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.
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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 -4 -3 7±1. La producción diaria de biogas fue de 5.775X10 Kg de CH4, equivalente a 9.076X10 MJ. 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. 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 CO 2 (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 integr al de los residuos sólidos
El CH4 es un gas con un efecto invernadero 20 veces mayor que el CO 2. 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
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% 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 -5.55 MJ* 0.001MW-h
Para 1000 Kg (1 tonelada) de RSU, Stchovanubus. Peso en kg Nomenclatura
Composición química % 265.36 C= 48.5 33.92 H= 6.2 216.12 O= 39.5 7.66 N= 1.4 Energía de la producción de biogás.
N A B --
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] 3
En una tonelada de residuos orgánicos se generarían 219.54 Kg de biogás o 178.48 m . 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 3 acepta que un volumen máximo aproximado de 200 m 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: 2
V = π* r * 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=
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(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.
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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
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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.
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