MX2011013482A - Sistema de producción de biogas. - Google Patents

Abstract

Un sistema de producción de biogás como la referida en la presente invención es un sistema para granjas, ranchos y toda aquella instalación donde se generen residuos de animales; se caracteriza por una ingeniería de proceso, asociada a una distribución de planta en cada uno de sus elementos. Sus principales ventajas permiten la flexibilidad para su instalación, ampliación, transportación a otro sitio, producción de biogás filtrado para usar en estufas, calentadores de agua, equipos de proceso que utilicen gas y generadores de energía eléctrica de baja capacidad y el sustrato resultante se puede aprovechar como fertilizante o para hacer composta.

Description

SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con el campo de desarrollo de la producción de energías renovables, más específicamente con un sistema de producción de biogás. Este tipo de energías son producidas a partir de procesos que utilizan los recursos y efectos naturales de nuestro medio ambiente, entre los que podemos mencionar al sol, las corrientes de viento y agua, la materia orgánica de cultivos o residuos también llamada biomasa. El uso de la biomasa para producción de energía es un proceso con el cual se puede aportar un mecanismo para que granjas y ranchos manejen adecuadamente los residuos de los animales, satisfagan una proporción de la necesidad del gas que consumen y orientarlos hacia el desarrollo sustentable.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El desarrollo energético de la mayor parte de los países se ha sentado en la explotación de los hidrocarburos, entre ellos México; la sociedad, los sectores industriales y comerciales demandan cada vez mayores cantidades de energía para satisfacer sus necesidades, la economía del mundo se sustenta en la explotación de este tipo de combustibles, sin embargo esta fuente fósil tiene un tiempo de vida que los científicos ya han determinado y desafortunadamente todavía no se ha establecido el esquema de transformación para la utilización de otro tipo de fuentes de energía.

En la actualidad las fuentes renovables de energía constituyen un potencial de desarrollo en diferentes campos de aplicación; la energía solar, la generada por las corrientes de viento y agua son de uso común en muchos países utilizándolos a nivel de casa habitación, sectores rurales e industriales. Otra de las energías renovables disponibles es la generada a partir de los desechos orgánicos, también conocida como biomasa; a partir de esta materia pueden ser generados diferentes combustibles, como lo son el biodiesel, el etanol y el biogás entre los más importantes, sin embargo, su potencial aprovechamiento hasta la fecha se encuentra sin dar los resultados para que los sectores urbanos, rurales e industriales encuentren un negocio rentable en la producción de energía a través de esta fuente.

En diferentes países se han desarrollado sistemas de producción de biogás a partir de residuos de animales para uso propio de las granjas, básicamente para la cocina como en China y varios países de Asia; en México ha habido diferentes experiencias en los sectores rurales para producir energía a partir estos residuos; sin embargo, por falta de conocimiento, accesibilidad a tecnología, continuidad en los proyectos y falta de financiamientos acordes a las condiciones de los pequeños productores, esta fuente ha sido poco explotada.

La producción de biogás a partir de la fermentación de residuos es un proceso biológico en el cual la materia orgánica se degrada naturalmente en condiciones de ausencia de aire. El proceso se realiza en tres fases: hidrólisis, acidificación y metanización; en estos procesos las bacterias encuentran un medio para desarrollarse y producir una mezcla de gases, cuya mayor concentración corresponde al metano (CH4) y a dióxido de carbono (CO2) y en pequeñas concentraciones ácido sulfhídrico (H2S), vapor de agua y amoniaco (NH3). Por contener una mayor cantidad de metano, este producto de la fermentación puede ser utilizado como combustible para calentamiento siendo su poder calorífico un poco menor que el del gas natural o Licuado a Presión (LP) debido a las impurezas que acompañan al metano, sin embargo esta desventaja puede ser compensada por el hecho que la materia prima para que funcionen estas plantas son un subproducto de las operaciones de estos sitios y que en algunos casos resulta ser un serio problema su manejo y disposición.

El potencial de aprovechamiento de los residuos de animales es muy alto por la gran cantidad de granjas y pequeños ranchos ganaderos y avícolas, si se considera que en promedio un número reducido de cabezas de ganado puede generar hasta 490 kilogramos de estiércol por día, en la mayor parte de los casos se desperdician estos residuos y no se le da una adecuada disposición, por lo que posteriormente pasan a ser un problema sanitario y potencial foco de enfermedades.

