“AÑO DE LA consolidación económica y social del Perú ”
UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA –
-FACT IBILIDAD “ESTUDIO DE PRE-FACTIBILIDAD
PARA LA RECUPERACION RECUPERACI ON
Y PRODUCCION DE DE ENERGIA EN LA REGION REGION ICA A TRAVES DE UN SISTEMA DE BIOGAS” TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO - ELECTRICISTA
Presentado por los: BACH. HENRY CERSSO MASSA BACH. ALEXANDER ORTIZ DIAZ Ica – Perú 2012
1
A todas aquellas personas que nos han brindado
en
forma
desinteresada
e
incondicionalmente su apoyo, teniendo la plena confianza en nuestra capacidad y nos dieron
su
confianza,
y
que
seamos
profesionales capaces.
Los autores
2
A todas aquellas personas que nos han brindado
en
forma
desinteresada
e
incondicionalmente su apoyo, teniendo la plena confianza en nuestra capacidad y nos dieron
su
confianza,
y
que
seamos
profesionales capaces.
Los autores
2
INDICE INTRODUCCION
CAPÍTULO I GENERALIDADES DEL PROYECTO 1.1.
Planteamiento del Problema 1.1.1-Antecedentes 1.1.2-Formulación del Problema 1.1.3 Importancia de la Investigación 1.1.4 Objetivos 1.1.5 Hipótesis
CAPITULO II SISTEMA DE BIOGAS 2.1
Marco Teórico 2.1.1 El biogás 2.1.2 Parámetro de diseño 2.1.3 Dimensionamiento del digestor 2.1.3.1 Dimensionamiento del depósito de gas 2.1.3.2 Relación digestor y depósito de gas
CAPÍTULO III UTILIZACION DEL BIOGAS 3.1 cocina con Biogas
3
3.2 Forma de alimentar 3.3 Preparación de la mezcla de estiércol y agua 3.4 Definición de la digestión Anaeróbica 3.5 Cocina de biogás 3.6 Utilización del biogás para cocinar 3.7 Biodigestores
CAPÍTULO IV IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE BIOGAS. 4.1 La planta de biogás 4.2 La poza de sedimentación primaria 4.3 La poza secundaria de almacenamiento de gases 4.4 Tanque principal de presión mayor 4.5 Tanque secundario de contrapresión 4.6 Tubería de transporte 4.7 Aplicación del biogás en uso doméstico 4.8 Características favorables del biogás 4.9 Beneficios de la tecnología del biogás
CAPÍTULO V DISEÑO DE BIODIGESTORES 5.1
Materiales necesarios para la construcción del biodigestor de bajo costo
5.2
Instalación del biodigestor
4
5.3
Operaciones del biodigestor
5.4
Producción de biogás
CAPITULO VI FACTIBILIDAD TECNICA Y ECONOMICA DE UNA PLANTA PRODUCTIVA DE BIOGAS 6.1
Diseño y factibilidad
6.2
Tanque de Recolección
6.3
Conducción de la mezcla
6.4
Digestor
6.5
Conducción del biogás
6.6
Equipos para la limpieza del biogás
6.8
Equipos que utilizan biogas
6.9
Intercambiador de calor
6.10 Control 6.11 Planta piloto 6.12 Dimensionamiento de las plantas de biogás 6.13 Dimensionamiento del digestor 6.14 Dimensionamiento del depósito de gas 6.15 Biodigestor: Tecnología amigable para disminuir
5
CAPÍTULO VII ESTUDIO ECONÓMICO: 7.1
Estudio económico
7.2
El balance económico del uso del biogás
7.3
Investigación
7.4
Producción de gas
7.5
Costo de inversión en la construcción de una planta de biogás
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA
6
INTRODUCCION
El presente trabajo de tesis que presentamos es para poder dar a conocer que es lo que se puede lograr en un proceso para obtener biogás y esta se realiza en cámaras mediante todos los sistemas de procesos cerrados.
En la actualidad existe un método para obtener gas combustible y esto se realiza a través del sistema BIO-GAS el cual serviría para uso domestico, tratando de esta manera darle uso a los desechos orgánicos que se botan como desperdicio a los botaderos de basura.
Este medio de obtener gas-butano es importante y permite obtener de los recursos orgánicos de una descomposición que al descomponerse en lugares cerrados generan gases naturales provenientes de todos los compuestos que se encuentren en procesos de degradación.
7
La
instalación
se
conoce
como
biodigestor
o
planta
de
biogás.
El metano obtenido puede ser usado para cocinar, iluminar y calentar. También puede ser usado como combustible para un motor, siempre y cuando éste sea modificado ligeramente.
Es de gran ayuda el tener una planta de procesamiento de gases del tipo combustible energético de calor, porque permite la obtención de energía renovable esta a su vez se realiza con desechos orgánicos que después de obtener un compuesto de gas natural sus residuos se convierten o transforman en un fertilizante con un alto grado de nitrógeno el cual sería muy importante para la agricultura.
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CAPITULO I GENERALIDADES DEL PROYECTO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1.1 ANTECEDENTES En la actualidad
las zonas rurales de ICA, tiene
uno de los
problemas mas urgentes la cual es la de conseguir energía de consumo calorífico, para el uso domestico empleado en la cocina. Es
también importante dar
a conocer
que la energía de
combustión del BIO-GAS es la que permite el aprovechamiento, de los recursos orgánicos no renovables los cuales se pueden descomponer mediante un proceso de descomposición cerrada.
Situación actual.
Los consumos de la energía en la actualidad, son costosos tanto en la energía calorífica, así como también en la energía de
9
combustión calorífica, por lo cual seria conveniente implementarlo en la provincia de ICA por medio de un plan de desarrollo.
En la actualidad no existe planes de desarrollo energético para aprovechar el medio de descomposición del BIO-GAS la cual a través de un proceso se llegan a conseguir energía de combustión.
Los promedios de necesidad de contar con un sistema de extracción no existen en la ciudad de ICA. Debido a la poca investigación y la escasez de falta de proyectos en este rubro energético.
1.2.
Formulación del Problema. ¿De qué manera un sistema de instalación de una planta de bio-gas soluciona la alimentación de gas combustible para uso doméstico en el área rural de Ica?
1.3.
Importancia de la Investigación. Es de gran importancia tener una planta de procesamiento de BIO-GAS el cual permitiría alimentar de gas combustible a las zonas rurales en donde se necesitan satisfacer sus necesidades de cocción de alimentos para su uso domestico los cuales al ser procesados mediante pozas cerradas y al ser conducidos por medio de tuberías y contenedores de deposito o cilindros tipo balón cerrado hermético.
10
1.4
OBJETIVOS 1.4.1 OBJETIVO GENERAL Sugerir la construcción de un sistema de instalación de una planta de bio-gas para la alimentación de gas combustible para uso doméstico en el área rural de Ica.
1.4.2 OBJETIVO ESPECIFICO:
Planificar una buena distribución de gas natural
Cubrir con las necesidades, de consumo de energía calorífica en los diferentes domicilios.
Considerar el IMPACTO AMBIENTAL al construir la planta de BIOGAS considerando las leyes del Perú.
1.5
HIPOTESIS La construcción de una planta biogás seria importante para poder satisfacer la alimentación de gas combustible para el uso domestico en el área rural de Ica.
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CAPITULO II SISTEMA DE BIOGAS
2.1. SISTEMA DE BIOGAS 2.1.1 El Biogas El término “Biogas” se refiere a los equipos construidos para
producir gas metano mediante la digestión anaerobia de los desperdicios de granja u otros tipos de biomasa, tales como estiércol, abono humano, residuos de cosechas, etc.
El Biogas o gas metano se obtiene mediante un procedimiento de digestión, que es un proceso anaerobio, es decir, que debe producirse sin oxígeno.
Este tratamiento tiene por objeto descomponer materias orgánicas y/o inorgánicas en un digestor hermético, sin oxígeno molecular, prosiguiendo el proceso hasta que se produzca 12
metano y dióxido de carbono. el proceso es una suma de reacciones bioquímicas provocadas por el cultivo de una mezcla de bacterias .
La descomposición se produce en dos fases: 1-. Fase de licuación. 2-. Fase de gasificación.
