Generadores de oxígeno para plantas de biogás
El sulfuro de hidrógeno es el componente de su biogás que ataca todo lo que hay aguas abajo del digestor. La desulfuración biológica elimina la mayor parte dentro de la propia planta y funciona con una dosis pequeña y continua de oxígeno. OXYBERG® produce ese oxígeno a partir de aire comprimido en sus propias instalaciones, de modo que el azufre sale del gas sin que llegue en su lugar una carga de nitrógeno inerte.
Qué hace el oxígeno en una planta de biogás
El biogás bruto sale del digestor con sulfuro de hidrógeno, y la cantidad depende del sustrato más que de la planta. Los sustratos ricos en azufre y en proteína, como los purines, las vinazas o los residuos alimentarios, producen mucho más que los cultivos energéticos, y las cifras publicadas para plantas agrícolas van desde unos cientos hasta varios miles de ppm.
Después, ese gas tiene que mover un motor de cogeneración. El sulfuro de hidrógeno se quema hasta dióxido de azufre y condensa como ácido en todas las superficies frías aguas abajo, y va atacando las conducciones de gas, los intercambiadores de calor, el aceite del motor y el propio motor. Los fabricantes de motores publican un límite en la admisión, y por encima de él la respuesta son intervalos de cambio de aceite más cortos, un desgaste más rápido o una discusión de garantía. En las plantas que enriquecen el gas hasta biometano, el mismo azufre reaparece como consumo de adsorbente: lo que no quita el digestor lo tiene que quitar la etapa de limpieza.
La desulfuración biológica se ocupa de la mayor parte antes de que nada de eso ocurra. Una cantidad pequeña y controlada de oxígeno entra en el espacio de cabeza del digestor o, más habitualmente, del digestor secundario. En esas superficies húmedas ya viven bacterias sulfuro-oxidantes que, con oxígeno disponible, oxidan el sulfuro disuelto hasta azufre elemental, que decanta y se va con el digestato. No se compra ningún reactivo y no se retira ningún medio, y por eso es la primera etapa de eliminación de azufre en la mayoría de las plantas que tienen una.
El oxígeno sale de un generador PSA: el aire comprimido atraviesa un tamiz molecular que retiene el nitrógeno mientras el oxígeno pasa, con un depósito que se regenera mientras el otro produce. La página del generador de oxígeno PSA explica el proceso en sí.
Aire u oxígeno, y lo que cuesta el nitrógeno
Las bacterias necesitan oxígeno. Solo alrededor de una quinta parte del aire es oxígeno, y las cuatro quintas partes restantes son nitrógeno que nada consume en la planta. Si dosifica aire, ese nitrógeno se queda en el biogás hasta el motor o hasta la unidad de enriquecimiento.
Merece la pena hacer la cuenta con sus propias cifras. Un digestor que produce 500 Nm³/h de biogás, dosificado con aire al cinco por ciento del caudal de gas, admite 25 Nm³/h de aire, de los cuales unos 20 Nm³/h son nitrógeno. Cerca del cuatro por ciento de lo que sale de la planta es un gas inerte que nunca estuvo en el digestor, y la fracción de metano baja aproximadamente en la misma proporción.
Para una planta que quema su gas in situ eso es una pérdida medible de poder calorífico. Para una planta que enriquece hasta biometano es algo más, porque el nitrógeno es el componente que las tecnologías de enriquecimiento habituales no eliminan: los sistemas de membranas y de aminas separan dióxido de carbono, no nitrógeno. Las especificaciones de red tampoco dejan mucho margen: los límites europeos de oxígeno en el biometano inyectado se sitúan en torno al uno por ciento, y son bastante más estrictos donde una red conecta con un almacenamiento subterráneo.
El oxígeno del 90 al 95 por ciento consigue la misma oxidación con aproximadamente una quinta parte del volumen de gas, y lo que lo acompaña son unos pocos puntos de argón y de nitrógeno, no la mayor parte de la corriente. El gas inerte que usted añade a su propio producto baja de varios puntos porcentuales a una fracción de punto.
Cuánto oxígeno necesita un digestor
La dosis sigue a la carga de azufre, no al tamaño de la planta. Dos digestores con la misma potencia eléctrica pueden necesitar dosis muy distintas porque sus sustratos llevan distinto azufre, y un mismo digestor varía a lo largo del año según cambia la mezcla de alimentación. Como orden de magnitud, la literatura técnica sitúa la necesidad en torno al 0,5 a 1,5 por ciento del caudal de biogás en oxígeno puro, equivalente a algo así como el 3 a 6 por ciento si se usa aire. Tómelo como horquilla de partida y confírmelo frente a sus propias lecturas de H₂S.