En México los sectores rurales y específicamente los pequeños ranchos y granjas se encentran limitados para realizar grandes inversiones para manejar los residuos que producen los animales y aprovechar los beneficios que estos generan; primeramente por un desconocimiento en esta tecnología y por una falta de difusión en el uso de las fuentes renovables. El biogás se encuentra en desventaja por su baja disponibilidad para los grandes consumidores de las zonas urbanas y los sectores industriales, sin embargo, en las zonas rurales o lugares alejados de las ciudades donde la falta de combustibles a precios accesibles y el suministro de electricidad es limitado, da pauta para que esta fuente de energía sea una oportunidad de desarrollo por medio de un sistema de producción de biogás como la presente invención.

En diferentes sectores se han desarrollado sistemas de producción de biogás en pequeña escala, los primeros construidos a partir de una obra civil rural con conexiones básicas y almacenamiento sin especificaciones de seguridad. En otros países se presentan en el mercado sistemas de producción de biogás con grandes capacidades y sistemas automatizados para la alimentación de los residuos que hacen que se consuma energía en estos sistemas e incrementan las inversiones iniciales. Los modelos que se presentan en la literatura y en diferentes páginas web muestran prototipos con una visión académica, falta el desarrollo de ingeniería de proceso necesario para establecer la operación eficiente desde una colección de los residuos, mezcla e introducción de los mismos, producción de gas y tratamiento de desechos a la salida.

Los modelos de sistemas de producción de biogás de pequeña escala que se presentan en diferentes fuentes de información son instalaciones fijas, no se pueden mover a otras granjas, sin antes volver a construir la zanja, los materiales plásticos de la cubierta del biodigestor, en algunos casos no resiste las condiciones a la intemperie, se perforan, presentan fugas y se degradan en poco tiempo. En muchos casos no se toma en cuenta la operación de la granja o el rancho para definir el arreglo del sistema de producción de biogás. La presente invención tiene la ventaja de ser movible y escalable a las dimensiones y capacidades que requiere el granjero sin necesidad de hacer zanjas o drenes especiales.

Muchos de los sistemas de producción de biogás que se han construido presentan un sistema como el indicado en la patente No. MX 2008014147, la cual instala en el biodigestor un sistema de bolsa flexible para la producción de biogás, que al estar expuesta, los animales de la granja pueden perforar y dejar escapar el biogás producido; este problema lo resuelve la presente invención con tanques rígidos evitando que los animales lo puedan perforar, que exista una pérdida de biogás considerable y que el sistema deje de operar hasta su reparación.

El documento de patente No. EC SP088861 que presenta un sistema de contención de biogás flexible muestra la deficiencia de ser perforado por los animales de granja, situación que la presente invención resuelve con el sistema de tanques rígidos.

Existen diferentes modelos de sistemas de producción de biogás con instalaciones adicionales, algunos como el reportado en la patente No. ES2340514 (T3) cuenta con sistemas de bombeo y acoplamientos en módulos que incrementan el número de equipos, el espacio requerido y el costo inicial, la presente invención no está equipada con equipos que consuman energía eléctrica o energía externa fósil evitando así aumento de contaminación ambiental por estos consumos.

En la patente No. ES 2233667 (T3) el biodigestor cuenta con un sistema de calefacción plano en la pared del tanque, así como un dispositivo de drenaje de líquido, la presente invención tiene dentro del biodigestor un serpentín que está conectado a un calentador solar, que suministra el agua caliente para la regulación de la temperatura durante la reacción y el drenaje del residuo es a través de un tubo por gravedad.

En la actualidad el nivel de producción de energía es una de las variables más importantes en la economía de los países, ya que en gran parte depende del desarrollo industrial y la certidumbre económica para que los empresarios se arriesguen a invertir en proyectos de diferentes sectores, como potencial de desarrollo económico y de transformación energética, el biogás producido a través de un sistema de producción de biogás como la propuesta por esta invención puede producir una cantidad significativa como indicador en los balances nacionales de energía, de esta forma hacer atractivo al país energéticamente hablando, así como los beneficios económicos que derivarían a los sectores de pequeñas granjas y sus cadenas productivas.