La primera fase la producen principalmente saprófitos, la mayoría de los cuales son bacterias que se producen rápidamente y no son tan sensibles a los cambios de temperatura. En la segunda fase las bacterias transforman casi toda la materia carbonacea en ácidos volátiles y agua. las bacterias que forman metano con la ayuda de enzimas intracelulares transforman casi todos estos ácidos en metano y en dióxido de carbono. Las bacterias que forman metano son estrictamente anaerobias, tienen un bajo porcentaje de reproducción, y son sumamente sensibles a los cambios de temperatura y de ph. En ausencia de bacterias metanógenas, solamente se produce el fenómeno de licuación de los excrementos, que los hace a veces más repulsivos que en su estado original, en cambio si en ciertas condiciones la licuación se produce más rápidamente que la gasificación, la resultante acumulación de ácidos inhibe todavía
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más las bacterias metanógenas y el proceso de digestión funciona mal.
Sin embargo, las condiciones óptimas para las bacterias gasificantes son también satisfactorias para las bacterias licuantes.
Los
excrementos
licuados
en
el
digestor
se
llaman
sobrenadantes, mientras que los sólidos estabilizados se llaman lodos digeridos. Ambos materiales tienen que extraerse a intervalos regulares del digestor, al objeto de evitar la inhibición del proceso anaerobio.
El proceso de digestión anaerobia se efectúa en un tanque hermético dentro del cual se regulan los factores ambientales y se dispone del espacio necesario para los sólidos y líquidos y para los gases que se generan.
Todo digestor bien proyectado debe tener tuberías de muestreo de por lo menos 7,5 cm de diámetro, tanto para el sobrenadante como para los lodos. deben estar provistos de un mecanismo para la extracción de los lodos y sobrenadantes, a acumulación y expulsión de gases y la eliminación de los sólidos y de
14
dispositivos de seguridad contra la explosión y para la purga del digestor.
COMPOSICIÓN DEL BIOGAS
Metano (ch4).............................. .......55 a 70 %
Dióxido de carbono................... (co2)30 a 40 %
Hidrógeno.................................. ..........1 a 3 %
Gases diversos........................... .........1 a 5 %
a. Biodigestor de bajo costo para la producción de combustible y fertilizante Para
procurarse
su
alimento
y
vivienda,
nuestros
antepasados talaron y quemaron áreas de bosque con el fin de limpiar el suelo para cultivarlo, atraer al mismo tiempo a los animales silvestres para darles caza, así como también, obtener madera para combustible, construcción de refugios y fabricación de las herramientas necesarias en las labores de supervivencia. Con baja población humana era factible la regeneración del bosque nativo pero, durante la última mitad del siglo, se ha presentado un aumento considerable de la población mundial y esto ha ocurrido principalmente en las naciones en vía de desarrollo y con menores recursos. Tanto la agricultura y la ganadería en pequeña y gran escala, como la tala de los bosques nativos y la baja escala de 15
reforestación están afectando el suministro de leña; fuente energética de la cual depende más de una tercera parte de la población rural de bajos ingresos en todo el mundo (CATIE, 1984)
El aumento de la población es superior al crecimiento de los árboles plantados actualmente, ya que el usuario rural quema en promedio una tonelada de leña por año. Los resultados son un alza vertiginosa en los precios de dicho combustible, con su consecuente efecto detrimental sobre los bajos ingresos, un aumento en el tiempo y la mano de obra requeridos para satisfacer las necesidades básicas de combustible en el medio rural y la aparición, cada vez mayor, de
paisajes
sin
árboles
creando
un
fenómeno
ecológicamente desastroso y potencialmente irreversible.
Los costos crecientes y la disponibilidad limitada de las fuentes minerales de energía, adicionados a la dificultad de su distribución en el medio rural y los altos costos de los fertilizantes químicos hacen necesario desarrollar métodos más eficientes y de bajo costo para el reciclaje de las excretas y la producción de combustible y fertilizante en los sistemas agropecuarios.
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2.1.2. PARÁMETROS DE DISEÑO Para dimensionar una planta de biogás, se consideran diferentes valores. Para una planta de biogás sencilla son los siguientes:
La cantidad diaria de materia orgánica que se va a fermentar (Cf ).
El tiempo de retención técnico (TR)
La producción específica de gas al día (Gd), que esta ligado al tiempo de retención y del tipo de materia orgánica a fermentarse.
Otros factores que se consideran a la hora de diseñan una planta de biogás:
La masa seca (MS, SS, DM). Como el porcentaje de agua contenido
en
la
materia orgánica
varía
dependiendo su procedencia, en investigaciones mas exactas se trabaja con la parte sólida o materia seca del material de fermentación.
La masa orgánica seca (MOS, SOS, ODM). Para el proceso de fermentación son importantes sólo los componentes orgánicos o volátiles del material de fermentación. Por eso es que solamente se trabaja
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con la parte orgánica de la masa seca.
La carga del digestor (R, al). La carga del digestor se calcula en kilogramos de masa orgánica por metro cúbico del digestor por día (kg MOS/m/d) largos tiempos de retención producen una menor carga del digestor. Para las plantas de biogás sencillas, cargas de 1,5 kg/m/d ya son bastante Plantas grandes con control
de
altas.
temperatura
y
agitación mecánica se pueden cargar con unos 5 kg/m/d. Si la carga del digestor es demasiado alta, baja el valor del pH. La planta se queda atorada en la
fase
ácida,
porque
hay
más
material
de
fermentación que bacterias de metano.
La producción específica de gas es indicada en relación con la cantidad de cieno de fermentación, con la masa seca o con la masa orgánica seca. En la práctica ella indica la producción de gas que se obtiene de un determinado
material
determinado
tiempo
de de
fermentación retención
con
durante
un
determinada
temperatura en el digestor.
El grado de fermentación se mide en porcentaje. Este indica cuánto gas se obtiene en comparación con la 18
producción total específica de gas. En plantas de biogás sencillas el grado de fermentación alcanza alrededor del 50%.
Esto quiere decir que la mitad del material de
fermentación queda sin aprovechar.
2.1.3. Dimensionamiento del digestor El tamaño del digestor, el volumen del digestor (VD), es determinado por el tiempo de retención (TR) y por la cantidad diaria de cieno de fermentación (C f ). La cantidad de cieno de fermentación se compone del material de fermentación y del agua de mezcla.
El volumen del digestor se obtiene con la siguiente formula: VD (l) = C f (l/día) x TR (días)
Si se conoce el volumen del digestor y la cantidad de cieno de fermentación se puede calcular el tiempo de retención efectivo según la siguiente formula: TR (días) = VD (l) : Cf (l/días)
19
Si se conoce el volumen del digestor y se desea un determinado tiempo de retención, se puede calcular la cantidad diaria de relleno con la siguiente fórmula: Cf (l/días) = VD(l) : TR (días)
2.1.3.1. Dimensionamiento del depósito de gas El volumen del depósito de gas (V G) depende de la producción de gas y de la cantidad de gas que se utilice.
Si las temperaturas son altas y constantes, tiempos largos de retención. Temperaturas bajas y oscilantes tiempos cortos de retención.
El tamaño del depósito de gas está determinado sobre todo por lo siguiente: en qué momento se necesita el gas y en que cantidad.
La capacidad de almacenamiento de gas requerida y con esto, el tamaño que debe tener el depósito, son factores muy importantes Si la
capacidad
en la planificación.
de almacenamiento
no
s uficiente, se pierde parte del gas producido.
20
es
El depósito de gas debe de estar dimensionado de tal manera que pueda almacenar todo el gas que se va a usar de una vez y además, debe acumular todo el gas que se produzca entre las horas de consumo. También el depósito de gas debe de compensar las fluctuaciones diarias en la producción de gas, las que van desde el 75% hasta el 125% de la producción de gas calculada.
2.1.3.2. Relación digestor/depósito de gas La
forma
determinada
de por
una
planta
de
biogás
es
la relación existente entre el
tamaño del digestor y del depósito de gas.
Para plantas con campana flotante y con una baja relación digestor/depósito de gas (1: 1 hasta 3:1) la mejor forma para digestor es la cilíndrica. Si la relación es más alta, es mas conveniente una construcción en forma de casco y de bóveda.
Esta relación depende sobre todo de: - Tiempo de retención (TR) - Producción especifica de gas ( Gd)
21
- Capacidad de almacenamiento de gas ( C)
La relación digestor/depósito de gas debe ser elegida en forma correcta independientemente del tipo de planta, de lo contrario, la planta de biogás no cumple los fines deseados.
