que la energía requerida por el
agitador, bomba y las tuberías representa únicamente el 2.5% y las pérdidas de calor representan
el 97.5% del total de la energía requerida.
Referencias Bibliográficas
[1] Ibarra Rodríguez D., Rentería Cataño O., (2012). Estudio de prefactibilidad para la
construcción de un relleno sanitario de Tepic, Nayarit. Tesis de licenciatura. Universidad
Autónoma de Nayarit. México.Español.
[2] Tchobanoglous, G., Theisen, H. Y Vigil, S. (1997). Gestión Integral de Residuos Sólidos.
Traducido de la 1º Ed. México: McGraw-Hill, Vol.1, pag. 784,789.
[3] Martin González S. (1997). Producción y recuperación del biogás en vertederos controlados
de residuos sólidos urbanos: análisis variables y modelización. Tesis doctoral. Universidad
de Oviedo. E.T.S.I.I e I.I.
[4] Camargo, Y. Vélez, A. (2009). Emisiones de biogás producidas en rellenos sanitarios. II
Simposio I Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 3d-Camargo-Colombia001. Septiembre.
Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos