ES2625174T3 - Dispositivo y método para retirada simultánea de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono del biogás - Google Patents

Dispositivo y método para retirada simultánea de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono del biogás Download PDF

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Abstract

Un sistema (16) de limpieza y mejora de biogás que tiene una concentración de sulfuro de hidrógeno de hasta 20.000 ppmv por medio de absorción física de agua, caracterizado por que comprende: a) una primera tubería o canal de entrada (19) que proporciona agua de lavado al sistema por gravedad y en ausencia de medios de bombeo, conectado a una instalación de tratamiento primario de agua residual (20) de una planta existente de tratamiento de aguas residuales (EDAR) que comprende al menos tamizado de sólidos gruesos y retirada de aceite, arena y sólidos suspendidos para proporcionar agua residual de tratamiento primario como agua de lavado al sistema; b) una segunda tubería o canal de entrada (5) que proporciona el biogás al sistema; c) una columna de burbujeo de absorción no presurizada a contracorriente (21) para la retirada simultánea de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono por absorción física, comprendiendo la columna de burbujeo (21) cuatro zonas: - una primera zona (31) que es zona área de contacto en la parte superior de la columna (21), donde el agua de lavado entra con flujo descendente a través de la primera tubería de entrada (19) por gravedad a una velocidad V que varía de 0,01 m/s y 0,05 m/s, y el biogás se inyecta a través de la segunda tubería de entrada (5) en condiciones de contracorriente por medio de uno o más difusores de burbuja fina (26) situados a una altura de 1,5 a 3 m por debajo de la primera tubería de entrada (19) y estando conectados a uno o más sopladores de tipo baja presión (25) a una presión igual a o menor de 170 kPa (1,7 bares), para producir una relación de entrada LI/G dentro de la zona de contacto mayor de 1; - una segunda zona (32) que es una zona de retención de burbujas, situada por debajo y adyacente a la primera zona (31) y que tiene una altura de 1 a 2 m para prevenir el escape de burbujas con el agua de salida, estando configurada dicha segunda zona (32) para la misma velocidad descendente de agua de lavado que la primera zona (31); - una tercera zona (33) que es una zona de salida para el agua, situada a lo largo de la columna (21) desde el fondo hasta la parte superior y adyacente a la primera (31) y segunda (32) zonas, donde el agua de lavado asciende después de la absorción física a una velocidad de 0,3 a 1 m/s, que tiene una placa deflectora vertical (40) para separar el flujo de agua de lavado utilizada (29) de la primera y (31) y la segunda (32) zonas, y una salida del agua de lavado (29) en la parte superior; y - una cuarta zona (34) que es una zona de sedimentación de sólidos en la parte inferior de la columna de burbujeo (21) debajo de la segunda zona (32), donde los sólidos del agua de lavado, si los hubiera, se recogen y se drenan periódicamente; la columna de burbujeo (21) también comprende una zona de retención del gas mejorado en la parte superior de la columna (21), por encima de la primera zona (31) y del nivel de la primera tubería de entrada (19), para recoger el biogás enriquecido (27); y d) medios para regenerar el agua de lavado usada (29) conectados a la salida del agua de lavado de la tercera zona (33) de la columna (21), siendo dichos medios un reactor biológico (23) de la propia planta de tratamiento de aguas residuales usada para tratamiento secundario.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo y metodo para retirada simultanea de sulfuro de hidrogeno y dioxido de carbono del biogas Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a limpiar impurezas, principalmente sulfuro de hidrogeno, y a mejorar el biogas, principalmente retirando dioxido de carbono, que viene de un proceso industrial, por ejemplo y preferentemente el biogas producido en plantas de tratamiento de aguas residuales durante la digestion anaerobica de lodos de depuradora y biosolidos, para usarse como combustible.
Antecedentes de la invencion
Los digestores anaerobios ayudan a estabilizar los lodos de depuradora y los biosolidos en plantas de tratamiento de aguas residuales antes de que se usen bien en tierras agncolas o se sequen, se incineren o se depositen en vertederos.
El producto de la digestion anaerobia, que se llama comunmente biogas, es una mezcla principalmente compuesta por metano y dioxido de carbono, y habitualmente sustancias no deseadas tales como agua, sulfuro de hidrogeno, amomaco, oxfgeno, siloxanos y particulados.
La pre-limpieza de sulfuro de hidrogeno del biogas es necesaria para usarse como combustible para las unidades combinadas de calor y potencia (CHP, por sus siglas en ingles) o calderas y se requiere limpieza y mejora adicionales para su uso como combustible en vehfculos o inyeccion en la red de distribucion de gas.
Mejora del biogas se refiere a la retirada de dioxido de carbono del biogas. El contenido energetico del biogas es directamente proporcional a la concentracion de metano, de tal manera que el contenido energetico del gas aumenta retirando la cantidad de dioxido de carbono en el proceso de mejora, volviendose comparable al gas natural.
Hay cuatro tecnicas para mejorar el biogas para la calidad de combustible para vehfculos, entre otros: Absorcion por depuracion con agua (que se considera ser la tecnica anterior mas cercana), PSA (Absorcion por oscilacion de presion, por sus siglas en ingles), depuracion ffsica organica y absorcion con reaccion qrnmica o con separacion por membranas.
Limpieza del biogas se refiere a la retirada de las sustancias no deseadas citadas del biogas, aparte del dioxido de carbono. Las sustancias no deseadas pueden retirarse antes, durante o despues de la fase de mejora.
Pre-limpieza debe entenderse como la retirada de la sustancia no deseada, principalmente sulfuro de hidrogeno, antes de la etapa de para prevenir la corrosion y el desgaste metalico del propio equipo de mejora. Ademas, el sulfuro de hidrogeno puede provocar problemas durante la retirada del dioxido de carbono e implica problemas de malos olores.
Existen muchos metodos qrnmicos, ffsicos y biologicos actualmente disponibles para la retirada de sulfuro de hidrogeno del biogas. Los procesos qrnmicos basados en seco se han aplicado tradicionalmente para aplicaciones de biogas, por ejemplo la esponja ferrica y los sistemas de carbon activo impregnados con hidroxido de potasio son los mas deseables. Estos procesos son sencillos y eficaces, pero tambien implican elevados costes de operacion para gestionar y eliminar los materiales. Otros inconvenientes significativos incluyen una corriente continuamente producida de residuos solidos y una preocupacion medioambiental creciente acerca de los metodos de eliminacion apropiados.
La adicion de aire por inyeccion (2-6 %) al lecho digestor o al espacio de cabeza, o los compuestos de hierro introducidos directamente al digestor, han mostrado resultados prometedores como el metodo de retirada parcial de H2S. Sin embargo, estos metodos muestran rendimientos de funcionamiento limitados e inconsistentes. Adicionalmente, el oxfgeno esta limitado para el biogas como combustible de vehfculos (<1 % v/v de acuerdo con la normativa sueca) y debe evitarse. Los procesos de membranas y basados en lfquidos requieren significativamente mayores costes de capital, de energfa y de medios y no parecen tan economicamente competitivos como la retirada selectiva del H2S. Estan disponibles procesos biologicos comerciales para la retirada de H2S con costes de funcionamiento, qrnmicos y de energfa reducidos, pero requieren mayores los costes de capital que los procesos basados en seco. Por lo tanto, existe una necesidad de bajo coste de capital y de funcionamiento para la retirada de H2S para dirigirse a la mejora del biogas dentro de las tecnologfas actualmente disponibles.
- Proceso de mejora en si mismo: En tecnologfas de mejora donde el dioxido de carbono se separa del biogas, algunos de los distintos compuestos no deseados tambien se separan durante el proceso de mejora en sf mismo.
- Etapa de pulido final: El biogas debe secarse y purificarse del sulfuro de hidrogeno y los siloxanos para obtener la calidad de combustible para vehfculos, por ejemplo < 20 mg/Nm3 de azufre total y punto de rocfo a -10 °C a presion de 20 MPa (200 bar), de acuerdo con la normativa ISO 6327. El secado y la purificacion pueden
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obtenerse mediante enfriamiento y absorcion usando SiO2, carbon activo o tamices moleculares como en la patente US 8747522. Estos materiales se regeneran habitualmente calentando o por una disminucion de presion. Otras tecnolog^as de secado senan la absorcion en soluciones de glicol o el uso de sales higroscopicas.
La limpieza y la mejora llevan implfcitos un considerable coste en el proceso de produccion de biometano. Por ello es importante tener un proceso de limpieza y mejora optimizados en terminos de consumo energetico, de agua y reactivos qmmicos y alta pureza de metano como un producto final.