Para una planta con cúpula fija, la relación digestor/depósito de gas equivale a la relación entre el volumen aprovechable del digestor y el tanque de compensación por encima de la línea cero.
2.1.3.3
Partes de una planta de biogás Las partes pueden ser las siguientes:
El tanque de mezcla: En
donde
se
mezcla
el
material
de
fermentación con agua y se eliminan impurezas que pueden obstruir la planta.
El tubo de carga: Por donde entra el cieno de fermentación al digestor.
El digestor: Donde las bacterias producen el biogás. 22
Las paredes divisorias: En el digestor ayudan a que el cieno de fermentación tenga que recorrer largos trayectos.
El tubo de descarga: Es por donde el cieno fermentado deja el digestor.
El depósito de gas: Es donde se acumula el gas.
El tanque de compensación: En las plantas de cúpula fija sirve como depósito para el cieno de fermentación que es desplazado por el bio gás.
La tubería de gas: Que lleva el biogás hacia el sitio de consumo.
23
CAPITULO III UTILIZACION DEL BIOGAS 3.1
LA COCINA CON BIOGAS. El biogas o gas metano, que resulta menos peligroso que el Propano utilizado en las ciudades, se produce en un biodigestor, aprovechando el estiércol de las vacas, cerdos, cabras, conejos, gallinas, caballos y burros, con lo cual se evita el empleo de la leña y, desde luego, la destrucción de los árboles. El biodigestor es un depósito completamente cerrado, donde el estiércol de los animales se fermenta sin aire para producir gas metano y un sobrante, o líquido espeso, que sirve como abono y como alimento para peces y patos.
3.2 FORMA DE ALIMENTAR. Para producir gas en una granja debe tener por lo menos el estiércol de una vaca adulta o de un caballo o de un mular o de dos burros que 24
permanezcan encerrados por lo menos doce horas diarias en una pesebrera, o diez ovejas o cabras o cerdos en levante o tres cerdas de cría encorraladas, quince conejas o cualquier revoltura de animales que le produzcan diez kilogramos diarios de estiércol fresco. Un biodigestor se compone de las siguientes partes: * La fosa. * Bolsa o campana. * Salida del Biogas. * Válvula de seguridad. * Tubos conductores del gas. * Quemador del fogón. Para su construcción siga los siguientes pasos:
1. Ubicación del biodigestor . * Se debe establecer un sitio cercano a la porqueriza o establo, para llevar hasta el biodigestor, por un canal, el estiércol disuelto en el agua de lavado.
2. Fosa del Biodigestor. * Haga una fosa con el fondo completamente a nivel, lo más lisa posible, de 7 metros de largo, 70 centímetros de ancho en su parte superior, 70 centímetros de profundidad y 64centímetros de ancho en el piso (fig. 1).
25
*
En cada extremo de la fosa y en el centro de cada pared haga 2 zanjas de 1 a 1.25 metros de largo, 30 a 40 centímetros de ancho, para colocar los tubos terminales o canecas que serán la entrada y salida del biodigestor (fig. 2).
26
3. Bolsa o Campana: * Para su fabricación compre los siguientes materiales: * 22 metros de tubular en polietileno transparente, calibre 6 (calibre dado comercialmente en décimas de pulgada), de 1.25 metros de ancho 2.5 metros de circunferencia. * 11 metros de lámina en plástico "cristal", vinilo o polivinilo o transparente, calibre 6, de 1.5 metros de ancho. * 4 canecas circulares plásticas usadas, con capacidad para 5 ó 15 galones, a las cuales sele quitan completamente las tapas superior e inferior, quedando a manera de tubos, o en su remplazo 2 tubos en concretó o en gress de 12 pulgadas de diámetro por un metro de longitud. * 3 metros de manguera flexible en polietileno transparente, de una pulgada de diámetro. * 1 macho en P.V.C., de media pulgada de diámetro. * 1 macho en P.V.C., de una pulgada de diámetro. * 1 hembra en P.V.C., de una pulgada de diámetro. * 1 te en P.V.C., de una pulgada de diámetro. * 2 reducciones no roscadas o bujes, en P.V.C., de una media pulgada de diámetro. * 50 centímetros de tubería gris de presión en P.V.C., de una pulgada de diámetro. * Tubería Conduit C onduit (tubería ( tubería comercial en pvc, utilizada
para
conducción de redes eléctricas) en P.V.C.; o en su remplazo 27
manguera negra en polietileno, de una pulgada de diámetro, en longitud suficiente para llegar desde el sitio del biodigestor hasta el quemador del fogón. * 1 frasco de limpiador y uno de pegante soldadura para pa ra P.V.C. * 50 centímetros de tubería galvanizada de media pulgada de diámetro, rosca en ambos extremos. * 1 codo en tubería galvanizada, de media pulgada de diámetro. * 1 llave de paso en bronce de media pulgada. * 2 abrazaderas metálicas con capacidad para dos pulgadas. * 1 frasco de 50 gramos de pegante "solución" Boxer o AXW. * 2 arandelas, preferiblemente en acrílico, fibra de vidrio, material sintético firme o en último caso metálicas, cuyo agujero central permita el ingreso en toda su longitud de la rosca del macho en P.V.C; su diámetro total debe ser mayor de 10 centímetros y su grosor individual inferior a 4 milímetros. * 1 lápiz marcador de tinta en e n color c olor oscuro, un marcador indeleble industrial a gasolina o un lápiz vidriogaf. * 1 frasco en plástico transparente, sin tapa, de un
galón de
capacidad. * 2 empaques en neumático usado de 20 X 20 centímetros, en forma de ruana, ambos con un hueco central de una pulgada que permita la entrada ajustada de la rosca del macho en PVC. * 5
correas
en
neumático usado, de aproximadamente 5
centímetros de ancho por dos metros de largo. 28
4. Forma de hacer la bolsa de campana. * Escoja un lugar amplio, seco, de piso firme, sin piedras, como un corredor o ramada cubierta, para trabajar cómodamente. * Corte por la mitad el polietileno tubular de 22 metros de largo, para que le queden 2 tubos de 11 metros de largo cada uno. * Marque con un lápiz de tinta oscura, a todo su largo, el borde de uno de los tubulares. * Doble a lo largo la lámina de polivinilo, en dos partes iguales; con el lápiz de tinta oscura marque a todo lo largo el borde del doblez. * Coloque a caballo la lámina de polivinilo doblada sobre el tubular de polietileno de 11 metros que usted marcó a todo lo largo, haciendo coincidir las dos rayas trazadas (fig. 3).
* Con la mano elimine todas las arrugas y empiece a doblar o a * Extienda sobre el suelo el otro tubular de polietileno de 11 metros de largo.
29
* Con la ayuda de una persona descalza, quien pasará metiéndose de un lado a otro del tubular extendido en el suelo, introduzca una de las puntas del tubo doblado; de esta manera la hoja de polivinilo quedará metida entre los dos tubos de polietileno. * Elimine con las manos las arrugas formadas durante este proceso, buscando que la lámina de polivinilo quede bien repartida a los lados, haciendo coincidir las rayas en el quiebre superior del tubular sobre el cual va "montada a caballo" (fig. 4).
5. Salida del Biogas.
* Tome un primer parche o empaque de neumático 20 X 20 centímetros. * Hágale un hueco o ranura en el centro, de 2.54 centímetros de largo. 30
* Pegue el parche con solución, a 4 metros de cualquiera de los extremos, previo secado y limpieza de la bolsa y el parche o empaque de neumático sobre el quiebre superior de la bolsa y centrado sobre las rayas que se trazaron (fig. 5).
Con una tela seca y limpia aplique el limpiador de P.V.C. a la parte interna del acople dela hembra sin rosca y después unte el pegante para
P.V.C.
con
el
fin
de
agregar
25
cmts.
de tubería transparente de P.V.C. de una pulgada. Introduzca a presión uno de los extremos de la manguera flexible transparente de vinilo, de una pulgada de diámetro. Coloque al empate una abrazadera metálica para dar mayor seguridad y aprétela con cuidado (fig. 6).
