Optimizando la producción de biogas con monitoreo de humedad en línea

La humedad en el biogas bruto 

El biogas es producido por un proceso de digestión anaeróbica a una concentración del 100% de humedad relativa. Antes de ser utilizado, este gas pasa por un tratamiento para la eliminación de sulfuro de hidrógeno, siloxanos y VOCs, además del secado, dependiendo de la aplicación a la que se destinará este gas.

Hay varias tecnologías que trabajan juntas durante todo este proceso productivo. La purificación del biogas utilizando filtros de carbón activado es una de las tecnologías utilizadas para eliminar impurezas del biogas que se ve directamente afectada por la humedad.

Image

Importancia del secado del biogas antes de la purificación 

Antes de pasar por el proceso de purificación, el biogás debe pasar por una etapa esencial: el secado. El gas húmedo es extremadamente dañino para los sistemas de purificación de biogas, especialmente para aquellos que utilizan filtros de carbón activado.

El secado puede ocurrir en sistemas de intercambiadores de calor, donde el gas se enfría hasta aproximadamente 5 °C, provocando condensación. En este proceso, la humedad presente es eliminada y el gas se recalienta antes de ser dirigido a la etapa final de purificación, donde las impurezas restantes son eliminadas.

En el ejemplo de la siguiente imagen, tenemos un caso donde se extraen unos 12 gramos de agua por metro cúbico cada hora. Eso significa que al final de un día, se extrae más de media tonelada de humedad del ambiente. Es decir, en un proceso donde hay equipos sensibles a la humedad, el secado y la extracción del agua son esenciales para evitar fallas, mostrar si el intercambiador de calor está funcionando correctamente y tener un parámetro si los equipos están operando con cantidad de humedad soportada, evitando así su desgaste.
 

Image

Filtros de carbón activo - Eficiencia y humedad

Un estudio de laboratorio analizó la influencia de la humedad en la eficiencia del sistema y demostró que tanto el exceso de humedad como un gas extremadamente seco afectan negativamente a la eliminación de H2S y comprometen la vida útil de los filtros de carbón activado.

Los resultados del estudio indican que el proceso de secado debe ajustarse con precisión para alcanzar un equilibrio óptimo de humedad, evitando daños operativos y optimizando la eficiencia del sistema. Los principales puntos observados incluyen:

•    La eficiencia de filtración está fuertemente influenciada por el nivel de humedad presente en el gas.
•    Los altos niveles de humedad no son adecuados, ya que la condensación puede dañar los filtros, por lo que el secado es indispensable.
•    Una humedad excesivamente baja reduce significativamente la eficiencia del proceso.
•    Los resultados mais satisfatórios fueron alcanzados con niveles  de humedad relativa entre 50% e 70%.
•    En términos de punto de rocío, esto equivale a mantener una temperatura entre 8 °C y 10 °C por debajo de la temperatura del gas.
•    Los procesos de secado muy agresivos tampoco son adecuados para la eliminación eficiente de H2S.

El estudio refuerza la necesidad de un control estricto de la humedad, demostrando que ajustes adecuados en el proceso de secado son fundamentales para la eficiencia de la eliminación de H2S y para prolongar la vida útil de los filtros de carbón activado.
 

Consideraciones económicas del monitoramento de humidad en la producción de biogas

Los filtros de carbón activado son ampliamente utilizados como tecnología principal para la eliminación de compuestos no deseados en el biogás. Debido al alto costo de reposición del carbón activado, el control de la humedad en el proceso es esencial para evitar daños a los equipos y pérdidas operativas. Además, la ineficiencia en el filtrado de H2S, puede resultar en costos significativos si este compuesto llega a los motores o unidades de actualización de biometano.
 

Estos y otros factores resaltan la importancia de una gestión rigurosa de la humedad en las operaciones de las plantas, contribuyendo a la preservación de los equipos y la eficiencia del proceso.