Tecnologias de mejora del biogas a gran escala
Cuando el biogas se usa como combustible para vehfculos o inyeccion en red debe mejorarse, limpiarse, secarse y comprimirse. Se ha desarrollado un numero de tecnologfas para este fin: los metodos de absorcion y desorcion (PSA):
1. Absorcion
En una planta de mejora de biogas que usa la tecnica de absorcion el biogas sin tratar se encuentra con una corriente fluida de lfquido en una columna que esta cargada con un empaquetado de plastico (para aumentar el area de contacto entre el gas y la fase Kquida). El principio detras de la tecnica de absorcion es que el dioxido de carbono es mas soluble que el metano, de tal manera que el Kquido que sale de la columna tendra por lo tanto una concentracion aumentada de dioxido de carbono, mientras que el gas que abandona la columna tendra una concentracion aumentada de metano. Tres ejemplos de la tecnologfa de absorcion que usan diferentes tipos de absorbentes son depuracion con agua, depuracion ffsica organica y depuracion qufmica. La depuracion con agua es la tecnica de mejora mas comun y las plantas estan disponibles en el mercado de varios proveedores en un amplio intervalo de capacidades.
1.1. Depuracion con agua
Se considera el estado de la tecnica mas cercano a la presente patente.
1.1.1. Antecedentes Teoricos
Para entender la presente patente es necesario explicar los principios basicos del proceso. La depuracion con agua se usa para retirar el dioxido de carbono. Tambien puede usarse para la retirada de sulfuro de hidrogeno, pero solo si H2S<500 mg/m3 debido a la corrosion del equipo y los problemas de obstruccion del envase. La retirada de amonfaco tambien se da ya que estos gases son mas solubles en agua que el metano. El proceso de absorcion es puramente ffsico.
La velocidad de transferencia de masa de gas, por ejemplo desde el dioxido de carbono a la fase lfquida (agua) se somete a los terminos descritos en la formula (1):
dC
— = Kla X
dt
impulsora = Ki
LA'
imagen1
imagen2
imagen3
(1)
donde:
C= Concentracion de gas disuelto (es decir dioxido de carbono) en lfquido (masa o moles/volumen).
Csat= Gas disuelto (es decir dioxido de carbono) en saturacion en lfquido (masa o moles/volumen).
Kla= Coeficiente de transferencia de masa global (es decir dioxido de carbono) a la temperatura de absorcion (1/tiempo).
(Csat-C) = fuerza impulsora del proceso. Csat, la concentracion en saturacion del gas, se calcula usando la ley de Henry y vana en funcion de la temperatura (efecto en Kh) y de Pgas, la presion parcial del gas, de acuerdo con (2):
Csat = KH X Pgas (2)
La constante de ley de Henry a 25 °C (Kh) para el sulfuro hidrogeno es 1,0x10-1 M/atm, para el dioxido de carbono 3,4x10-2 M/atm, y para el metano 1,3x10-3 M/atm (Stumm & Morgan 1996), resultando en una solubilidad para el sulfuro de hidrogeno que es aproximadamente 3 veces mayor que para el dioxido de carbono, y para el dioxido de carbono que es aproximadamente 26 veces mayor que para el metano. Si el biogas sin tratar consiste en un 50 % de metano y de dioxido de carbono respectivamente, las presiones parciales de los gases senan iguales en el fondo de la columna de absorcion. Adicionalmente, si el 100 % del dioxido de carbono esta disuelto en el agua, al menos un 4 % del metano tambien se disolvera en el agua en un sistema ideal.
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De las formulas (1) y (2) puede concluirse que la solubilizacion de un gas en agua de depuracion aumenta con las siguientes estrategias:
• Estrategia 1: Aumentando Kla, eficiencia del contacto gas-Kquido. En la practica mediante el numero de platos (altura de columna) y optimizando el tipo de envase.
• Estrategia 2: Aumentando la fuerza impulsora, (Csat-C), que puede realizarse por:
- Estrategia 2.1. Aumentando Csat cuando se reduce la temperatura (efecto en Kh) y aumentando Pgas.
- Estrategia 2.2. Disminuyendo C que es posible usando un gran volumen de agua para absorcion, o dicho de otra forma, aumentado la relacion lfquido influente a gas (Ll/G).
Los sistemas actuales de depuracion con agua usan la menor relacion influente Li/G posible para minimizar el consumo de agua, como en la patente WO 2008/116878, con valores de Ll/G de 0,1 a 0,3 m3 de agua a 20 °C/Nm3 de biogas por hora. El mmimo Ll/G se expresa como Lmin/G, donde Lmin es el equivalente de caudal de agua para disolver el dioxido de carbono hasta alcanzar la saturacion en equilibrio y C=Csat que resulta a la salida de la columna de absorcion. En estos sistemas la C promedio en la columna de absorcion es alta, y es la razon por que la estrategia descrita como 2.2 no se usa. En su lugar se usan las estrategias 1 y/o 2.1.
1.1.2. Descripcion del proceso
El biogas se pone en contacto con el agua de lavado a alta presion; los componentes del biogas, principalmente el CO2, se absorben en el agua hasta que se alcanza el equilibrio de saturacion. Despues, la absorcion del gas termina ya que se ha alcanzado el equilibrio Li/G.
El biogas saliente del digestor esta a una presion justo por encima de la atmosferica y el agua esta saturada. La humedad y las partfculas se retiran en un separador interno, despues el gas se comprime hasta 700-1400 kPa (7-14 bares) la temperatura de toma del biogas puede ser de 15 a 38 °C (por ejemplo 30 °C) y la temperatura de salida despues de la compresion puede ser de 70 °C para una descarga de 900 kPa (9 bares). El biogas bruto entro en el recipiente de absorcion en el fondo de donde el lfquido se suministra a la parte superior y de esta manera el proceso se hace funcionar a contracorriente. El recipiente de absorcion se proporciona con un empaquetado aleatorio para obtener una transferencia de masa maxima. En este tipo de recipiente, el dioxido de carbono se absorbe por el agua y el biogas que deja el recipiente se enriquece con metano. El gas saliente del recipiente de absorcion tiene una concentracion de metano del 70 al 98 % en volumen, dependiendo de la composicion inicial del biogas y de la calidad requerida. Antes de que el gas mejorado se transporte al tanque de almacenamiento, pasa una etapa de pulido final, como se describe anteriormente para retirar el agua para controlar el punto de rocfo por debajo de -80 °C y pequenas cantidades de sulfuro de hidrogeno, como en el documento WO 2009/116868.
Finalmente, el gas mejorado se odoriza para ser capaces de detectar fugas de gas, que puedan ocurrir.
Como el metano es parcialmente soluble en agua, el agua del recipiente de absorcion se dirige a un recipiente intermitente para minimizar las perdidas de metano. El agua se despresuriza en el recipiente intermitente a 200 kPa (2 bares) y el gas sale. El gas disuelto, que contiene algo de metano pero principalmente dioxido de carbono, se libera y se transfiere de nuevo a la entrada de gas bruto.
- Depuracion con agua con regeneracion
El agua que tiene el dioxido carbono y/o el sulfuro de hidrogeno que esta contenida en y abandona el recipiente de volatilizacion puede regenerarse y recircularse de vuelta a la columna de absorcion. La regeneracion se lleva a cabo mediante inyeccion de aire en un recipiente de desorcion, que es similar a las columnas de absorcion empaquetadas para obtener una gran eficiencia de transferencia de masa. El agua regenerada se calienta principalmente por medio de la entrada de energfa de la bomba de reciclado: por lo tanto, debe enfriarse antes de que se devuelva a los recipientes de absorcion. Se obtiene alta eficiencia a menos de 7 °C mediante el proceso de enfriado del agua. Una temperatura menor del proceso da como resultado costes reducidos del sistema de bombeo, por lo que el consumo de energfa total de una planta con enfriamiento de agua es menor.
El aire de volatilizacion contiene gases CO2 y H2S y necesitan tratarse usando un proceso de tratamiento de olores para impedir las molestias antes de descargar aire a la atmosfera. Ademas, los gases contienen una concentracion de metano del 1-2 %. Es importante minimizar estas perdidas para tener una planta de mejora economicamente viable. Tambien es importante minimizar el deslizamiento de metano ya que el metano es un fuerte gas de efecto invernadero. El metano puede estar presente en el gas de escape que deja una columna de PSA o una depuracion con agua sin recirculacion de agua. De esta manera, la liberacion de metano a la atmosfera debe minimizarse tratando el gas de escape y las corrientes de agua que salen de la planta incluso aunque el metano no pueda usarse.
