Absorción química de CO2 para la obtención de una corriente de metano, procedente del biogás generado en el proceso de digestión anaerobia de una depuradora de aguas residuales urbanas

Resumen

El biogás es una mezcla de gases compuesta mayoritariamente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) que se origina como un subproducto en muchas actividades donde se gestionan residuos orgánicos. Se produce por la digestión anaeróbica (en condiciones de ausencia de oxígeno) o fermentación de la materia orgánica y presenta un elevado poder calorífico (21 – 25 MJ/m3). El objetivo principal de esta Tesis es la obtención de un biogás rico en CH4, que hemos denominado BIOEDAR, para emplearlo como biocombustible en vehículos. Para ello, se debe aislar el CH4 del resto de gases contaminantes, que disminuyen el potencial energético del biogás o dañan los motores, mediante técnicas de purificación. Para lograr este objetivo, en primer lugar, es preciso aplicar un proceso de limpieza de las impurezas, presentes en pequeñas concentraciones, como el nitrógeno (0 - 3%), amonio (0 – 200 mg/m3), H2S (0 – 10.000 ppm), vapor de agua (5 – 10 %), oxígeno (0 – 1%) y siloxanos (0 – 40 mg/m3). Este proceso ha consistido en lavado químico mediante torres con material de relleno o scrubbers. Esta primera fase de la investigación se ha centrado en la desulfurización del biogás, optimizando el funcionamiento de las tres torres de lavado: T1, Torre ácida (H2SO4), T2, torre oxidativa (NaClO) y T3, Torre básica (NaOH). Se ha concluido con la recomendación de uso exclusivo de la Torre básica T3, trabajando en un rango de pH de 10,5-11. Se ha realizado una caracterización completa del biogás tratado, y se concluye que las concentraciones de los 40 compuestos traza analizados están por debajo de los límites de detección de los equipos analíticos. Por tanto, en este punto, el biogás contiene básicamente solo CH4 y CO2. En una segunda fase, es preciso retirar el CO2, ya que aunque éste no causa daños a motores, reduce el potencial energético del biogás. Para este fin, se ha aplicado un proceso de absorción química del CO2 mediante aminas, a bajas presiones. Para poder llevar a cabo el proceso en continuo, hay que conseguir el equilibrio entre la absorción y la desorción posterior de la disolución de amina. Las principales variables consideradas del proceso fueron la dosis óptima de amina y la temperatura del proceso de desorción. Tras una revisión bibliográfica sobre la eficiencia de las aminas, y teniendo en cuenta criterios económicos, las soluciones utilizadas como absorbentes de CO2 fueron la monoetanolamina (MEA) y metildietanolamina (MDEA), ambas al 20% y al 40%. Fue evidente la superioridad de la MEA sobre la MDEA porque ambas soluciones, al 20 y 40 %, lograron una riqueza de CH4 de aproximadamente el 96% a la salida de las columnas de absorción de CO2, en comparación con las soluciones de MDEA, que apenas alcanzan el 75%. Finalmente, tras optimizar el proceso, se obtiene el caudal de amina óptimo, con MEA 20%, y el número de torres de relleno a utilizar. En cuanto al proceso de desorción de CO2 de la amina, se consigue con una temperatura óptima de 85 °C en el calderín precalentador, y utilizando las dos resistencias térmicas de la torre de desorción que aseguran temperaturas superiores a 92 °C. En relación con el biocombustible, por cada 100 m3/h de biometano se obtuvieron 62 Nm3/h netos, suficientes para abastecer a cuatro vehículos con una autonomía de 420 km cada uno. Comparando los valores de emisión de CO2, los vehículos del proyecto que funcionaban con este BIOEDAR generaban 138 g CO2/km, mientras que un vehículo diesel convencional emite 170 g CO2/km de media. Con este dato, y considerando la autonomía del vehículo objeto de estudio, se deduce que los vehículos del proyecto que funcionaban con BIOEDAR generan 14 Kg CO2 menos que un vehículo convencional en ese rango de autonomía. Este aspecto es crucial para la aproximación hacia un futuro más sostenible en el que se pretende disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero y apostar por un sistema energético renovable. En la presente Tesis, se demuestra la posibilidad de establecer un modelo de economía circular en una EDAR por medio de la valorización energética de lodos, por un lado, y el aprovechamiento energético del biogás como biocombustible que es el objeto de este trabajo, promoviendo sistemas de producción y consumos más eficientes, estableciendo ciclos continuos y consiguiendo reducir el consumo de materias primas, energía, generación de residuos y emisiones.