31
Manguera flexible en polietileno transparente de 1 pulgada
Abrazadera metálica de 2 pulgadas
Sección de tubería gas (de presión) en PVC de 1 pulgada
Quiebre superior del tubular en polietileno
Arandelas externa e interna en material firme
Hembra en PVC de 1 pulgada
Macho en PVC de 1 pulgada
Empaques exterior e Interior en neumático
FIGURA 6. Colocación del macho y la hembra en PVC como salida para el biogas
6. Llenado de la bolsa o campana con humo o aire. * Coloque la bolsa o campana cerca de un motor de explosión o de vehículo campero o motocicleta, para facilitar el inflado o llenado de la bolsa o biodigestor con el humo de la combustión del motor. * Extienda bien la bolsa o biodigestor en un sitio limpio. * Doble cada extremo, amárrelo con una correa de neumático y meta cada punta a través de dos canecas plásticas que harán las veces de tubo de concreto o degress. * Deje por lo menos 50 centímetros libres después de los bordes de las canecas de las puntas. 32
*
Recubra los bordes con empaques de polipropileno, con el fin de evitar la ruptura de la bolsa.
* Amarre provisionalmente con una correa de neumático cada punta de la bolsa. * Para inflar la bolsa o biodigestor, tome el extremo libre de la manguera flexible de vinilo transparente de una pulgada de diámetro, agréguele 50 centímetros de tubería galvanizada de media pulgada de diámetro, utilizando correas de neumático enrolladas fuertemente (fig.8). * Introdúzcale 20 a 25 centímetros de un tubo galvanizado de 60 centímetros de largo y media pulgada de diámetro. * Para inflar la bolsa o biodigestor prenda el motor el tiempo necesario para llenarla completamente. * Si se presenta salidas de humo en la bolsa o biodigestor, las cuales se pueden notar por su color u olor, séllelas utilizando partes de neumáticos pegados con solución, antes de colocar la bolsa en la fosa del biodigestor. * Para evitar que se derrita la manguera de polietileno, mójela continuamente en agua fría, durante el llenado con humo del motor. * Si usted no tiene un motor, trate de llenar la bolsa con la ayuda de varias personas, así: levántela y abra alguno de los extremos y muévanse en sentido contrario a la dirección del viento. 33
* La bolsa o biodigestor se llena con humo o gas para facilitar y quitar las arrugas antes de colocarla en la fosa del biodigestor. * Antes de colocar la bolsa o campana en la fosa del biodigestor, fíjese que la salida del biogás quede lo mas cerca posible a la cocina o fogón. * Coloque la bolsa o campana dentro de la fosa, cuidado que las canecas queden bien situadas en los huecos de las extremos de la fosa.
7. Llenado de la bolsa del biodigestor con agua. * El primer llenado de la bolsa puede hacerse con agua sola o con agua a la que se haya agregado estiércol de los distintos animales de la finca. * Recuerde que la bolsa debe quedar sin arrugas antes de iniciar el llenado y la raya que se trazó en la lámina de polivinilo debe verse en la mitad de la fosa. * La válvula de seguridad debe estar conectada a la salida del biodigestor. * Con un taco de madera envuelto en plástico, tape o selle la salida de la válvula de seguridad que va hacia el quemador. * Meta una o dos mangueras por una de las puntas de la bolsa para llevar el agua hasta ella, cuidado de amarrarlas otra vez para
evitar
que
se
escape
el
gas;
este
saldrá
lentamente por la válvula de seguridad a medida que se va llenando con el agua o la mezcla de agua y estiércol. 34
* Así se evita que la bolsa o campana del biodigestor se rompa. * Localice al final de la zanja un hueco o tanque cuadrado de un metro por 60 centímetros de profundidad, para recoger el efluente que le servirá como abono. * Aproveche el lavado de su porqueriza, haciendo una zanja o desagüe para que llegue mas fácil la mezcla de agua y estiércol a la bolsa o biodigestor. * Deje en uno de los lados de la zanja una salida o desviación que evite la entrada de sobrantes de la lavada de la porqueriza al biodigestor,
colocando
una
tabla
o
trampa
que
impida su paso.
3.3. PREPARACIÓN DE LA MEZCLA DE ESTIERCOL Y AGUA.
* Para cargar la bolsa o campana del biodigestor, todos los días coja un balde lleno de estiércol fresco y mézclelo con cuatro de agua. Con el tiempo y con un poco de práctica usted podrá calcular esta cantidad cuando lave se porqueriza.
3.3.1 TUBO CONDUCTOR DE GAS. * Retire el taco de madera envuelto en plástico. * Pegue a la punta de la T de la válvula de seguridad un pedazo de tubería gris de P.V.C.de presión, de 15 a 20 centímetros de largo y de una pulgada de diámetro.
35
* Con la ayuda de una abrazadera metálica de dos pulgadas agregue una manguera negra flexible de una pulgada de diámetro, para llevar el gas hasta el quemador del fogón. * Si la cocina está a una distancia mayor de 20 metros entre la bolsa o campana y el quemador, use manguera de más diámetro para que pase o llegue más rápido el gas.
QUEMADOR DEL FOGÓN. * Al final de la manguera negra de polietileno pegue una reducción no rosca de PVC, de una a una y media pulgada de diámetro. * Agrege un pedazo de tubería de PVC, de media pulgada, y en su extremo coloque un macho en PVC de media pulgada, para que en su
rosca
se
acople
una
llave
de
paso
en
bronce de media pulgada. * Del otro extremo de la llave enrosque un pedazo de tubo galvanizado para que salga el biogas hacia arriba. * Para sostener las ollas utilice una lata redonda, vacía (de galletas o de leche en polvo) o un quemador de fogón Esso Candela, al cual se le debe colocar por encima una parrilla. * Cuando utilice tarro de lata como quemador, ábrale huecos en la parte alta y alrededor de las paredes, lo cual permite la entrada del aire necesario para la combustión.
36
3.3.4 PRODUCCIÓN Y CONSUMO DEL BIOGAS. * Después de 30 a 35 días de iniciada la carga diaria de la bolsa o campana, puede esperar la producción de biogas, la cual puede llegar a 900 litros diarios. * Con un consumo de 150 litros por hora, se logra que el biogas producido permita cocinar por lo menos 6 horas diarias. UTILICE EL LÍQUIDO ESPESO O ABONO ORGANICO. * Le servirá como abono para los cultivos o como alimento para los peces. * Su uso mejora los suelos arenosos o arcillosos, que sean pobres en capa orgánica. * También puede utilizarse como alimento de los animales (vacas o cabras), añadiéndole miel para hacerlo más gustoso y por ser rico en elementos nutritivos.
PROTECCIÓN DEL BIODIGESTOR. * Construya a todo lo largo de la bolsa o biodigestor, utilizando madera redonda o guadua, un techo o parrilla que evite la llegada directa de rayos de sol y la caída de animales al foso. * Cerque con alambre de púas el sitio del biodigestor para evitar la entrada de animales. 37
* Siembre maracuyá o badea para que el techo le sirva de enredadera y de sombra al biodigestor. * En épocas de lluvia tape las bocas de entrada y salida del biodigestor, para evitar que penetre el agua que daña la mezcla de agua y estiércol. * Evite también el paso de piedras o sobrantes de pasto al biodigestor.
3.4.- DEFINICIÓN DE LA DIGESTIÓN ANAERÒBICA El biogàs se produce por la fermentación de la matèria orgànica en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxigeno). El biogàs es una mezcla de metano (CH 4, 55-80%), diòxid
de
carbono (CO2, 20 - 45%) y treses de toros elementos como sulfuro de hidrogeno. La fermentación anaeròbica se produce de forma natural cuando se dan las condiciones adecuadas. A nivel industrial se puede controlar la reacción para optimizar el proceso y recoger la energía (en forma de metano) que se desprende. Esto se realiza mediante unos digestores, tanques donde se homogeniza la biomasa y se controla el tiempo en que reside en su interior, la temperatura y otros parámetros de el proceso. El biogàs producido puede ser aprovechado tanto en una caldera como en un equipo de cogeneración, con la consecuente producción y venta de energía eléctrica a la red. Una planta de biogás ofrece diferentes ventajas, como pueden ser: 38
Beneficio econòmico para la venta y ahorro de energía eléctrica y de calor.
Beneficio en valor fertilizante del producto obtenido.
Reducción de males olores, y semillas de males hiervas al purín digerido.
Diversificación de la empresa.
Reducción en la emisión de gases que causan el efecto invernadero (Kyoto).
Puestos de trabajo rurales y descentralización de fuentes energéticas.
Reducción del potencial contaminante de los residuos agrícolas.