El gas de escape de una planta de mejora es extremadamente diffcil de tratar porque no contiene una concentracion lo suficientemente grande de metano para mantener una llama sin la adicion de gas natural o biogas (consumo de
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energfa). Una opcion para limitar la salida de metano es mezclar el gas de escape con el aire que se usa para la combustion. Alternativamente el metano puede oxidarse por oxidacion termica o catalffica si el contenido de metano es superior al 3 %.
El tratamiento del gas de escape que contiene incluso menos metano es aun mas complicado. Debido a que no se proporciona energfa suficiente durante la combustion de este gas y del biogas bruto, el biometano debe anadirse para alcanzar una oxidacion estable, reduciendo por lo tanto el balance energetico y la econoirna globales del sistema. En la opcion de regeneracion, se usa agua del grifo. A pesar de esto, pueden ocurrir atascos de los empaquetados. Esto es debido a las bacterias y otros materiales biologicos que entran a la planta a traves del aire que se anade a la columna de desorcion para sacar el dioxido de carbono del agua. Esto significa que los empaquetados deben retirarse y lavarse a mano.
Ademas, cuando el biogas tiene un contenido de sulfuro de hidrogeno, el agua reciclada se contaminara rapidamente con azufre elemental que provoca problemas de funcionamiento.
Por lo tanto, la regeneracion de agua disminuye el uso de agua pero aumenta el consumo energetico y de mantenimiento.
Varias patentes se dirigen a esta tecnologfa: documento US 2010/0107872 A1, documento WO 2009/116878 A1, documento US 2008/01344754 A1 y documento WO 2012/128648 A1.
- Depuracion con agua sin regeneracion
En el otro tipo de absorcion, el agua no se regenera en una columna de desorcion. En vez de esto, el agua se vierte desde la planta despues del tanque de lavado. Esto es mas economico que regenerar el agua si puede usarse un agua sin coste, como el agua residual tratada. Ya que el agua no se regenera ahff, no hay problemas de precipitacion de azufre elemental en los sistemas de envasado del recipiente de separacion. El metano que se disuelve en agua y no se separa en el tanque rapido abandona la planta con el efluente ffquido, por lo que la liberacion de metano y los olores de sulfuro pueden ser un problema en la descarga final de agua.
Los atascos o el crecimiento de microorganismos en la columna de absorcion es un problema que existe en los sistemas de lavado sin regeneracion de agua, cuando se usa agua residual tratada como la fuente de agua. En estos casos hay algunos materiales biologicos que se quedan atascados en los empaquetamientos o provocan el crecimiento.
1.2. Depuracion qmmica
Los intercambiadores qmmicos usan soluciones de aminas. El dioxido de carbono no solo se absorbe en el ffquido, sino que reacciona qmmicamente con las aminas en el ffquido. Debido a que la absorcion qrnmica es altamente selectiva, las perdidas de metano pueden ser tan bajas como <0,1 % y, de esta manera, no es necesario un tratamiento adicional del gas de escape para reducir las emisiones de metano (documento US 8500864 B2, 2013; y documento WO2011/136733 A1).
La aplicacion de esta tecnologfa es ventajosa si se desea la alta recuperacion de metano. Un inconveniente es la alta demanda de calor durante la etapa de regeneracion a 160 °C. Ademas, la capacidad de planta proyectada es media a grande. No es factible para pequenas plantas.
1.3. Depuracion ffsica organica
La depuracion ffsica organica es muy similar al lavado con agua, con la importante diferencia de que el dioxido de carbono se absorbe en un disolvente organico tal como el polietilenglicol. El dioxido de carbono es mas soluble en polietilenglicol que en agua. Por lo tanto, hay menos demanda de recirculacion del disolvente y los costes de bombeo son menores. Sin embargo, la solucion de polietilenglicol debe regenerarse mediante calentamiento y/o despresurizacion y de esta manera los costes energeticos son mayores que en otras tecnologfas. El sulfuro de hidrogeno, el agua, el oxfgeno y el nitrogeno pueden retirarse junto con el dioxido de carbono. Sin embargo, se requiere mas a menudo una etapa previa de limpieza de H2S.
2. Absorcion por inversion de presion (PSA)
Con esta tecnica, el dioxido de carbono se separa del biogas por absorcion en una superficie en alta presion. El material absorbente, normalmente carbon activado o zeolita, se regenera mediante una disminucion secuencial de presion antes de que la columna se cargue de nuevo, de ah el nombre de la tecnica. Una planta de mejora, que usa esta tecnica, tiene cuatro, seis o nueve recipientes funcionando en paralelo. Cuando el material absorbente en un recipiente se satura de biogas, el flujo de gas bruto se cambia a otro recipiente donde el material de absorcion se haya regenerado (metodo de cambio de presion). Durante la regeneracion la presion se disminuye en varias etapas. El gas se desorbe durante la primera y finalmente la segunda cafda de presion puede devolverse a la entrada del
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gas bruto, ya que contendra algo del metano que se absorbio junto con el dioxido de carbono. El gas desorbido en la siguiente etapa de reduccion de presion bien pasa a la siguiente columna, o bien se libera a la atmosfera si esta casi completamente libre de metano.
Si el sulfuro de hidrogeno esta presente el gas bruto, se adsorbera irreversiblemente por el material adsorbente. Ademas, el agua presente en el gas bruto puede destruir la estructura del material. Por lo tanto el sulfuro de hidrogeno y el agua necesitan retirarse antes de entrar en la columna de PSA.
Varias patentes se han dirigido a esta tecnologfa:
- Adsorcion con zeolitas (documento WO09/5876 o documento WO2008/072215)
- PSA con regeneracion al vado (documento US 5797979).
Los principales inconvenientes de esta tecnologfa son:
- La saturacion irreversible del medio poroso con un contaminante tal como el sulfuro de hidrogeno, previniendo la regeneracion del mismo.
- La eliminacion de los medios al final de la vida util
- El metano puede estar presente en el gas de escape que sale de la columna de PSA. El metano enviado a la atmosfera es mayor que aquellos producidos por la depuracion con agua.
- Diseno complejo con 4 a 9 recipientes paralelos, multiples compresores, tubenas y valvulas.
- Altos costes de funcionamiento, ya que es un metodo intensivo de energfa para la absorcion y regeneracion.
Problemas a superarse por la presente invencion
La depuracion con agua es la tecnica de mejora mas comun y las plantas estan disponibles en el mercado de varios proveedores en un amplio intervalo de capacidades. Pero se enfrentan a un numero de inconvenientes:
- Las tecnologfas de mejora disponibles actuales son intensivas en energfa con consumos de energfa de 0,3 a 0,6 kWh/Nm3 de biogas bruto mejorado. Esto es principalmente porque son compresores de alta presion y las bombas y el agua se enfnan a 5-7 °C.
- Requieren una limpieza previa del sulfuro para impedir la corrosion y los problemas de atascos en los empaquetados; la retirada del sulfuro es un proceso economicamente costoso.
- La concentracion de oxfgeno en el biometano debe minimizarse. Los recipientes de intercambio introducen estos componentes en el agua regenerada, con una liberacion adicional en el biometano durante la absorcion. El agua residual tratada usada en la depuracion de agua sin regeneracion tambien puede liberar oxfgeno.
- Problemas de olores por sulfuro de hidrogeno: El sulfuro de hidrogeno puede estar presente en el gas de escape que sale de la columna de intercambio en una depuracion de agua con recirculacion o tambien puede estar presente en el agua de lavado en una depuracion de agua sin recirculacion de agua.
- Liberacion de metano. Es importante tambien minimizar las perdidas de metano ya que el metano es un gas de efecto invernadero fuerte. El metano puede estar presente del 1-2 % (del metano total) en el gas de escape que deja una columna de intercambio en un depurador de agua con regeneracion o en el agua de lavado en un depurador de agua sin recirculacion.
- Consumo de agua. Aunque es pequeno en las plantas modernas, puede alcanzar los 0,05 m3 de agua/Nm3 de biogas tratado en un sistema de lavado con agua con regeneracion y de 0,1 a 0,3 m3/Nm3 en sistemas sin regeneracion. Es este ultimo caso, se produce ademas contaminacion con H2S y metano.
- Demanda de consumibles: Los agentes antiespumantes son necesarios para evitar el crecimiento biologico en el envasado del depurador.
- Atascos por crecimiento bacteriano y/o precipitacion de azufre elemental debido al empaquetamiento en el sistema de depuracion.
- Son sistemas complejos, con multiples compresores y bombas de alta presion, valvulas, sistemas de enfriamiento, tanques de presurizacion, empaquetado, etc... que los hacen factibles solamente para producciones en el intervalo de 60-70 Nm3/h.