Para elevar estos índices de producción de energía mencionados se requieren energías limpias, que no afecten las riquezas naturales del planeta, que bajen los índices de producción de gases con efecto invernadero, así como disminuyan la dependencia del petróleo y sus derivados y al mismo tiempo sean promotoras del desarrollo sustentable de los pueblos. El sistema de producción de biogás de la presente invención trata los residuos y no permite que estos provoquen emisión de metano que es casi 4 veces más letal que el bióxido de carbono, de igual forma si se dejan los residuos al aire libre con las lluvias existe el riesgo que se infiltren a las capas inferiores del subsuelo y contaminar los mantos freáticos, situación que con la presente invención se disminuye y a la vez se promueve el uso de las energías renovables.

Los pequeños productores de leche al instalar un sistema de producción de biogás pueden encontrar una opción de generación de energía limpia para su consumo, un medio para disminuir sus costos de operación y hacer sus pequeños negocios más competitivos con respecto de las grandes empresas, así como dirigirlos a una vía sustentable en beneficio de su calidad de vida.

Otro aspecto fundamental que persigue satisfacer el sistema de producción de biogás es la tecnificación del campo y las granjas, con sistemas sencillos, básicos, sin sistemas sofisticados, que el usuario pueda operar con una capacitación elemental y al mismo tiempo pueda dar un mantenimiento general sin la necesidad de la visita de los técnicos especializados.

OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la invención es proporcionar un sistema capaz de producir cantidades significativas de biogás no afectando las riquezas naturales del planeta, bajando los índices de producción de gases con efecto invernadero, así como disminuir la dependencia del petróleo y sus derivados.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Los detalles característicos de este novedoso sistema de producción de biogás se muestran claramente en la siguiente descripción y en los dibujos con carácter ilustrativo y no limitativo que la acompañan, así como en una ilustración de aquella, siguiendo los mismos signos de referencia para indicar las partes y las figuras mostradas.

La figura 1 muestra el arreglo general del sistema de producción de biogás.

La figura 2, es un corte transversal del biodigestor (1) donde se aprecian el tubo de entrada (2) de residuos y el tubo de descarga (3) de sustrato fermentado, el serpentín (4), junto con la brida de descarga (5) de biogás y el inyector de agua caliente (6), la descarga de corriente de agua tibia (7) del serpentín (4) y el medidor de temperatura (8).

La figura 3, es una vista en perspectiva del drenador (9) del sistema de producción de biogás, en ella se aprecia la malla del drenador (10) y el colador (11) que lo conforman.

La figura 4, es una vista superior de la fuente de calor (12) del sistema de producción de biogás, aquí se muestran la tubería de salida de la fuente de calor (13) de agua caliente, la tubería de entrada de la fuente de calor (14) de agua tibia y la válvula de paso (15).

La figura 5, es la sección lateral del filtro (16) del sistema de producción de biogás, en ella se aprecian el inyector del filtro (17) y la descarga del filtro (18).

La figura 6 muestra un corte transversal del tanque de almacenamiento (19) de biogás, se puede observar la tubería de entrada al tanque de almacenamiento (20), la válvula de alivio (21) y la tubería de descarga del tanque de almacenamiento (22) de biogás.

La figura 7 es una vista lateral del generador de energía eléctrica (23) en ella se aprecia el inyector biogás (24).