Además de los filtros de carbón activado, varias otras etapas y equipos en el proceso productivo de biogás pueden verse perjudicados por la presencia de humedad, como por ejemplo los motores. Abajo, están algunos puntos de atención cuando se trata de la humedad en motores:

• La entrada de agua condensada en los motores puede causar su paralización total.
• La interrupción en la producción de un motor de tamaño mediano (1 MW) puede generar pérdidas de hasta $3.5kUSD  por día.
• Los niveles inadecuados de humedad en el gas combustible, incluso sin condensación, dañan la lubricación de los motores, lo que resulta en una mayor frecuencia de mantenimiento.
• Sin el secado del gas, el intervalo de cambio de aceite del motor puede reducirse a la mitad, de 1.600 horas a 800 horas.
• Para un motor típico de 1 MW, el aumento en los costos de mantenimiento debido a la mala gestión de la humedad puede llegar a $13kUSD mil por año.

Este panorama refuerza la importancia de implementar sistemas eficaces de secado y control de humedad en las plantas de biogas, garantizando una mayor fiabilidad y sostenibilidad económica de las operaciones.

Humedad en motores CHP

Los motores CHP son equipos que pueden ser afectados gravemente por la humedad en su operación. La presencia de humedad no solo afecta a la integridad del equipo, sino que también impacta directamente en la eficiencia y el rendimiento operativo del sistema. Además, el H2S, cuando no se elimina adecuadamente, junto con la humedad, puede volverse corrosivo y dañar los motores, generando altos costos de mantenimiento y paradas imprevistas. Por lo tanto, la gestión eficiente de la humedad y el H2S en el biogas es esencial para evitar daños al motor y optimizar el proceso en su conjunto. A continuación, se presentan los principales puntos que destacan la importancia del control estricto de estos factores:

• El gas seco contiene más energía por volumen que el gas húmedo, lo que contribuye a un mejor rendimiento de los motores.
• Reducir la humedad en un 1% del volumen aumenta el contenido de calor del gas en un 1%, lo que impacta positivamente en la eficiencia.
• La condensación en el acelerador del motor puede ocurrir debido al cambio de presión, especialmente cuando la humedad está cerca de la saturación, lo que afecta negativamente al rendimiento.
• La condensación en las líneas de combustible o el motor va en contra de las especificaciones del fabricante, lo que puede comprometer la operación.
• Algunos fabricantes establecen límites estrictos para el punto de rocío y el porcentaje de volumen de agua, por lo que requieren medidas de secado activo para garantizar un funcionamiento adecuado.
 

La humedad en sistemas de membrana para upgrade de biogas  

Los sistemas de mejora del biometano, especialmente aquellos que utilizan membranas para la eliminación del dióxido de carbono (CO2), son sensibles a la presencia de humedad. Durante el proceso de actualización, el biogás se almacena inicialmente y pasa por un secado con estricto control. Después de este paso, el gas es comprimido para aumentar su presión y permitir el paso a través de las membranas donde se filtra el CO2. Sin embargo, la condensación puede ocurrir durante este proceso, dañando tanto las membranas como la eficiencia del sistema. Por lo tanto, es esencial realizar un control constante del proceso y asegurar que la humedad se mantenga en niveles adecuados para evitar daños al equipo y garantizar la calidad del biometano producido.

Para garantizar un funcionamiento eficiente y prolongar la vida útil de las membranas, es fundamental supervisar continuamente el proceso y controlar aspectos críticos del gas de entrada. A continuación, se destacan los factores que deben observarse para un proceso de actualización de biogás exitoso:

•    El biometano se produce por la separación y eliminación del CO2 del biogás, dejando el metano casi puro como producto final.
•    La mejora del biogas mediante membranas requiere una presión de proceso superior a 10 bar.
•    El CO2 recuperado puede ser utilizado en varias aplicaciones.
•    Si el punto de rocío del biogas crudo es alto, puede producirse condensación después de la compresión, incluso a altas temperaturas. Mantener el punto de rocío por debajo de 0 grados es fundamental para evitar problemas operativos.
•    El MGP261, un sensor de humedad de Vaisala, mide la concentración de agua en ppm de volumen o temperatura del punto de rocío, asegurando un control preciso de la humedad.