- La mejora del biogas en una pequena escala (<100 Nm3/h) es normalmente muy cara ya que debe invertirse una cantidad muy alta.
Objeto de la invencion
El objeto de la patente es un sistema y un metodo para la limpieza y la mejora del biogas, de cualquier fuente industrial pero preferentemente producido en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) para cualquier uso donde solo sea necesaria la retirada del sulfuro de hidrogeno (por ejemplo para suministrar una planta de combinacion de calor y potencia (CHP) o calderas) y preferentemente para obtener biometano como un combustible de vehfculos (es decir, de calidad de combustible de vehfculos) o inyeccion en la red de gas donde se requiere una limpieza y una mejora adicionales, gracias a un nuevo dispositivo de limpieza por agua que incluye medios de regeneracion, superando los problemas mencionados en sistemas actualmente disponibles.
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Sumario de la invencion
La invencion se refiere a un sistema y un metodo para limpieza y mejora de biogas (bruto) que tiene una concentracion de sulfuro de hidrogeno de hasta el 2 % (20.000 ppmv), preferentemente biogas producido en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), hasta biometano por medio de absorcion ffsica en agua.
La limpieza de impurezas, principalmente sulfuro de hidrogeno, y la mejora del biogas (preferentemente a biometano) retirando el CO2, conectable a una instalacion para el tratamiento de aguas residuales primarias de una EDAR existente, comprende:
a) una primera tubena o canal de entrada que proporciona agua de lavado al sistema por gravedad y en ausencia de medios de bombeo, siendo el agua fresca agua residual primaria tratada que viene de la instalacion de tratamiento primario de aguas residuales. Una de las principales ventajas es el bajo coste de grandes caudales de agua que pueden usarse, de hasta 10.000 m3/dfa sin necesidad de consumo de energfa de bombeo;
b) una segunda tubena o canal que proporciona el biogas sin tratar al sistema;
c) una columna de burbujeo de absorcion ffsica no presurizada a contracorriente para lograr una retirada simultanea de sulfuro de hidrogeno y dioxido de carbono y que tiene una alta relacion de entrada ffquido a gas (Ll/G mayor de 1, pero preferentemente igual a o mayor de 3, mas preferentemente de 3 a 10 y aun mas preferentemente de 4 a 6), para alcanzar una alta eficacia de absorcion ffsica, comprendiendo la columna de burbujeo cuatro zonas:
• una primera zona de contacto en la parte superior de la columna, donde el agua de lavado entra por gravedad hacia abajo a traves de la primera tubena de entrada a una velocidad V que vana de 0,01 m/s a 0,05 m/s y el biogas se inyecta a traves de la segunda tubena de entrada en condiciones de contracorriente por medio de uno o mas difusores de burbuja fina colocados a una altura de 1,5 a 3 metros por debajo del nivel de la primera tubena de entrada y estando conectados a una o mas bombas de soplado de baja presion a una presion suficiente para superar: la cafda de presion de los difusores, el nivel del agua por encima de los difusores y la pequena presion de 2-5 kPa (20-50 mbar) sobre el nivel de agua requerida para procesos de mejora de biogas aguas abajo, siendo dicha presion preferentemente igual o menor de 170 KPa (1,7 bar) y mas preferentemente de 130 a 160 kPa (1,3 a 1,6 bar). Por tanto, la adicion de compresores de alta presion de 600 a 1000 kPa (6 a 10 bar) se previene, a diferencia de la tecnica anterior.
• una segunda zona de retendon de pequenas burbujas, situada debajo y adyacente a la primera zona, con una altura de 1 a 2 metros y mas preferentemente de 1 a 1,5 metros, con la finalidad de prevenir la escapada de las pequenas burbujas fuera del sistema con el flujo descendente de agua, que tiene la misma velocidad de flujo descendente descrito en la primera area;
• una tercera zona de salida (agua), localizada a lo largo de la columna desde la parte inferior a la superior y adyacente a la primera y la segunda zonas, donde el flujo de agua es ascendente despues de la absorcion ffsica a una velocidad de 0,3 a 1 m/s y mas preferentemente que vana de 0,4 a 0,5 m/s, que tiene un deflector vertical para separar el flujo de agua de lavado utilizado de la primera y segunda zonas, y una salida del agua de lavado que abandona el sistema por la parte superior de la misma, y:
• una cuarta zona de sedimentacion (solidos) en el fondo de la columna de burbujeo debajo de la segunda zona, donde los solidos del agua de lavado, si los hubiera, se recogen y se drenan periodicamente;
la columna de burbujeo tambien comprende una zona de retendon del biogas mejorado en la parte superior de la columna, por encima de la primera zona y por encima de la primera tubena de entrada, para recolectar el biogas mejorado; y
d) medios para regenerar el agua de lavado usada (medios de regeneracion), conectados a la salida del agua de lavado de la (tercera) zona de salida de la columna, siendo dichos medios un reactor biologico de la propia instalacion de tratamiento de agua residual usado para tratamiento secundario.
Este sistema produce una absorcion ffsica, a diferencia de los sistemas conocidos de mejora de biogas. La relacion Li/G es siempre superior a 1, no como en la tecnica anterior, y mas preferentemente igual o mayor de 3. Para el objeto de la invencion, es recomendable delimitar no solamente un valor mmimo de la relacion Li/G, sino tambien un valor maximo. El valor mmimo de la relacion Li/G define el valor por debajo del cual el CO2 y el H2S no se disuelven correctamente y su contenido en el gas que abandona la columna de burbujeo es mayor del esperado (dioxido de carbono < 5 % y sulfuro de hidrogeno > 150 ppmv), mientras que la relacion de Li/G maxima del intervalo define el valor por encima del cual las perdidas de metano son demasiado altas (por encima del 7 %), entonces la concentracion final de CH4 disminuye por esta intrusion. Ademas, el funcionamiento con relaciones L/G superiores a 10 implica un tamano excesivo de la columna de burbujeo con dimensiones no apropiadas, haciendo al sistema ineficiente. Desde este punto de vista, la relacion Li/G es preferentemente igual a o menor de 10. Por lo tanto esta preferentemente comprendida entre 3 y 10, siendo mas preferentemente de 4 a 6. Esta relacion Li/G alta de la presente columna implica la absorcion con una alto caudal L de agua. Este caudal de agua L reduce la concentracion de dioxido de carbono en el agua, C y por lo tanto aumenta la fuerza de conduccion de transferencia de masa en la columna de agua (Csat-C) y la eficacia del proceso sin de alta presion, absorcion qmmica, depuradores de empaquetado o enfriamiento, a diferencia de la tecnica anterior que usa comunmente estos tipos de elementos/dispositivos.
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Gracias al diseno desvelado, la columna de burbujeo permite la retirada simultanea de CO2 y H2S del biogas bruto sin pre-limpieza del biogas, de una forma sostenible, ya que se minimizan los problemas de corrosion retirando compresores de alta presion, bombas de agua, recipientes presurizados o valvulas. Para anadir mas, es posible mejorar cualquier biogas sin limitacion en su concentracion de sulfuro, que puede ser incluso de hasta 20.000 ppmv (es decir el 2 % v/v de H2S en el biogas a mejorar), a diferencia de la tecnica anterior, donde dicho valor es normalmente de 350 ppmv. De hecho, debena considerarse que la presente invencion cubre como caso preferido un dispositivo y un metodo para limpiar y mejorar biogas que tiene una concentracion de sulfuro mayor de 350 ppmv, que no se consigue con ningun sistema definido en la tecnica anterior.
A parte de esta ventaja principal, gracias al nuevo sistema no hay necesidad de dispositivo enfriador de agua porque la absorcion ffsica se lleva a cabo a la temperatura del agua de lavado, estando la temperatura del agua de tratamiento primario normalmente entre 5 °C y 30 °C y normalmente entre 15 °C y 25 °C en los pafses mediterraneos (pero puede variar de la temperatura del agua residual tratada primaria en otros pafses) y no hay entrada de energfa de calentamiento en el proceso, es decir, no hay compresores de alta presion, suministro de agua presurizada o bomba de reciclado, a diferencia de la tecnica anterior.
Los problemas de atascos tambien se minimizan e incluso eliminan debidos tanto a precipitacion de azufre elemental como a crecimiento bacteriano, ya que no se usa depurador de empaquetado en la columna. Tampoco se necesitan agentes antiespumantes en este diseno.