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION A continuación se muestra el listado de partes que conforman el sistema de producción de biogás. 1.- Biodigestor 2. - Tubo de entrada 3. - Tubo de descarga 4. - Serpentín 5. - Brida de descarga 6.- Inyector de corriente de agua caliente 7. - Descarga de corriente de agua tibia 8. - Medidor de temperatura 9. - Drenador 10. - Malla del drenador 11.- Colador poroso 12. - Fuente de calor 13. - Tubería de salida de la fuente de calor 14. - Tubería de entrada de la fuente de calor 15. - Válvula de paso 16.- Filtro 17. - Inyector del filtro 18. - Descarga del filtro 19. - Tanque de almacenamiento 20. - Tubería de entrada al tanque de almacenamiento 21.- Válvula de alivio 22.- Tubería de descarga del tanque de almacenamiento 23. - Generador de energía eléctrica 24. - Inyector de biogás Con referencia a la figura 1 el sistema de producción de biogás está conformado por: Un biodigestor (1), el cual es un tanque con tapa roscada en su parte superior o cerrado, preferentemente de polímero, que cuenta en uno de sus lados con al menos un tubo de entrada (2) por donde ingresa el desecho orgánico de los animales; el tubo de entrada (2) se encuentra en la parte lateral inferior del biodigestor (1) y está configurado de tal manera que se extienda hasta el fondo de dicho biodigestor (1) permitiendo que el desecho entrante desplace al sustrato hacia al menos un tubo de descarga (3), que se encuentra en la parte lateral superior opuesta del tubo de entrada (2) con un ángulo a 45 ° que funciona como una trampa para mantener el nivel de sustrato dentro del biodigestor (1); este sustrato es depositado en un drenador (9) y a través de una malla del drenador (10) colocada en la parte superior del drenador (9) y un colador poroso (11) situado en la parte inferior de la malla del drenador (10) como se muestra en la figura 3, separan la humedad del sustrato saliente para su posterior aprovechamiento como composta o fertilizante; dentro del biodigestor (1) se encuentra un serpentín (4) alojado desde la parte superior hasta el fondo del biodigestor (1) para homogenizar la distribución térmica de calor, que es alimentado de agua por un inyector de corriente de agua caliente (6) situado en la parte superior del biodigestor (1), el agua sale por una descarga de corriente de agua tibia (7) ubicada en la parte inferior del biodigestor (1) como se indica en la figura 2, el serpentín (4) permite elevar y mantener la temperatura del sustrato para iniciar el proceso de fermentación del desecho orgánico, esta temperatura es registrada por un medidor de temperatura (8) colocado en la parte lateral central del biodigestor (1); el calor para llevar a cabo este proceso es suministrado por una fuente de calor (12), esta fuente de calor puede ser un calentador solar, una caldera, un banco de resistencias eléctricas o algún combustible que produzca calor, el calor eleva la temperatura del agua que es desplazada por diferencia de densidades a una tubería de salida de la fuente de calor (13) para alimentar el inyector de corriente de agua caliente (6), esta corriente es controlada a través de una válvula de paso (15) situada en la tubería de salida de la fuente de calor (13) y el agua que pasa por el serpentín (4) es descargada hacia una tubería de entrada de la fuente de calor (14) que se encuentra en el lado opuesto a la tubería de salida de la fuente de calor (13) como se muestra en la figura 4, con la finalidad de recircular el agua y evitar su desperdicio; este proceso hace homogénea la temperatura dentro del biodigestor (1) y permite que el biogás generado por la descomposición natural ascienda hacia una brida de descarga(5) ubicada en la parte superior del biodigestor (1); a través de la cual el biogás es conducido hacia un filtro (16) por medio de un inyector del filtro (17) situado en la parte lateral inferior del filtro (16), el filtro (16) que está configurado con barreras escalonadas de cal y hierro como se muestra en la figura 5, permite disminuir las impurezas que el biogás contiene para salir por una descarga del filtro (18) ubicada en la parte lateral superior del filtro (16) hacia una tubería de entrada al tanque de almacenamiento (20) donde es almacenado en un tanque de almacenamiento (19) dicho tanque es un contenedor rígido el cual en su parte superior está provisto con una válvula de alivio (21) como se muestra en la figura 6, que desfoga el biogás si es excedida la presión máxima de operación. Para el aprovechamiento del biogás, el tanque de almacenamiento (19) tiene una tubería de descarga del tanque de almacenamiento (22) colocada en la parte superior del tanque de almacenamiento (19) la cual conduce el biogás hacia un generador de energía eléctrica (23) a través de un inyector de biogás (24) como se muestra en la figura 7, para su posterior combustión.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION En pruebas experimentales a nivel laboratorio el sistema de producción de biogás, genera volúmenes de biogás con bajas concentraciones de ácido sulfhídrico permitiendo operar el generador de energía eléctrica y produce un sustrato con calidad para ser utilizado como fertilizante o como base para compostas.

El sistema evita que la contaminación provocada por los residuos, sea vertida a la atmósfera y a los mantos acuíferos, así como la proliferación de moscas a cielo abierto, focos infecciosos y malos olores.

El ejemplo que a continuación se presenta como guía adicional, para la persona experta en la técnica, en ningún caso debe considerarse como limitación de la invención.

El biodigestor es cargado por el tubo de entrada con una mezcla de residuos y agua en proporciones de 1:4 cuando se trate de ganado bovino, en cada tipo de residuos existe una relación para la correcta operación del biodigestor, ¡nicialmente se va cargando en una proporción que incremente el volumen dentro del biodigestor gradualmente hasta completar su capacidad en 20 días aproximadamente, tiempo en el que empieza la producción estable de biogás, de igual forma se empieza a mandar la circulación de agua caliente a través del inyector de corriente de agua caliente y se controla su temperatura hasta alcanzar 35°C aproximadamente abriendo la válvula de control conforme se incremente el volumen, una vez que empieza a producirse biogás continuo se conduce a través del filtro, este dispositivo disminuye las impurezas al hacer reaccionar el ácido sulfhídrico contenido en el biogás adsorbiéndolo en su cuerpo de trampas de hierro y cal, el gas pasa al tanque de almacenamiento para disponerlo en las aplicaciones usuales de calentamiento en estufas, calentadores de agua, equipos de proceso y para la producción de energía eléctrica.