Cambio de visión del sector. Considerado como una actividad moderna y favorable al medio ambiente.
Desarrollo de la tecnología Actualmente se están realizando muchas plantas de biogás a todo el mundo. A nivel europeo podemos destacar países como Dinamarca, Noruega, Suecia, Alemania, Austria, Polònia, Holanda o Italia donde la implantación de este tipo de instalaciones es muy comuna. La clave del rápido desarollo de esta tecnología, reside en la codigestión,.y en el precio de venta de la energía eléctrica.
39
La codigestión es la mezcla de diferentes subproductos al proceso de digestión, con objetivo de conseguir una elevada producción de biogàs y la valorización de residuos orgánicos.
3.5 COCINA DE BIOGÀS Las cocinas de biogàs se utilizan sobretodo en lugares de difícil accéso i bajo poder adquisitivo donde cocinar a veces es una tarea difícil. También cumplen la función de ayudar a disminuir al deforestación, a una gestión más higiénica de los residuos y al uso del producto digerido como fertilizante. En la Índia por ejemplo hay unos 2 millones de digestores y se construyen cada año unos 200.000 más. En las siguientes direcciones se muestran un par de ejemplos de pequeñas instalaciones de biogás en países subdesarollados.
3.6. UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS PARA COCINAR
a) Instalación del conducto para el desplazamiento del biogás hacia el quemador El biogás se desplaza fuera de la campana únicamente por efecto de la presión atmosférica, por lo que se requiere de una tubería amplia para disminuir el roce y favorecer su rápido y fácil desplazamiento hacia el quemador.
40
Al
iniciar
la
instalación
del
conducto,
se
debe
amarrar
provisionalmente un quiebre provocado sobre la manguera, flexible y transparente, que une al biodigestor con la válvula de seguridad. Esto con el fin de evitar temporalmente (mientras se coloca la llave de paso hacia el fogón) el escape del biogás almacenado entre la campana. Luego a partir del codo con su sección pegada en PVC de una pulgada, en la salida hacia el quemador y una vez retirado el tapón provisional en PVC, se une y pega a ella la primera sección de tubería "conduit" en PVC de una pulgada, que trae las uniones haciendo parte de ella, uniendo y pegando tantas secciones como sean necesarias (vienen comercialmente de 3 metros de longitud), para llegar hasta el sitio donde se colocará el quemador para el biogás. La tubería "conduit" de una pulgada puede ser reemplazada por manguera negra en polietileno de 1 1/4 pulgadas que viene en rollos de hasta 100 metros de longitud y tiene un costo menor. La tubería para conducir el biogás, hacia el sitio de utilización, no debe ser enterrada para evitar la condensación interna de humedad y el sello que haría el agua dentro del conducto.
b) Quemador del fogón Una vez con el extremo final de la tubería " conduit" o de la manguera negra en el sitio escogido para el quemador (cocina), se le introduce y pega o se fija mediante una abrazadera metálica una reducción en PVC de una a media pulgada de diámetro, para empatar y pegar sobre ella la sección sobrante de tubería en PVC de media pulgada y 41
a su extremo libre pegar el macho en PVC de media pulgada, para que su rosca se acople con la llave de paso en bronce o de balín de media pulgada. Del otro extremo de la llave se enrosca la sección de tubería galvanizada de media pulgada y a su extremo se enrosca el codo galvanizado a cuyo extremo libre se enrosca el niple galvanizado, para dirigir la salida del biogás hacia arriba, quedando así conformado el quemador para el biogás (Quemador del fogón para cocción con biogás) El quemador así construido, en tubería galvanizada, puede aprisionarse entre las caras laterales más angostas de dos ladrillos, bloques o adobes que a su vez sirven de base a una lata redonda y sin fondo, de galletas o leche en polvo, que actúa como soporte para las ollas o utensilios que contienen el alimento a ser cocinado. Con el fin de sostener recipientes de diferentes tamaños se debe colocar una parrilla de alambre sobre el borde superior de la lata. Al hacer derivaciones de la tubería galvanizada, se pueden colocar tantos quemadores independientes, con sus propias llaves de paso, como sean necesarios.
c) Producción y consumo de biogás Después de 30 días de haberse iniciado la alimentación diaria del biodigestor, el biogás ya ha desplazado, a través de la válvula de seguridad, el humo del motor o el aire introducido y atrapado inicialmente dentro de la campana. Esto permite que al abrir la llave de paso y acercar una llama o chispa, al extremo del niple en tubería 42
galvanizada, se inicie una combustión con llama limpia, incolora y de color azul que alcanza una alta temperatura que permite la cocción rápida de los alimentos, al igual que el gas propano. Se puede esperar una producción diaria de biogás equivalente al 35% del volumen de la fase líquida (aproximadamente 1200 litros diarios en este caso). Con un consumo de hasta 150 litros de biogás por hora y por cada quemador, se logra que el biogás producido permita un tiempo de cocción, en este caso, de ocho horas por día.
3.7.- BIODIGESTORES Un biodigestor es un sistema sencillo de conseguir solventar la problemática energética-ambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales. En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico como excremento y desechos vegetales (exceptuando los cítricos ya que éstos acidifican). Los materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de hidropresión y postratamiento (filtro y piedras, de algas, secado, entre otros) a la salida del reactor. 43
El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico los malos olores son eliminados. El biodigestor hindú fue desarrollado en la India después de la segunda guerra mundial en los años 50, surgió por necesidad ya que los campesinos necesitaban combustible para los tractores y calefacción para sus hogares en época de invierno, luego cuando terminó la guerra se volvió a conseguir combustibles fósiles por lo que dejaron los biodigestores y volvieron a los hidrocarburos. Como India es pobre en combustibles se organizó el proyecto KVICK (Kaddi Village Industri Commision) de donde salió el digestor Hindú y el nombre del combustible obtenido conocido como biogas. Este digestor trabaja a presión constante y es muy fácil su operación ya que fue ideado para ser manejado por campesinos de muy poca preparación. El biodigestor chino fue desarrollado al observar el éxito del biodigestor Hindú, el gobierno chino adaptó esta tecnología a sus propias necesidades, ya que el problema en China no era energético sino sanitario. Los Chinos se deshicieron de las heces humanas en el 44
área rural y al mismo tiempo obtuvieron abono orgánico, con el biodigestor se eliminan los malos olores y al mismo tiempo se obtiene gas para las cocinas y el alumbrado. El biodigestor chino funciona con presión variable ya que el objetivo no es producir gas sino el abono orgánico ya procesado.
45
CAPÍTULO IV IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE BIOGAS. 4.1 LA PLANTA BIO-GAS Esta planta estará implementada mediante dos pozas de sedimentación una de ellas serán la de almacenamiento y la otra de traslación de los gases las cuales servirán para poder realizar la descomposición de todos los desechos sólidos, en su control de temperatura será mediante controladores de temperatura y tendrán equipos para medir presión de gas, este tiene un grado de control de calidad en el uso.
Factores a tener en cuenta para un buen funcionamiento de una planta de biogás. El proceso de producción de biogás depende de varios parámetros que afectan la actividad bacteriana:
Temperatura
Tiempo de retención. 46
Relación Carbono / Nitrógeno.
Porcentaje de sólidos.
Factor PH.
4.2 LA POZA DE SEDIMENTACION PRIMARIA Es la primera poza en donde se depositaran todos lo desechos orgánicos en esta poza se segregan todos los desechos orgánicos en un 100 % esta poza tiene un alto grado de hermeticidad y conserva su estado de permanecía debido a que se mantienen en reposo y en descomposición permanente, estos desechos a la vez generan gases BIO- LIXIVIANOS que en la actualidad se le conocen como BIO-GAS
4.3 LA POZA SECUNDARIA DE ALMACENAMIENTO DE GASES Esta poza permite almacenar los gases que segrega la poza de sedimentación esta se encuentra conectada o comunicada mediante tuberías de conexión de 3” con válvulas de paso que sirven para controlar
el paso de los gases a altas presiones, una vez ingresado este gas quedara listo para ser transportado al tanque final de almacenamiento en donde tendrá una comunicación con una tubería de 3“
también tendrá
una válvula de paso el cual permitirá el control de la presión, del gas.