Gracias al hecho de que el sistema comprende una columna no presurizada es posible usar difusores de burbuja fina y sopladores de baja presion, en comparacion con compresores de alta presion (600-1000 kPa (6-10 bar)) de los sistemas de depurado con agua conocidos en la tecnica que se usan comunmente en este tipo de sistemas. Por sopladores de “baja” presion se entienden los sopladores conocidos en el campo que pueden inyectar un gas a una presion preferentemente igual a o menor de 170 kPa (1,7 bares) y mas preferentemente que vana de 130 a 160 kPa (1,3 a 1,6 bares); esta presion es suficiente para superar las resistencias descritas anteriormente, evitando de esta manera las altas presiones. Dichos sopladores de baja presion se seleccionan normalmente de sopladores de canal lateral o sopladores de lobulos.
Como resultado de este sistema, el biogas mejorado que sale de la columna de burbujeo tiene las siguientes caractensticas:
Metano >85 %
Dioxido de carbono <5 %
Oxfgeno < 0,1 %
Nitrogeno < 9 %
Sulfuro de hidrogeno < 150 ppmv
Saturacion con agua.
Es decir, el biogas se limpia y se mejora exitosamente. Dicho biogas mejorado tambien se limpia de sulfuro de hidrogeno hasta un nivel donde esta listo para su uso, por ejemplo como combustible para suministros combinados de calor y potencia (CHP) o calderas. Este tipo de dispositivos se usan normalmente en plantas de tratamiento de aguas residuales para generacion de calor y electricidad para el consumo (por ejemplo, para mantener la temperatura de digestores anaerobicos).
Sin embargo, dado que el biogas enriquecido aun muestra una importante cantidad de sulfuro de hidrogeno y/o una importante cantidad de agua que pueden condicionar su uso final, debe limpiarse adicionalmente si se destina a combustible de vehfculos o inyeccion en red de gas. Por lo tanto, en una realizacion preferida el sistema de limpieza y de mejora puede comprender ademas medios para limpiar adicionalmente el biogas mejorado despues de salir de la columna de burbujeo y antes de transportarse al tanque de almacenamiento. Esta es una ultima etapa de pulido, como se describe comunmente en la tecnica anterior, requiere medios de refinado que preferentemente incluyen un dispositivo de enfriamiento del biogas enriquecido aproximadamente a 5 °C (preferentemente entre 4 y 6 °C) y filtros de absorcion con capas de un material espedfico que pueda regenerarse por ejemplo calentando o con una disminucion en la presion, seleccionandose dichos materiales del grupo que consiste en: gel de sflice, tamices moleculares (zeolitas) y/o carbon activado o una combinacion de los mismos. Como se ha dicho, los medios de limpieza o refinado pueden incluirse en el sistema cuando biometano enriquecido es todavfa inadecuado para la automocion o la inyeccion en red, es decir siempre y cuando el biogas todavfa muestra por ejemplo un azufre total > 20 mg/Nm3 y el punto de rocfo mayor de -10 °C a 20 MPa (200 bares), de acuerdo con la normativa ISO 6327 y/o pequenas cantidades de siloxanos.
En un caso preferido, el sistema comprende ademas una bomba axial para el reciclaje de agua desde la zona de retencion de pequenas burbujas hacia la zona de contacto, para aumentar la eficiencia de transferencia de masa. El reciclado de agua por esta bomba produce un flujo de lfquido reciclado adicional, Lr, resultando en una relacion de lfquido a gas Lr/G interna que vana de mas de 0 a 15 y mas preferentemente de 5 a 15 que aumenta el contacto agua-lfquido dentro de la columna. La bomba axial comprende una tubena de succion de entrada colocada a una
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altura de 100 a 500 mm por debajo de los difusores de burbuja fina y una tubena de impulsion de entrada a una altura de 500 a 1000 mm por encima de los difusores de burbuja fina.
Preferentemente, el sistema comprende un caudaUmetro del agua de lavado que actua por medio de un controlador Logico Programable (PLC) sobre los sopladores de biogas con controladores de velocidad variables, para controlar y mantener automaticamente la relacion Ll/G. De esta manera, cuando el caudal de agua de lavado inyectada por gravedad disminuye o aumenta, automaticamente el caudal de biogas vana proporcionalmente y el valor Ll/G se mantiene constante dentro de la columna de burbujeo. Preferentemente el caudalfmetro debe ser del tipo canal ultrasonico abierto.
Por agua de lavado debe entenderse “agua residual tratada primaria”. El tratamiento primario normalmente es un pre-tratamiento mecanico que incluye tamices para la retirada de escombros y otros solidos, cribas para la separacion de materiales minerales (piedras, grava y arena) y asf como trampas de grasa para la eliminacion de grasa y aceite y, en algunas plantas, una clarificacion primaria para la retirada de solidos en suspension, a veces potenciada por la adicion de qmmicos, que tiene una composicion tfpica de COD (Demanda Qmmica de Oxfgeno, por sus siglas en ingles) de l00 a 1000 mg/l, TSS (Solidos Suspendidos Totales, por sus siglas en ingles) de 50 a 500 mg/l, pH de 6,5 a 8 y temperatura de 5 °C a 30 °C. En este sentido, el agua de lavado es un caudal de agua residual tratada primaria (es decir pagua pretratada o parcialmente) donde un porcentaje de solidos, arena y grasas se retiran previamente antes de ser introducidos en la columna de burbujeo. El agua residual del tratamiento primario es una fuente de agua “gratis” disponible en las estaciones depuradoras de aguas residuales, con el beneficio anadido de tener una baja concentracion de oxfgeno, a diferencia del agua de lavado usada en la tecnica anterior (agua regenerada por depuracion o agua residual tratada) que provoca la presencia de este contaminante en el biogas mejorado. Los sistemas de depuracion con agua bien conocidos usan el caudal tratado del agua efluente producida en la EDAR, despues del tratamiento biologico completo y de la retirada de todas las impurezas.
De acuerdo con lo anterior, la columna de burbujeo descrita esta disenada de tal forma que el efluente pre-tratado puede utilizarse como agua de lavado en procesos de mejora de biogas, a diferencia de los sistemas de depurado con empaquetado que requieren un tratamiento del efluente de la planta para evitar problemas de atasco.
Debe tenerse en cuenta que el sistema desvelado usa una gran cantidad de agua residual primaria que de nuevo se contamina debido al proceso de absorcion ffsica. El agua de lavado usada que sale de la columna de burbujeo despues del proceso de absorcion ffsica puede contener H2S, CO2 y pequenas cantidades de metano disueltos, que representan un problema potencial de olores y escapes de metano a la atmosfera. Esa es la razon por la cual el sistema tambien proporciona medios de regeneracion del agua de lavado como parte del sistema completo. Los medios de regeneracion del agua de lavado son espedficamente los reactores biologicos para tratamiento secundario del agua residual de la instalacion de tratamiento de aguas residuales, de tal modo que el agua de lavado de salida de la columna se conecta a una tubena que conduce el agua de lavado usada a la instalacion de tratamiento secundario de la planta, continuando de esta manera con la lmea comun de agua del tratamiento de aguas residuales. De este modo, puede entenderse que el sistema desvelado de limpieza y mejora de biogas esta espedficamente conectado a la EDAR entre las instalaciones de tratamiento primario y secundario. Esta caractenstica mejora adicionalmente las ventajas del sistema completo, debido a que los costes energeticos y estructurales se reducen totalmente: en este caso el sistema de mejora comprende medios de regeneracion del agua residual tratada primaria usada en la absorcion ffsica, ya que dichos medios de regeneracion son en este caso el reactor biologico de la propia planta utilizado para el tratamiento secundario, que esta conectado a la salida de agua de lavado del tercer area de salida de la columna. De esta manera, la regeneracion de agua se proporciona por el ya existente proceso biologico situado bajo la invencion (lodos activos en la mayona de los casos). El agua de lavado usada abandona la columna y entra al reactor biologico (tratamiento secundario) por gravedad, donde las bacterias oxidan el sulfuro de hidrogeno a sulfato y el metano a dioxido de carbono y agua, con muy bajos consumos energeticos. De esta manera, el sistema minimiza los escapes de metano a la atmosfera a menos del 1 % y los problemas de olores del sulfuro de hidrogeno, mientras se evita el consumo de agua en el sistema.
En un caso todavfa mas preferido, la segunda lmea de tubena o canal es una tubena que transporta el biogas producido en el digestor anaerobico de la planta EDAR a la columna de burbujeo. En esta realizacion, la EDAR existente es la fuente tanto del agua de lavado como del biogas a mejorar, sin la necesidad de fuentes externas de biogas.