Con la carga de residuos se desaloja por el tubo de descarga un volumen igual al que se ingresó, este sustrato cae sobre la malla y el colador del drenador para retirarle la humedad, este sustrato se coloca al sol y una vez seco se puede utilizar como fertilizante y como base para composteo, el agua que cae del drenador se puede utilizar para preparar los residuos que ingresarán al biodigestor. En experimentaciones a nivel laboratorio, se ha registrado que la concentración del ácido sulfhídrico es menor del 0.01 % y se observa físicamente que los equipos de combustión presentan poca o escasa erosión, de igual forma se ha obtenido el poder calorífico del biogás que comparativamente con el gas LP se encuentra a un 64 % de este último.

Claims (14)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficientemente nuestra invención, la consideramos como novedad y por lo tanto reclamamos de nuestra exclusiva propiedad, lo contenido en la siguiente clausula.

1.- Un sistema de producción de biogás integrado para procesar desechos orgánicos de animales de granja, caracterizado por que comprende: • un biodigestor para producir biogás a partir de los residuos orgánicos; • un drenador que recibe el residuo orgánico procesado por el biodigestor; • una fuente de calor, que permite elevar la temperatura dentro del biodigestor, para fermentar los residuos orgánicos y se realice la producción de biogás, la fuente de calor se encuentra conectada al biodigestor por medio de un inyector de corriente de agua caliente y una descarga de corriente de agua tibia; • un filtro, el cual disminuye las impurezas del biogás generado en el proceso de fermentación de los residuos orgánicos dentro del biodigestor; • un tanque de almacenamiento que permite almacenar el biogás libre de impurezas que proviene de una descarga del filtro; y • un generador de energía eléctrica, que funciona con el biogás generado y almacenado en el tanque de almacenamiento.

2. - El sistema de producción de biogás de la reivindicación 1, donde el biodigestor es un tanque configurado para que cierre herméticamente en su parte superior.

3. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el biodigestor cuenta en la parte lateral inferior con al menos un tubo de entrada, que permite que el desecho orgánico ingrese al tanque, en la parte lateral superior del biodigestor tiene al menos un tubo de descarga que permite desplazar el desecho orgánico ya procesado para que pase al drenador; un serpentín, conectado al inyector de corriente de agua caliente y a la descarga de agua tibia; un medidor de temperatura; y una brida de descarga que se encuentra en la parte superior del tanque, la cual permite que el biogás generado pase al filtro.

4. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el cierre hermético del biodigestor es por medio de una tapa roscada.

5. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el tubo de entrada está configurado de tal manera que se extiende hasta el fondo de dicho biodigestor permitiendo que el desecho entrante desplace al sustrato hacia el tubo de descarga.

6.- El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el tubo de descarga tiene un ángulo de 45° que funciona como una trampa para mantener el nivel de desecho orgánico dentro del tanque.

7.- El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el serpentín está configurado para que se distribuya desde la parte superior del tanque hasta el fondo del mismo, con la finalidad de mantener la temperatura dentro del tanque de manera homogénea.

8. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el drenador cuenta con una malla en su parte superior y un colador situado en la parte inferior del drenador.

9. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el colador es poroso.

10. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde la fuente de calor se permite que sea un calentador solar, una caldera, resistencias eléctricas o cualquier tipo de combustible que produzca calor.

11. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el filtro se encuentra estructurado internamente por barreras de cal y hierro.-

12. - El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde las barreras del filtro se encuentran de manera escalonada.

13.- El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el tanque de almacenamiento es un contenedor rígido el cual en su parte superior está provisto con una válvula de alivio, que desfoga el biogás si es excedida la presión máxima de operación, dicho tanque de almacenamiento tiene también una tubería de descarga colocada en la parte superior del tanque, la cual conduce el biogás hacia el generador de energía eléctrica.

14.- El sistema de producción de biogás de las reivindicaciones anteriores donde el generador de energía eléctrica se permite que sea por medio de motor o turbina de combustión.