4.4 TANQUE PRINCIPAL DE PRESION MAYOR Este tanque tiene una altura de 6 metros de largo es el que se encarga de almacenar grandes cantidades de GAS a altas presiones su capacidad 47
máxima de almacenamiento es de 500 Kg. Teniendo una presión de contención de 1500 P.S.I y tiene conexión de entrada y salida de tuberías cada una con diferente diámetro de tuberías, la tubería e entrada es de un diámetro de 2” pulgadas y la tubería de salida es de 11/2” para que luego
pase por un tanque de contra presión este reciba el gas apto para su repartición.
4.5 TANQUE SECUNDARIO DE CONTRA PRESION Este tanque tiene una altura de 4 metros y un diámetro 1metro es el encargado de recepcionar el gas listo para consumir su función principal es reducir las altas presiones de precipitación que se puedan presentar en el momento q se empiece a trasladarse el gas. Una de las fuerzas de cohesión es la fuerza de van der wall es una fuerza
expansiva que pueda precipitarse y romper los estados de
permanencia de estanqueidad trata de controlar los medios de almacenamiento de estos gases. Una vez ingresado el GAS a este tanque final llega mediante una tubería de 1/12” tiene su función de repartir por medio de tuberías de salida a todo los consumidores de gas esta tubería es de ¾” listo y apto para su
consumo directo, estos llegaran a su destino final de consumo.
4.6 TUBERIAS DE TRANSPORTE La tubería de transporte deben de ser de cobre porque permitiría el paso mas ligero de los gases y se evitaría de crear oxidación en las paredes de 48
las tuberías, permiten que el gas se mantenga hermético y que no se forme micro-organismos gestores de corrosión pudiendo en algún momento generar desperfecciones de filtrado y fuga de gas.
4.7 APLICACION DE LOS BIO-GASES EN EL USO DOMESTICO Tiene su aplicación en el uso domestico empleándose como gas combustible en la cocina para Los diferentes procesos de usos cotidianos pudiendo de esta manera generar un ahorro de energía y tratando de producir elementos gestores de abono en su proceso de descomposición de estos elementos orgánicos, por lo general estas plantas aplican en zonas rurales en donde se encuentran con un escaso nivel de medios económicos en donde se trataría de apoyar a la población de escasos recursos económicos tratando de implementarles este servicio a un costo de un 70% menos que el precio del gas propano.
4.8 CARACTERISTICAS FAVORABLES DEL BIO-GAS
No es contaminante Este tipo de BIO-GAS no es contaminante y esta producido mediante la descomposición de desechos orgánicos de origen vegetal y abonos orgánicos de las aves y animales mayores vacas y carneros, que en su mayoría son generadores de elementos gasiferos cuando se encuentran en lugares completamente cerrados.
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Punto de congelación muy bajo, Este tipo de gas tienen punto de congelación bajo porque permiten aclimatarse al medio ambiente en donde se procesan su punto de precipitación es de punto reducido menor que alcanzan medianas temperaturas en puntos críticos aproximados de transformación de la energía de descomposición de -50°C y un punto de inflamación superior a 180°C:
4.9 BENEFICIOS DE LA TECNOLOGÍA DEL BIOGÁS. Los sistemas de biogás pueden proveer beneficios a sus usuarios, a la sociedad y al medio ambiente en general: Producción de energía (calor, luz, electricidad) Transformación de desechos orgánicos en fertilizante de alta calidad. Mejoramiento de las condiciones higiénicas a través de la reducción de patógenos, huevos de gusanos y moscas. Reducción en la cantidad de trabajo relacionado con la recolección de leña para cocinar (principalmente llevado a cabo por mujeres) Ventajas ambientales a través de la protección del suelo, del agua, del aire y la vegetación leñosa, reducción de la deforestación. Beneficios micro económicos a través de la sustitución de energía y fertilizantes, del aumento en los ingresos y del aumento en la producción agrícola ganadera. Por lo tanto, la tecnología del biogás puede contribuir sustancialmente a la conservación y el desarrollo. Sin embargo, el monto de dinero 50
requerido para la instalación de las plantas puede ser en muchos casos prohibitivo para la población rural. Por ello, se deben concentran los esfuerzos en desarrollar sistemas más baratos y en proveer a los interesados de créditos u otras formas de financiación. El financiamiento del gobierno podría verse como una inversión para reducir gastos futuros relacionados con la importación de derivados del petróleo y fertilizantes inorgánicos, con la degradación del medio ambiente, y con la salud y la higiene.
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CAPITULO V DISEÑO DE BIODIGESTORES
5.1. Materiales Necesarios para la Construcción del Biodigestor de Bajo Costo
32 metros de tubular en polietileno transparente, calibre* 6 u 8, de 2 metros de ancho (4 metros de circunferencia).
6 a 8 baldes circulares plásticos usados, con capacidad para 5 galones ó 2 canecas o estañones circulares plásticos de 15 galones, a los cuales se les quitan completamente las tapas superior e inferior (quedando a manera de tubos), o en su reemplazo, 2 tubos en concreto o en gress de 12 a 18 pulgadas de diámetro por un metro de longitud.
3 metros de manguera plástica flexible de jardín en vinilo transparente de 1 1/4 pulgadas de diámetro.
1 adaptador macho en PVC de media pulgada de diámetro.
1 adaptador macho en PVC de una pulgada de diámetro. 52
1 adaptador hembra en PVC de una pulgada de diámetro.
1 tee en PVC de una pulgada de diámetro.
2 reducciones no roscadas (bujes), en PVC de una a media pulgada de diámetro.
3 codos de 90 grados en tubería gris en PVC de una pulgada de diámetro.
1 tapón cementado (liso) en PVC para una pulgada.
50 centímetros de tubería gris (de presión) en PVC de media pulgada de diámetro.
60 centímetros (o seis niples de 10cm c/u) de tubería gris (de presión) en PVC de una pulgada de diámetro.
Tubería conduit** en PVC de una pulgada de diámetro, o en su reemplazo, manguera negra en polietileno de 1 1/4 pulgadas de diámetro, en longitud suficiente para llegar desde el sitio del biodigestor hasta el sitio de colocación del quemador para el biogás (cocina).
1 frasco de limpiador y un frasco de pegante (soldadura) para PVC.
50 centímetros de tubería galvanizada de media pulgada de diámetro, roscada en ambos extremos.
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5.2. Instalación del Biodigestor a) Localización de la fosa para alojar el biodigestor Con el fin de utilizarse como aislante térmico y protección para los materiales constituyentes del biodigestor, se excava una fosa sobre suelo firme y en forma tal que sus paredes de tierra no se derrumben y no queden con piedras cortantes o raíces salientes. En áreas con topografía quebrada, la fosa para alojar el biodigestor debe ser excavada al través de la pendiente, para poder lograr que el piso del fondo de la fosa quede sin desnivel y permitir así el llenado y auto vaciado diarios y por gravedad del biodigestor. La fosa debe situarse en inmediaciones de las instalaciones destinadas al alojamiento o manejo de bovinos, ovinos, caprinos, equinos, cerdos, conejos, cuyes o letrinas humanas y cercana a una fuente permanente de agua. Esto con el fin de que las excretas resultantes (heces y orina), de una o varias especies animales y de humanos, puedan ser conducidas diariamente con el agua del lavado, mediante un canal o tubería y porgravedad, hacia el biodigestor. Es conveniente además, que el efluente o residuo que sale del biodigestor se pueda conducir y distribuir por gravedad para utilizarlo como fertilizante en los cultivos o en estanques poblados con especies acuícolas. No se promueve la utilización de las excretas de aves de corral, para la alimentación del biodigestor, por su alto precio de venta y 54
por considerar que éstas tienen mayor valor en utilización directa para la alimentación de rumiantes o como fertilizante.