Derivado de estas realizaciones, un segundo objeto de la presente invencion es una estacion depuradora de aguas residuales (EDAR) que comprende una instalacion de tratamiento primario de agua, un reactor biologico como instalacion de tratamiento secundario y un digestor anaerobico para el tratamiento de solidos, que comprende ademas el sistema de limpieza y enriquecimiento de biogas (preferentemente a biometano) previamente desvelado, localizado entre las instalaciones de tratamiento primario y secundario, donde la primera tubena de entrada del sistema esta conectada a la salida de agua residual del tratamiento primario de la instalacion de tratamiento primario y la salida del agua de lavado de la columna de burbujeo esta conectado a una tubena que conduce el agua de lavado utilizada para la mejora de biogas al equipo de tratamiento secundario de la planta para su regeneracion.
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En una realizacion preferida el biogas a mejorarse se produce en el digestor anaerobico de la propia planta, de tal modo que la segunda tubena de alimentacion transporta el biogas desde el digestor anaerobico a la columna de burbujeo del sistema. Para resumir, en este objeto de la invencion el sistema de mejora de biogas desvelado se introduce en la lmea de aguas de una planta de tratamiento de aguas residuales existente sin la necesidad de cambios significativos en la estructura o configuracion, acoplandose espedficamente entre dos instalaciones de la planta: los equipos de tratamiento primario y secundario. De este modo, el agua residual utilizada como agua de lavado en la columna tambien se regenera sin necesidad de medios adicionales, ya que dicha corriente de agua se regenera en el reactor biologico del tratamiento secundario, que la lmea natural de agua de la planta.
En un caso preferido, la estacion depuradora de aguas residuales puede comprender mas de un sistema de limpieza y enriquecimiento como el descrito previamente entre los servicios de tratamiento primario y secundario de la planta. Gracias a esta configuracion de la planta mejorada, el sistema permite una disposicion en paralelo de columnas de burbujeo, que comparten la primera y segunda tubena y poseen compuertas. Asf, una de las columnas podna aislarse para trabajos de mantenimiento mientras el resto de las columnas continuan funcionando.
Otro objeto de la presente divulgacion es un metodo para limpiar y mejorar el biogas (bruto), de cualquier origen industrial pero preferentemente el producido en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), para cualquier uso donde solo sea necesaria la retirada de sulfuro de hidrogeno (por ejemplo para alimentar las plantas de cogeneracion (CHP) o calderas) y preferentemente para obtener biometano como combustible para vehffculos o inyeccion a red de gas usando el sistema descrito anteriormente donde se requiere una limpieza y mejora adicionales del biogas, comprendiendo el metodo:
a) inyectar una corriente de agua de lavado, que es agua residual tratada primaria procedente de la instalacion de tratamiento primario de la EDAR, por gravedad a traves de la primera tubena de entrada a una velocidad descendiente V que vana de 0,01 a 0,05 m/s a la primera zona de contacto de la columna de burbujeo no presurizada comprendida en el sistema;
b) inyectar un flujo de biogas bruto por la parte inferior de la primera zona de contacto de la columna a traves de la segunda tubena de entrada en condiciones de contracorriente por medio de uno o mas difusores de burbuja fina situados a una altura de 1,5 a 3 m debajo de la primera tubena de entrada y estando conectada a uno o mas sopladores de baja presion a una presion suficiente para vencer: la cafda de presion de los difusores, el nivel de agua por encima de los difusores y la pequena presion de 2-5 kPa (20-50 mbar) sobre el nivel de agua requerida para procesos de enriquecimiento de biogas aguas abajo, dicha presion siendo preferentemente igual o menor a 170 kPa (1,7 bar) y mas preferentemente que vanan de 130 a 160 kPa (1,3 y 1,6 bar);
c) poner las corrientes en contacto para producir una absorcion ffsica dentro del primer area de la columna de burbujeo, a la temperatura del agua residual tratada primaria (con un amplio intervalo de funcionamiento que vana preferentemente de 5 °C a 30 °C) y a una alta relacion lfquido-gas de entrada Li/G (mayor de 1, pero preferentemente igual a o mayor de 3, mas preferentemente de 3 a 10, e incluso mas preferentemente de 4 a 6) sin una entrada de energfa (el tiempo hidraulico de residencia variando de 30 a 320 segundos);
d) retener burbujas finas en el segundo area de la columna despues de la etapa de absorcion ffsica, y finalmente extraer el agua de tratamiento primario usada en el proceso por la parte superior de la columna a traves de la tercera zona de salida;
e) recoger el biogas enriquecido por absorcion ffsica en la zona de retencion situada en la parte superior de la columna, por encima del primer area y del nivel de la primera tubena de entrada; y
f) regenerar el agua de lavado utilizada en el proceso de enriquecimiento dentro de la columna, dicha agua de lavado utilizada saliendo de la columna de burbujeo tras el proceso de absorcion y siendo conducida a los medios de regeneracion que son el reactor biologico del propio sistema de tratamiento secundario de aguas residuales utilizado para un tratamiento secundario.
Basicamente, la retirada simultanea de dioxido de carbono y sulfuro de hidrogeno del biogas se lleva a cabo en la etapa de absorcion ffsica, sin la necesidad de pre-limpieza de sulfuro y sin lfmite respecto a la concentracion de sulfuro de hidrogeno en el biogas bruto, a diferencia de la tecnica anterior donde una pre-limpieza del sulfuro de hidrogeno < 500 mg/m3 es necesaria para evitar la corrosion y obstruccion de problemas de empaquetado. Aparte, se alcanza un muy bajo consumo energetico, igual o menor de 0,05 kWh/m3, ya que no se necesita presion para llevar a cabo la etapa de absorcion ffsica, el flujo de agua de lavado se inyecta por gravedad, sin ningun requerimiento de bombeo incluso para altos caudales de agua, incluso de 10.000 m3/dfa. De hecho, el caudal de agua de lavado puede variar de pequenos flujos de 1 m3/h a incluso 10.000 m3/dfa, sin requerimientos de bombeo.
Para regenerar el agua de lavado utilizada en el proceso de absorcion, dicha agua de lavado abandona la columna de burbujeo tras el proceso de absorcion y se conduce a los medios de regeneracion para retirar el H2S, CO2 disueltos y pequenas cantidades de metano contenido en el agua de lavado, que representan un problema potencial de olores y escapes de metano a la atmosfera. La etapa de regeneracion sena preferentemente una etapa de regeneracion biologica.
El metodo podna comprender adicionalmente la etapa de drenaje periodico de solidos del agua de lavado recogida en la cuarta zona de sedimentacion al fondo de la columna.
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El metodo puede comprender la etapa adicional de recirculacion de agua desde la zona de retencion de burbujas pequenas a la zona de contacto a un flujo de lfquido recirculado Lr, por medio de una bomba axial descrita anteriormente, resultando en una relacion de flujos lfquido de recirculacion-gas (Lr/G) que vana de 0 a 15, y mas preferentemente de 5 a 15 para aumentar el contacto agua-gas. La bomba axial, como se define anteriormente, comprende una tubena de entrada de succion situada a una altura de 100-500 mm por debajo de los difusores de burbuja fina, y una tubena de salida de impulsion a una altura entre 500 y 1000 mm sobre los difusores de burbuja fina.
Ya que el biogas mejorado aun muestra una cierta cantidad de sulfuro de hidrogeno y/o una cierta cantidad de agua que podna condicionar su uso final, el metodo puede comprender ademas una etapa final de limpieza/refinado del biogas mejorado despues de abandonar la columna, en el caso de que sea destinado para combustible para vetffculos o para inyeccion en red de gas. El metodo puede comprender ademas una etapa de pulido, donde el biogas mejorado por absorcion ffsica sale de la columna en ascenso por su parte superior de la misma y es conducido al medio de enfriamiento para bajar su temperatura a aproximadamente 5 °C (4 °C-6 °C), y posteriormente a medios filtrantes que comprenden filtros de adsorcion con capas seleccionadas del grupo que consiste en gel de sflice, tamices moleculares, tales como zeolitas, carbon activado y cualquier combinacion de los mismos, antes de conducir el biogas mejorado al tanque de almacenamiento. Dichos materiales filtrantes pueden regenerarse tambien, por lo tanto, el metodo puede comprender ademas una etapa de calentamiento o etapa de disminucion de presion para regenerar los medios filtrantes. Por lo tanto, esta realizacion preferida comprende:
- enfriar el biogas enriquecido a aproximadamente 5 °C (preferentemente entre 4 °C y 6 °C) y filtrar con filtros de adsorcion que comprenden capas de un material que puede regenerarse como por ejemplo por calentamiento o descenso de presion, seleccionandose dichos materiales del grupo que consiste en: gel de sflice, tamices moleculares (zeolitas) y/o carbon activado, o cualquier combinacion de los mismos.