Medición óptica de humedad  

La medición óptica de humedad es una tecnología innovadora y relativamente nueva, especialmente para aplicaciones en biogás. A diferencia de los métodos tradicionales, que se basan en principios eléctricos como la variación de capacitancia y resistencia debido a la presencia de agua, la medición óptica utiliza el infrarrojo para medir la humedad. La ley de Lambert-Beer se aplica para realizar esta medición, donde el haz de luz infrarroja emitido pasa a través del gas. Cuando el vapor de agua está presente, absorbe una parte de esa luz, y la cantidad de absorción varía según la concentración de humedad en el gas.
 

Esta tecnología ofrece una medición más precisa y directa de la humedad, permitiendo la determinación de la concentración tanto en volumen (ppm) como en porcentaje de volumen, lo que proporciona una comprensión más detallada del estado del biogas.
 

Comparación entre medición óptica e instrumentos convencionales

La medición convencional, generalmente realizada en equipos de extracción, desestima la humedad midiendo el metano y el CO2 después de la extracción de muestras de gas. Como resultado, la medición del porcentaje de volumen no es tan precisa, ya que la humedad no se considera directamente. En contraste, la medición óptica en base húmeda, utilizando un sensor infrarrojo, mide la humedad directamente, ofreciendo datos más precisos. Este enfoque también mejora la precisión de las mediciones de CO2 y metano, lo que resulta en un control más eficaz del proceso.

MGP260 - Sondas Vaisala para biogas y biometano 

La línea de sondas MGP260 de Vaisala está diseñada para aplicaciones in situ y mediciones en línea, y se instala directamente en la tubería de biogas. Estas sondas no tienen partes móviles, no requieren muestras y realizan mediciones directamente en el lugar. Esto resulta en un bajo costo operativo, ya que las sondas son auto calibrables, eliminando la necesidad de una calibración frecuente o técnicos especializados para la instalación. El mantenimiento es sencillo, se limita al cambio o limpieza del filtro de la punta de sonda, con largos intervalos entre las intervenciones.

Las sondas MGP261 y MGP262 están diseñadas para diferentes aplicaciones, con la MGP262 enfocada a la mejora del biometano, mientras que la MGP261 puede ser usada en varias áreas dentro de la planta. Ambas ofrecen una excelente precisión y estabilidad, proporcionando mediciones confiables de humedad y gases en biogás.

La diferencia clave de la línea MGP260

La principal innovación de la línea MGP260 es la introducción del primer sensor in situ 3-en-1 para biogas del mundo. Esta tecnología ofrece:

•    Estabilidad y precisión superiores.
•    Bajo costo de operación.
•    Diseño compacto y robusto.

Image

Tecnología CARBOCAP

La línea MGP260 utiliza la tecnología CARBOCAP, que reemplaza la lámpara incandescente tradicional por un microglow, un componente micromecánico fabricado por Vaisala. Este microglow tiene una vida útil de más de 15 años, bajo consumo de energía, luz estable y una respuesta rápida en el arranque. Esta innovación permite la fabricación de productos herméticamente sellados con certificación EX, garantizando seguridad y durabilidad en las condiciones exigentes de aplicaciones en biogas y biometano.

Image

Mediciones multigas con CARBOCAP:

• El filtro infrarrojo es sintonizable basado en silicio patentado por Vaisala que permite la medición de varios gases.

• Al cambiar la tensión aplicada al filtro óptico, la longitud de onda del paso de banda se puede cambiar en un amplio rango, permitiendo la detección de varios gases. 

  Al medir la humedad junto con el dióxido de carbono y metano, se elimina la interferencia cruzada entre los gases.

   

Para saber mas o entrar en contacto con nuestro especialista Vaisala Click aqui