Las dos direcciones tienen un coste. Con poco oxígeno, el sulfuro se queda en el gas. Con demasiado, la oxidación sigue más allá del azufre elemental hasta ácido sulfúrico, que ataca el hormigón del espacio de cabeza, mientras que el oxígeno no consumido aparece en el análisis de gas, donde una planta de enriquecimiento es la primera en notarlo. Por eso la dosis se regula frente a un valor medido de H₂S y a una lectura de oxígeno residual, en lugar de ajustarse una sola vez en la puesta en servicio.
Cómo dimensionar un suministro de oxígeno para una planta de biogás
Parta de la carga de azufre
El caudal de biogás multiplicado por la concentración de H₂S da la carga que las bacterias tienen que procesar. Tome las dos cifras de su propio analizador de gas a lo largo de un ciclo completo de alimentación, incluida la peor mezcla de sustrato que emplee, y no de los valores de diseño del expediente de puesta en servicio.
Defina qué tiene que cumplir el gas
Un límite en la admisión del motor y una especificación de entrada a la unidad de enriquecimiento son objetivos distintos, y llevan a valores de H₂S residual distintos y a dosis distintas. Decida cuál manda antes de dimensionar nada.
Convierta la carga en un caudal de oxígeno
Dosifique como porcentaje del caudal de biogás y dimensione después para el pico, no para la media anual. Un generador dimensionado para la media se queda corto justo cuando entra una carga rica en azufre.
Compruebe el aire comprimido
El caudal de oxígeno multiplicado por el factor de aire de 11 da la demanda, a cualquier pureza de la gama. La calidad cuenta tanto como el volumen: el arrastre de aceite y la humedad residual acortan la vida del tamiz, y OXYBERG® está previsto para aire comprimido según ISO 8573-1:2010 clase 1.4.1 a 7 bar(g).
¿Necesita dimensionar para su aplicación?
No necesita todas sus lecturas para empezar. Cuéntenos el tamaño de su planta y cómo gestiona hoy el azufre, y le diremos si un generador de oxígeno merece una mirada más detenida. Si tiene a mano sus cifras de H2S y la especificación del gas, envíelas y recibirá una propuesta de dimensionamiento.
Dónde termina la desulfuración biológica y dónde empiezan otros métodos
La desulfuración biológica rara vez es la única etapa de azufre de una planta, y tampoco pretende serlo. Las sales de hierro dosificadas en el sustrato fijan el sulfuro en fase líquida antes de que llegue al gas. Funcionan, son sencillas de instalar a posteriori y son un consumible con un coste de explotación por tonelada de sustrato y una carga de hierro que acaba en el digestato. El carbón activo se sitúa al otro extremo de la cadena, como etapa de afino: muy eficaz hasta valores bajos de ppm, y un medio que se sustituye según un calendario y se retira como residuo.
Las unidades biológicas externas (biofiltros percoladores y lavadores de dos etapas) reproducen el mismo proceso biológico fuera del digestor con un control más estrecho, y un diseño de dos etapas mantiene el aire de proceso totalmente fuera del gas a cambio de una inversión mayor.
En la mayoría de las plantas la respuesta práctica es una combinación. La desulfuración biológica dentro del digestor se lleva la mayor parte del azufre al menor coste de explotación, y una etapa de afino se lleva los últimos ppm allí donde rige una especificación estricta. El suministro de oxígeno afecta a la primera, que además es la que carga con casi todo, y una primera etapa bien llevada es lo que impide que los consumibles de la segunda se conviertan en el coste de explotación dominante.
Por qué generar el oxígeno in situ
Sin lastre de nitrógeno en su gas
Es la razón de fondo para usar oxígeno en lugar de aire. Se produce la misma oxidación sin que cuatro quintas partes del volumen dosificado sean un gas inerte, de modo que el contenido de metano, el poder calorífico y la carga de inertes de su biometano se quedan donde estaban.
Un PSA está hecho para el servicio continuo
La desulfuración funciona siempre que funciona el digestor, es decir, la mayor parte de las horas del año. Un caudal pequeño, constante y sin interrupciones es el perfil de carga para el que está construido un generador PSA, y el que peor encaja con un calendario de entregas. Hoy la mayoría de las plantas de biogás no compra oxígeno: sopla aire o dosifica sales de hierro, así que la comparación no es una factura de gas, sino el nitrógeno inerte que usted arrastra en su gas y los consumibles que sigue comprando. Lo que vale un generador en su planta depende de su carga de azufre y de su precio de la electricidad, y ese cálculo conviene hacerlo juntos antes que nada.
Una dosis que usted puede ajustar
El sustrato cambia y el H₂S sube con él. Con su propio generador usted cambia una consigna y comprueba el análisis, en lugar de renegociar un volumen de suministro y esperar a la siguiente ventana de entrega.
Piezas de desgaste estándar, servicio abierto
Los filtros y las piezas de desgaste son productos estándar disponibles en el mercado, de modo que el servicio sigue abierto a la competencia durante toda la vida de la máquina. La garantía es de tres años de serie y de hasta cinco años con contrato de servicio.