El metodo no solo comprende limpieza y mejora del biogas, sino ademas regeneracion del agua residual primaria tratada utilizada para la mejora de biogas, que muestra una mayor contaminacion debido a la limpieza y el proceso de mejora tras la absorcion ffsica. Dicha etapa de regeneracion es por lo tanto una etapa de regeneracion biologica, ya que el sistema de limpieza y mejora del biogas esta espedficamente conectado a la EDAR entre las instalaciones de tratamiento primario y secundario y el agua residual que abandona la columna tras la absorcion ffsica se conduce al reactor biologico de la planta. La etapa de regeneracion del agua residual primaria tratada utilizada en la absorcion ffsica en la propia planta preferentemente consiste en:
- extraer dicha agua residual de la columna despues de la absorcion ffsica, y
- conducirla por gravedad a la entrada del reactor biologico de la propia planta utilizado para el tratamiento secundario, que esta conectado a la salida de agua de lavado de la tercera zona de salida de la columna.
De este modo, la regeneracion de agua se proporciona por el ya existente proceso biologico que actua como tratamiento secundario de agua en la planta, donde las bacterias oxidan el sulfuro de hidrogeno a sulfato y el metano a dioxido de carbono y agua, con muy bajos consumos energeticos, y asf siguiendo la lmea comun de agua del tratamiento de aguas residuales. Con estos medios, el sistema minimiza los escapes de metano a la atmosfera a menos del 1 % y los problemas de olores del sulfuro de hidrogeno, a la vez que se evita el consumo de agua en el sistema.
Aparte, en una realizacion preferida, la corriente de biogas se inyecta desde el digestor anaerobico de la planta de tratamiento de aguas residuales existente a traves de la segunda tubena que conecta tanto el digestor anaerobico como la columna de burbujeo del sistema, sin necesidad de aporte externo de biogas. De acuerdo con esta afirmacion, otra realizacion mas preferible del metodo de limpieza y enriquecimiento comprende:
a) inyectar la corriente de agua residual primaria tratada procedente del sistema de tratamiento primario de agua residual de la EDAR, por gravedad a traves de la primera tubena de entrada a una velocidad descendente V que vana de 0,01 a 0,05 m/s a la primera zona de contacto de la columna de burbujeo no presurizada comprendida en el sistema;
b) inyectar la corriente de biogas bruto procedente del digestor anaerobico de la planta por la parte inferior de la primera zona de contacto de la columna de burbujeo por la segunda tubena de entrada en condiciones de contracorriente por medio de uno o mas difusores de burbuja fina situados a una altura de 1,5 a 3 m por debajo de la primera tubena de entrada y estando conectado al uno o mas sopladores de baja presion a una presion suficiente para vencer: la cafda de presion de los difusores, el nivel de agua sobre los difusores and la pequena presion de 2-5 kPa (20-50 mbar) sobre el nivel de agua requerida para procesos de mejora de biogas aguas abajo, dicha presion siendo preferentemente igual o menor de 170 kPa (1,7 bar), y mas preferentemente que vana de 130 a 160 kPa (1,3 y 1,6 bar);
c) poner las corrientes en contacto para producir la absorcion ffsica dentro de la primera zona de la columna de burbujeo, a la temperatura del agua tratada de primario (que preferentemente vana de 5 °C a 30 °C) y a una alta relacion lfquido-gas de entrada Li/G (mayor de 1, pero preferentemente igual o mayor de 3, mas preferentemente de 3 a 10, e incluso mas preferentemente de 4 a 5) sin aplicacion de energfa (el tiempo hidraulico de residencia vana de 30 a 320 segundos);
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d) retener burbujas finas en la segunda zona de la columna despues de la etapa de absorcion ffsica, y finalmente extraer el agua residual de tratamiento primario utilizada por la parte superior de la columna a traves de la tercera zona de salida y conduciendola al reactor biologico del tratamiento secundario de la planta a traves de una tubena que conecta los equipos de tratamiento primario y secundario, para la regeneracion de los mismos;
e) recoger el biogas enriquecido por absorcion ffsica en la zona de retencion situada en la parte superior de la columna, por encima de la primera zona y del nivel de la primera tubena de entrada; y
f) extraer de la columna el agua residual utilizada despues del proceso de enriquecimiento y conducirla por gravedad a la entrada del reactor biologico de la propia planta utilizado para el tratamiento secundario, que esta conectado a la salida de agua de lavado de la tercera zona de salida de la columna.
Este metodo preferido puede comprender tambien la etapa de recirculacion de agua desde la zona de retencion de burbujas pequenas a la zona de contacto por medio de una bomba axial a una relacion de flujos ffquido de recirculacion a gas (llamado “Lr/G”) de mas de 0 a 15 y mas preferentemente de 5 a 15 para aumentar el contacto agua-gas. La bomba axial comprende una tubena de entrada de succion situada a una altura de 100-500 mm por debajo de los difusores de burbuja fina, y una tubena de salida de impulsion a una altura entre 500 y 1000 mm sobre los difusores de burbuja fina.
Preferentemente, el metodo de acuerdo con cualquiera de las alternativas comentadas en esta seccion comprende ademas controlar automaticamente y mantener constante la relacion Li/G de la absorcion ffsica dentro de la columna por medio de un caudaffmetro de agua residual que actua por medio de un PLC sobre los sopladores de biogas.
Resumiendo, las ventajas de la presente invencion, tanto del sistema como del metodo, son las siguientes:
- Facil instalacion en EDAR existentes, aprovechando el agua residual disponible con la relacion Li/G como se requiere en la presente invencion y el tratamiento biologico para la regeneracion de agua.
- Un (muy bajo) consumo energetico igual o menor de 0,05 kWh/Nm3, ya que es un sistema no presurizado, la absorcion de agua tiene lugar por gravedad, no se requiere enfriamiento de agua, no se necesita demanda de calor para regeneracion y se usan sopladores de biogas de baja presion.
- No se requiere pre-limpieza de sulfuro de hidrogeno ya que se evitan los problemas de corrosion del equipo mecanico y la retirada simultanea de H2S y CO2 se lleva a cabo en la columna de absorcion.
- La contaminacion por oxfgeno en el biogas mejorado se minimiza ya que el agua residual tratada primaria no tiene oxfgeno disuelto y por tanto no hay despojamiento de este gas durante la absorcion.
- El sistema minimiza problemas de olores de sulfuro de hidrogeno al tratar el agua de lavado en el reactor biologico de la propia planta, es decir sin medios adicionales.
- El sistema minimiza el escape de metano a la atmosfera al tratar el agua de lavado en el reactor biologico de la propia planta.
- No se necesita consumo de agua, porque el sistema esta insertado en una planta de tratamiento de aguas residuales, utilizando el agua residual tratada de primario y esta ademas regenerada en el reactor biologico de la EDAR.
- No hay demanda de consumibles: no se requieren agentes anti-incrustacion ya que no se usa material de relleno para la absorcion.
- No hay atascos por crecimiento bacteriano ni por precipitacion de azufre elemental ya no se usa material de relleno.
- No requiere calor para regeneracion ya que es solo un proceso de absorcion (por gravedad).
- Bajo coste capital incluso para bajos caudales desde 1 m3/h hasta altos caudales de hasta 2000 m3/h, debido a un sistema y proceso bastante simples con muy poco equipo (sopladores de baja presion, difusores de burbuja fina y etapa final de secado), lo que hace un sistema viable para instalaciones de pequena escala (< 100 Nm3/h biogas).