b) Dimensiones de la fosa Las dimensiones de la fosa, para este caso específico, son de 70 centímetros de ancho exterior por 70 centímetros de profundidad y 10 metros de longitud, con las paredes laterales en leve talud del 10% (64 centímetros de ancho en el fondo) para evitar su derrumbamiento y con el piso sin desnivel (Fosa escavada sobre el suelo para el alojamiento y protección del Biodigestor) En ambos extremos de la fosa deben excavarse, localizados en el centro de cada pared, huecos oblicuos hasta el fondo de la fosa, con 1.0 a 1.25 metros de longitud externa (25% mayor que la longitud de las canecas o tubos terminales) y en el mismo ancho del diámetro de las canecas o de los tubos disponibles (Excavación en las paredes de los extremos de la fosa para el alojamiento ajustado de las canecas o los tubos colocados en cada extremo de la bolsa del Biodigestor)
c) Preparación de la bolsa para el biodigestor El tubular de 28 metros en polietileno se extiende sobre un piso seco, firme y sin piedras u objetos que puedan romperlo y se dobla longitudinalmente,
a
la
mitad,
para
proceder
a
cortarlo,
convirtiéndolo en dos tubulares de 14 metros de longitud cada uno. 55
Sobre uno de los tubulares, ya cortado, se señala en toda su extensión uno de sus quiebres, con un lápiz marcador de tinta oscura. Una vez eliminadas las arrugas que se forman, se procede a enrollar o doblar a lo ancho esta estructura. Seguidamente uno de los extremos de la estructura, ya enrollada, es tomado firmemente por una persona que se introduce, sin zapatos, dentro del segundo tubular en polietileno que está extendido sobre el suelo seco, firme y limpio, y a medida que un colaborador, desde el exterior, va desenrollando o desdoblando el primer tubular, la persona se pasa de un extremo al otro por dentro del segundo tubular, dejando así un tubular dentro del otro (Visualización de los tubulares interno y externo en polietileno) Se procede entonces a eliminar las arrugas que se forman durante todo el proceso y constatar que no existe torsión en el tubular interno.
d) Colocación de la salida para el biogás centrado sobre el quiebre del tubular externo, se coloca uno de los empaques en neumático de 20 x 20 centímetros y se procede a marcar con el lápiz para luego perforar la bolsa en el sitio demarcado por el agujero central de una pulgada del empaque en neumático, retirando las dos secciones circulares cortadas, una a cada uno, de los tubulares de polietileno. (Localización de un empaque en neumático de 20x20 centímetros sobre la bolsa externa) 56
Se introduce entonces, de dentro hacia afuera de la bolsa, la rosca del macho en PVC de una pulgada, a la cual se le han insertado previamente y en orden, la arandela en acrílico, madera, fibra de vidrio, pasta dura o metálica y posteriormente el segundo empaque en neumático de 20x20 centímetros. Este empaque se coloca con el fin de que la arandela interna y sus bordes no entren en contacto directo con la cara interna de la bolsa, puesto que podrían cortar u oxidar el polietileno y llegar a romper la bolsa. Una vez salida la rosca al exterior, a través del agujero central del empaque externo en neumático, se le inserta la otra arandela (de igual tamaño que la interna) y se procede a enroscar la hembra sobre la rosca del macho en PVC de una pulgada, dándole el mayor ajuste manual posible, sin romper las estructuras en PVC. Con una tela limpia y seca se aplica el limpiador para PVC en la parte interna del acople de la hembra (no roscado) y posteriormente se le adiciona el pegante (soldadura) para PVC, con el fin de fijar una sección de 10 centímetros de tubería en PVC de una pulgada y sobre ésta acoplar y pegar uno de los extremos de un codo en PVC de una pulgada. Del otro extremo del mismo codo se acopla y pega otra sección de 10 centímetros de tubería en PVC de una pulgada y sobre su extremo libre se acopla mediante introducción a presión y sostenido con una abrazadera metálica, uno de los extremos de la manguera plástica flexible en vinilo transparente de 1 1/4 pulgadas de diámetro, que haya sido ablandada y dilatada previamente entre 57
agua hirviente Colocación del macho y la hembra en PVC como salida para el biogás)
e) Llenado de la bolsa con humo o aire Manteniendo la estructura extendida sobre el piso limpio y cercano a la fosa, se frunce y dobla cada uno de los extremos de la bolsa, se amarra con una correa en neumático y se introduce a través de las canecas, previamente ensambladas una sobre otra (si fueran de 5 galones), o de cada caneca o estañón plástico de 15 galones, tubo en concreto o gress cuyos bordes rugosos (en ambos extremos) hayan sido recubiertos con sacos en polipropileno para evitar la ruptura de la bolsa. Se debe exceder en un mínimo de 50 centímetros de longitud de la bolsa el borde superior de las canecas o del tubo de cada extremo (Introducción definitiva y amarre temporal de cada extremo de la bolsa dentro de las canecas o tubos terminales) Se toma entonces el extremo libre de la manguera plástica flexible en vinilo transparente de 1 1/4 pulgadas y se acopla mediante una de las correas en neumático, fuerte y pulgada de diámetro, la cual se introduce dentro de la mufla o escape de un tractor, automóvil, motocicleta, motobomba, planta eléctrica o cualquier motor de explosión, acoplándola y amarrándola al escape igualmente con otra correa en neumático (Conexiones para el llenado de la bolsa con humo y posterior salida para el biogás) 58
El procedimiento de inflado se realiza con el motor encendido, durante el tiempo que sea necesario, hasta llenar casi completamente la bolsa con el humo de la combustión del motor, que permite por su color y olor fuerte, detectar posibles fugas por roturas de la bolsa y proceder a sellarlas con parches, antes de alojarla dentro de la fosa. En el caso de no poseer un motor de combustión, la bolsa puede ser levantada por varias personas que al caminar rápido u orientarla en dirección al viento, y al mismo tiempo abrir uno de sus extremos, permitirían su llenado parcial con aire, el cual sería suficiente para lo que se persigue, que no es más que darle forma a la bolsa y eliminar las arrugas antes de alojarla dentro de la fosa.
f) Colocación y funcionamiento de la válvula de seguridad La válvula de seguridad está constituida por un frasco en plástico transparente, de tres litros de capacidad, sobre cuya boca destapada se coloca la te en PVC de una pulgada. En el extremo de la tee dirigido hacia adentro del frasco se introduce, sin pegarla, una reducción en PVC de una a media pulgada, que a su vez acopla pegada una sección de aproximadamente 25 centímetros de tubería en PVC de media pulgada, cuyo extremo inferior debe penetrar entre tres a máximo cinco centímetros dentro del agua contenida en el frasco.
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En el extremo superior de la tee que sale hacia el quemador, se acopla y pega una sección de 10 centímetros de tubería en PVC de una pulgada, luego un codo y finalmente el último niple de 10 centímetros en PVC de una pulgada. Su extremo libre se cierra temporalmente (30 días, hasta que se inicie la producción continua de biogás) con un tapón en PVC para una pulgada y posteriormente al retirar el tapón se acopla y pega la tubería "conduit" en PVC de una pulgada o se acopla y fija mediante una abrazadera metálica la manguera negra en polietileno de 1 1/4 pulgadas que llevará el biogás hacia el quemador. A un lado de la fosa se clava un estacón o poste que sobresale aproximadamente 1.5 metros del nivel del suelo. Este estacón se utiliza para amarrar fijamente, a su extremo superior y con ayuda de una de las correas en neumático, la válvula de seguridad. Hay que tratar de que el frasco y la te se mantengan inmóviles para evitar que el biogás pueda escaparse si la tubería queda por fuera de la lámina de agua, o por el contrario ante una introducción excesiva (mayor de 5 centímetros) de la tubería dentro de la lámina de agua, impida la salida del biogás en un momento de sobrellenado, y permita el rompimiento por estallido de la bolsa.
g) Llenado de la bolsa con agua El llenado inicial de la bolsa puede ser hecho con agua sola, con el agua del lavado de los pisos de los alojamientos de una o varias 60
especies animales o con el agua de las alcantarillas sanitarias para las excretas humanas (sin detergentes, ni desinfectantes), actuando el biodigestor como pozo séptico, pero capturando el biogás para utilizarlo como combustible. A la bolsa ya alojada en la fosa y estando sin arrugas o torsiones, con el quiebre superior centrado (orientándose por la línea hecha inicialmente con el lápiz marcador), con la válvula de seguridad ya conectada y sellado el extremo de la te en la salida de la válvula de seguridad hacia el quemador mediante el tapón en PVC, se procede a introducirle, por uno o ambos extremos, una o varias mangueras conectadas al agua, cuidando de depositar el agua dentro del tubular interno y de amarrar nuevamente el o los extremos de la bolsa para no dejar escapar el humo o el aire. La bolsa se llena con agua hasta el 75% de su capacidad total y, a este nivel quedan manera de codos sobre ambos extremos de la bolsa. Con el fin de lograr el sello a este nivel de la fase líquida (75%) y, al mismo tiempo, permitir que la capacidad de la campana para el almacenamiento del biogás sea del 25% del volumen total del biodigestor, es indispensable que la excavación de las paredes de cada extremo de la fosa se haga un 25% más larga externamente y en el mismo ancho de las canecas o tubos terminales utilizados en cada extremo de la bolsa (Biodigestor alojado en la fosa)
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Una vez que el agua introducida alcanza el borde superior de las canecas o tubos terminales, se procede a quitar el amarre en neumático colocado previamente en cada extremo, replegando la extensión de bolsa sobrante (50 centímetros) hacia afuera y alrededor del borde superior de cada caneca o tubo terminal, fijándola circularmente con la misma correa en neumático utilizada previamente en el amarre de cada extremo de la bolsa. Para favorecer la salida por gravedad del efluente, a partir del borde superior de la caneca o del tubo terminal del extremo escogido como salida, se excava una zanja en declive y dirigida hacia una fosa de recolección o directamente hacia el sitio donde se quiera llevar y utilizar el efluente.