Generadores de oxígeno OXYBERG® para plantas de biogás
OXYBERG cubre 18 tamaños en total, listados al completo en la página general de generadores de oxígeno. La selección siguiente abarca la franja en la que se sitúa la mayoría de los digestores, mostrada con pureza del 90 % porque ahí es donde trabaja la desulfuración biológica.
| Modelo | O₂ al 90 % | Aire comprimido al 90 % |
|---|---|---|
| OXYBERG® 500 | 2,1 Nm³/h | 23,1 Nm³/h |
| OXYBERG® 900 | 9,2 Nm³/h | 101,2 Nm³/h |
| OXYBERG® 1200 | 18,9 Nm³/h | 207,9 Nm³/h |
| OXYBERG® 1500 | 44,6 Nm³/h | 490,6 Nm³/h |
| OXYBERG® 1700 | 65,8 Nm³/h | 723,8 Nm³/h |
El tamaño que encaja se deduce de la carga de azufre y no de la potencia eléctrica instalada, y hay que prever un depósito pulmón en el proyecto incluso donde la demanda media parece holgada, porque una carga nueva de sustrato rico en azufre no espera al generador.
Cuando una planta no dispone de aire comprimido adecuado, el generador se planifica como instalación completa y no como una máquina suelta: estación de compresores, tratamiento de aire, depósito pulmón, generador y almacenamiento de oxígeno como una sola cadena desde una sola fuente dentro del BERG Group. La página de la planta de oxígeno PSA explica esa configuración. Los conjuntos estándar de generadores NITROBERG® y OXYBERG® afectados se someten a evaluación de la conformidad conforme a la Directiva 2014/68/UE de equipos a presión mediante los módulos B + D. La ingeniería y la fabricación son Made in Germany.
Preguntas frecuentes: generadores de oxígeno para plantas de biogás
Para la desulfuración biológica. Las bacterias sulfuro-oxidantes del espacio de cabeza del digestor convierten el sulfuro disuelto en azufre elemental, y para hacerlo necesitan un suministro pequeño y continuo de oxígeno. El azufre decanta y se va con el digestato, lo que mantiene el sulfuro de hidrógeno fuera del gas antes de que llegue al motor de cogeneración o a la unidad de enriquecimiento.
Por vía biológica y no química. Con oxígeno disponible, las bacterias ya presentes en las superficies húmedas oxidan el sulfuro hasta azufre elemental y, con más oxígeno, hasta sulfato. No se dosifica nada que haya que comprar o retirar como residuo, y eso hace de esta la etapa de eliminación de azufre más barata que tiene una planta de biogás. El control de la dosis es lo que decide dónde se detiene la reacción.
Por el nitrógeno que llega con el aire y que nada consume en la planta. Se queda en el biogás, baja la fracción de metano y el poder calorífico, y es el componente que las tecnologías de enriquecimiento habituales no separan. El oxígeno del 90 al 95 por ciento consigue la misma oxidación con mucho menos gas de entrada, de modo que lo que queda después es una fracción de lo que deja el aire.
La dosis sigue a la carga de azufre, es decir, al caudal de biogás multiplicado por la concentración de H₂S, y no a la potencia eléctrica. La literatura técnica sitúa la necesidad en torno al 0,5 a 1,5 por ciento del caudal de biogás en oxígeno puro, y esa es una horquilla de partida y no una cifra de diseño. La dosis se ajusta después en explotación frente al H₂S medido y al oxígeno residual del gas.
Basta con el extremo bajo de la gama. Entre el 90 % y el 93 % el gas está muy por encima del punto en el que la disponibilidad de oxígeno limita a las bacterias, y una calidad mayor no las hace trabajar más rápido. En OXYBERG el factor de aire es 11 a cualquier pureza, así que una calidad mayor no le cuesta aire comprimido. Lo que le cuesta es caudal: la misma máquina entrega entre un 10 y un 40 % más de oxígeno al 90 % que al 95 %.
A estas dosis el oxígeno se consume cerca de donde entra, y el grueso del digestor sigue siendo anaerobio. Los ensayos publicados sobre microaireación indican rendimientos de metano iguales o ligeramente mejores. El caso que hay que evitar es la sobredosificación, y por eso la dosis va enclavada con el análisis de gas y por eso el concepto de protección contra explosiones de la planta es parte de su diseño y no del suministro de gas.
Normalmente les reduce el trabajo en lugar de eliminarlos. La desulfuración biológica se lleva la mayor parte del azufre al menor coste de explotación, y una etapa de afino sigue ocupándose de los últimos ppm allí donde rige una especificación estricta. Donde hoy se dosifican sales de hierro, una etapa biológica bien controlada es lo que permite reducir ese consumible, y no al revés.