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema (16) de limpieza y mejora de biogas que tiene una concentracion de sulfuro de hidrogeno de hasta 20.000 ppmv por medio de absorcion ffsica de agua, caracterizado por que comprende:
    a) una primera tubena o canal de entrada (19) que proporciona agua de lavado al sistema por gravedad y en ausencia de medios de bombeo, conectado a una instalacion de tratamiento primario de agua residual (20) de una planta existente de tratamiento de aguas residuales (EDAR) que comprende al menos tamizado de solidos gruesos y retirada de aceite, arena y solidos suspendidos para proporcionar agua residual de tratamiento primario como agua de lavado al sistema;
    b) una segunda tubena o canal de entrada (5) que proporciona el biogas al sistema;
    c) una columna de burbujeo de absorcion no presurizada a contracorriente (21) para la retirada simultanea de sulfuro de hidrogeno y dioxido de carbono por absorcion ffsica, comprendiendo la columna de burbujeo (21) cuatro zonas:
    ■ una primera zona (31) que es zona area de contacto en la parte superior de la columna (21), donde el agua de lavado entra con flujo descendente a traves de la primera tubena de entrada (19) por gravedad a una velocidad V que vana de 0,01 m/s y 0,05 m/s, y el biogas se inyecta a traves de la segunda tubena de entrada (5) en condiciones de contracorriente por medio de uno o mas difusores de burbuja fina (26) situados a una altura de 1,5 a 3 m por debajo de la primera tubena de entrada (19) y estando conectados a uno o mas sopladores de tipo baja presion (25) a una presion igual a o menor de 170 kPa (1,7 bares), para producir una relacion de entrada Li/g dentro de la zona de contacto mayor de 1;
    ■ una segunda zona (32) que es una zona de retendon de burbujas, situada por debajo y adyacente a la primera zona (31) y que tiene una altura de 1 a 2 m para prevenir el escape de burbujas con el agua de salida, estando configurada dicha segunda zona (32) para la misma velocidad descendente de agua de lavado que la primera zona (31);
    ■ una tercera zona (33) que es una zona de salida para el agua, situada a lo largo de la columna (21) desde el fondo hasta la parte superior y adyacente a la primera (31) y segunda (32) zonas, donde el agua de lavado asciende despues de la absorcion ffsica a una velocidad de 0,3 a 1 m/s, que tiene una placa deflectora vertical (40) para separar el flujo de agua de lavado utilizada (29) de la primera y (31) y la segunda (32) zonas, y una salida del agua de lavado (29) en la parte superior; y
    ■ una cuarta zona (34) que es una zona de sedimentacion de solidos en la parte inferior de la columna de burbujeo (21) debajo de la segunda zona (32), donde los solidos del agua de lavado, si los hubiera, se recogen y se drenan periodicamente;
    la columna de burbujeo (21) tambien comprende una zona de retencion del gas mejorado en la parte superior de la columna (21), por encima de la primera zona (31) y del nivel de la primera tubena de entrada (19), para recoger el biogas enriquecido (27);
    y
    d) medios para regenerar el agua de lavado usada (29) conectados a la salida del agua de lavado de la tercera zona (33) de la columna (21), siendo dichos medios un reactor biologico (23) de la propia planta de tratamiento de aguas residuales usada para tratamiento secundario.
  2. 2. El sistema de limpieza y mejora (16) de la reivindicacion 1, donde la zona de retencion de burbujas (32) tiene una altura que vana de 1 a 1,5 m.
  3. 3. El sistema de limpieza y mejora (16) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el sistema (16) comprende una bomba axial de reciclaje de agua (41) para llevar agua desde la zona de retencion de burbujas (32) a la zona de contacto (31) a una relacion de flujo de lfquido reciclado a gas Lr/G de mas de 0 a 15, que tiene una tubena de entrada de succion (41 a) situada a una altura de 100-500 mm por debajo de los difusores de burbuja fina (26) y una tubena de salida de impulsion (41 b) a una altura de 500 a 1000 mm por encima de los difusores de burbuja fina (26).
  4. 4. El sistema de limpieza y mejora (16) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el sistema (16)
    comprende un caudalfmetro de agua de lavado (22) que actua por medio de un controlador Logico Programable
    sobre los sopladores de presion (25) con controladores de velocidad variable, para controlar y mantener automaticamente la relacion Li/G.
  5. 5. El sistema de limpieza y mejora (16) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el sistema (16)
    comprende medios (18) para la limpieza y la mejora del biogas despues de salir de la columna de burbujeo (21),
    incluyendo el medio (18) un equipo de enfriamiento (28) para enfriar el biogas mejorado (27) a 4 °C-6 °C, y filtros de adsorcion con capas de un material seleccionado del grupo que consiste en: gel de sflice, tamices moleculares y/o carbon activado.
  6. 6. Una estacion depuradora de aguas residuales (EDAR) que comprende una instalacion de tratamiento primario (20), un reactor biologico (23) como instalacion de tratamiento secundario y un digestor anaerobico (17) para el
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    tratamiento de solidos, caracterizado por que comprende el sistema de limpieza y mejora (16) de biogas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando conectado el sistema (16) a la estacion entre la instalacion de tratamiento primario (20), desde la que el agua residual se extrae y se conduce a la columna de burbujeo (21) y el reactor biologico (23) para el tratamiento secundario de la estacion, al cual se conduce el agua residual usada como agua de lavado para la mejora del biogas, siendo el biogas a enriquecer el biogas producido en el digestor anaerobico (17) de la estacion y donde:
    - la primera tubena de entrada (19) es una tubena procedente de la instalacion de tratamiento primario de agua residual (20) a la columna (21),
    - la segunda tubena de entrada (5) es una tubena que conduce el biogas producido en el digestor anaerobico (17) de la planta a la columna de burbujeo (21);
    - y la salida de agua de la columna (21) esta conectada a la tubena que conduce por gravedad el agua residual tratada primaria utilizada para mejorar el biogas al reactor biologico (23) de la propia estacion utilizado para el tratamiento secundario, para regenerar dicha agua residual.
  7. 7. Un metodo para limpiar y mejorar biogas usando el sistema de limpieza y mejora (16) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el metodo comprende:
    a) inyectar una corriente de agua de lavado, que es agua residual tratada de primario procedente de la entrada de la estacion de depuracion de aguas residuales (EDAR), por gravedad a traves de la primera tubena de entrada (19) a una velocidad descendente V que vana de 0,01 a 0,05 m/s a la primera zona (31) de la columna de burbujeo no presurizada (21) comprendida en el sistema (16);
    b) inyectar una corriente de biogas en la parte inferior de la primera zona (31) de la columna (21) a traves de la segunda tubena de entrada (5) en condiciones de contracorriente por medio de uno o mas difusores de burbuja fina (26) situados a una altura de 1,5 a 3 m por debajo de la primera tubena de entrada (19) y estando conectada al uno o mas sopladores de baja presion (25) a una presion igual a o menor de 170 kPa (1,7 bar);
    c) poner en contacto las corrientes para producir una absorcion ffsica dentro de la primera zona (31) de la columna de burbujeo (21), a la temperatura del agua residual tratada primaria y a una relacion ffquido de entrada a gas Li/G mayor de 1, sin entrada de energfa;
    d) retener las burbujas finas en la segunda zona (32) de la columna (21) despues de la etapa de absorcion ffsica, y finalmente extraer el agua residual tratada primaria (29) de la columna (21) de modo ascendente a traves de la tercera zona (33);
    e) recoger el biogas mejorado (27) por absorcion ffsica en la zona de retencion situada en la parte superior de la columna (21), por encima de la primera zona (31) y del nivel de la primera tubena de entrada (19); y
    f) regenerar el agua de lavado usada (29) en el proceso de mejora dentro de la columna (21), saliendo dicha agua de lavado (29) de la columna de burbujeo (21) despues del proceso de absorcion y siendo conducida a los medios de regeneracion que son el propio reactor biologico (23) de la instalacion de tratamiento de aguas residuales usado para el tratamiento secundario.
  8. 8. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 7, donde la relacion Li/G esta comprendida entre 3 y 10.
  9. 9. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde el agua de lavado entra de modo ascendente a la tercera zona (33) despues de la absorcion ffsica a una velocidad que vana entre 0,4 y 0,5 m/s.
  10. 10. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, donde la corriente de biogas se inyecta a traves de la segunda tubena de entrada (5) hacia el fondo de la primera zona (31) de la columna de burbujeo (21) desde un digestor anaerobico (17) de la propia estacion depuradora de aguas residuales desde la que se inyecta el agua de primario tratada dentro la columna (21).
  11. 11. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, donde el metodo comprende la etapa de reciclado de agua desde la zona de retencion de burbujas (32) a la zona de contacto (31) por medio de una bomba axial de reciclado de agua que conecta ambas zonas (31, 32), a una relacion ffquido reciclado a gas Lr/G dentro de la zona de contacto (31) de la columna de burbujeo (21) de mas de 1 a 15.
  12. 12. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, donde el metodo comprende controlar automaticamente y mantener constante la relacion Li/G de la absorcion ffsica dentro de la columna (21) por medio de un caudaffmetro del agua de lavado (22) que actua por medio de un PLC (24) sobre los sopladores de biogas (25).
  13. 13. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, donde el metodo comprende una etapa de pulido del biogas mejorado (27) despues de abandonar la columna (21) para obtener combustible para vehffculos o inyeccion de red de gas, comprendiendo el metodo:
    - enfriar el biogas mejorado (27) a 4 °C-6 °C y filtrar con filtros adsorbentes que comprenden capas de un material seleccionado del grupo consistente en: gel de sflice, tamices moleculares, carbon activado y cualquier combinacion de los mismos.
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