h) Cálculo del diámetro de la estructura tubular Diámetro = Circunferencia = 2.5 metros = 79.5 centímetros Pi* 3.14 Radio = Circunferencia = 2.5 metros = 39.3 centímetros 2 x Pi 2 x 3.14 i) Cálculo de la capacidad total del biodigestor Volumen del cilindro = Pi x Radio² x Longitud 3.14 x (0.393)²²metros x 10 metros = 4.850 litros Fase líquida (75%) = 3.650 litros Depósito para el biogás (25%) = 1.200 litros
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Debe quedar claro que, aunque los dos tubulares en polietileno, tienen una longitud de 14 metros, cada extremo de la estructura que se introduce en las canecas o en cada tubo terminal, que miden aproximadamente un metro en total, implica, adicionado a los 50 centímetros de repliegue y a la pérdida en los dobleces, el gasto de dos metros de cada extremo de la estructura tubular, por lo cual, el largo de la fosa deberá ser cuatro metros menor (diez metros en este caso) que la longitud total de los tubulares, sean éstos de la Ante un llenado excesivo de la bolsa con biogás, éste ingresa a través de la tee, longitud que se desee.
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5.3 OPERACIÓN DEL BIODIGESTOR a) Valores de ph en la fase líquida Aunque el rango de pH óptimo, para alcanzar la mayor eficiencia en la fermentación anaeróbica de la materia orgánica, puede variar, el proceso de digestión bacteriana produce biogás a valores de pH entre 6.7 y 7.5, un medio prácticamente neutro (GRIFFIS, MOTE y KIENHOLZ, 1980). El pH se mantiene en ese rango, solo si, el biodigestor está operando correctamente. Si el pH se torna muy ácido, la acción de las bacterias metano génicas se inhibe, aumentando la proporción de gas carbónico en el biogás. Las causas por las cuales se puede acidificar la fase líquida contenida dentro del biodigestor son: - Un cambio excesivo de la carga. - El permanecer por largo tiempo sin recibir carga. - La presencia de productos tóxicos en la carga. - Un cambio amplio y repentino de la temperatura interna. En algunos casos la alta acidez puede corregirse adicionándole agua con cal a la fase líquida.
b) Relación carbono: nitrógeno (C:N) en las excretas Los carbohidratos y la proteína son los nutrientes indispensables para el crecimiento, desarrollo y actividad de las bacterias anaeróbicas. El carbono contenido en el estiércol, es el elemento que las bacterias convierten en metano (CH4). El nitrógeno es utilizado para la 64
multiplicación bacteriana y como catalizador en el proceso de producción de biogás. Si su nivel es alto el proceso se retarda por el exceso de amoníaco y la alcalinización de la fase líquida, y puede llegar a detenerse.
c) Rangos de temperatura para la operación del biodigestor biogás, están directamente relacionadas con la temperatura interna de operación. Aunque el proceso se lleva a cabo en un amplio rango de temperaturas, desde 15_C hasta 60_C, la mayor eficiencia de conversión se obtiene en los rangos de temperatura mesofílico (30_C a 40_C) y termofílico (55_C a 60_C) La mayoría de las bacterias metanogénicas digieren la materia orgánica más eficientemente en el rango mesofílico, que puede ser alcanzado por la fase líquida, no solamente por efecto de la temperatura ambiental, sino también porque la temperatura interna se incrementa debido a la generación de calor ocurrida durante la fermentación de la materia orgánica (proceso exotérmico). Debido a esto, a medida que disminuye la temperatura ambiental, por efecto de la altura, es conveniente recolectar el agua del lavado de las instalaciones pecuarias y sanitarias del hogar, cuando se van a utilizar en la alimentación del biodigestor, bien durante las horas más cálidas del día o bien realizando el lavado con agua tibia, utilizando parte del biogás o calentadores solares para ello.
65
d) Suministro de excretas al biodigestor Si se requiere la producción diaria de biogás, con esta misma frecuencia debe alimentarse al biodigestor. Ya que comúnmente el lavado de las instalaciones para el alojamiento de animales se realiza diariamente, de allí la conveniencia de que el desagüe de los pisos permita la conexión directa con el biodigestor y que dicho desagüe posea un interruptor manual, para desviar y evitar la entrada en exceso del agua de lavado mezclada con las excretas al biodigestor.
e) Proporción entre excretas y agua Las excretas sólidas (estiércol) contienen, en promedio, 15% de materia seca y éstas deben ingresar al biodigestor como una suspensión en agua con aproximadamente 3% de materia seca, esto implica una mezcla de cuatro partes del agua de lavado por una parte de estiércol fresco.
f) Tiempo de retención y cantidad diaria de excretas El tiempo de retención, suficiente para la digestión anaeróbica más eficiente de la materia orgánica componente de las excretas, es de 50 días; por lo que la cantidad diaria de excretas para alimentar al biodigestor se calcula dividiendo el volumen de su fase líquida (75% de su capacidad total) entre los 50 días de retención. Para este caso, 3.650 litros/50 días = aproximadamente 75 litros/día, de los cuales, 15 66
kilos deberán ser de estiércol fresco y los 60 litros restantes serán del agua de lavado. Esto equivale a uno y medio baldes o cubos llenos con estiércol fresco mezclados con seis baldes con agua.
g) Número
de animales necesarios para la alimentación del
biodigestor La cantidad y composición del estiércol producido por las diferentes especies animales varían con el peso del animal y con la calidad y cantidad de alimento consumido. La producción diaria aproximada de estiércol, en base húmeda y en algunas especies se aprecia en el Del cuadro se deduce que la granja debe tener una población animal mínima de un bovino adulto de cualquier tipo, o un caballar, un mular o dos asnos confinados durante 12 horas diarias o, 15 ovejas, cabras, cerdos
en
levante,
o
cinco
cerdas
de
cría
confinados
permanentemente, un plantel de 100 conejas o de 500 cuyes, o cualquier combinación de especies animales o de humanos que le
67
permita obtener 15 kilogramos diarios de estiércol fresco (en este caso específico), para alimentar diariamente al biodigestor.
5.4 . PRODUCCIÓN DE BIO GAS GAS Con el término biogás se designa a la mezcla de gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias. Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varía de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación (Werner et al 1989):
Metano, CH4
40
-
Dióxido de carbono,
30 – 60
Sulfuro de hidrógeno,
0 – 3
Hidrógeno, H2
0 – 1
70%
El metano, principal componente del biogás, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado. 1 Descomposición
del
estiércol
en forma anaeróbica, sistema
que aprovecha el estiércol y orina de los bovinos y el agua usada en el aseo de los establos, procesándola y convirtiéndola en gas metano o biogás y abono líquido o bioabono. 68
A pequeña y mediana escala, el biogás ha sido utilizado en combustión directa en estufas simples en la cocción de alimentos, atenuando de esta manera la presión sobre los materiales dendroenergéticos (i.e., madera, leña, carbón vegetal) 2
y/o
representando un ahorro para el agricultor por no tener que comprar gas ga s natural comercial. Sin embargo, también puede ser s er utilizado para iluminación (i.e., lámparas de gas ga s o a gasolina), para calefacción y refrigeradoras. También el biogás puede ser utilizado utilizado como combustible combustible para motores diesel y a gasolina, gasolina, a partir partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogás puede reemplazar hasta el 80% del acpm o diesel (la baja capacidad de ignición del biogás no permite reemplazar la totalidad del acpm en este tipo de motores que carecen de bujía para la combustión). Aunque en los motores a gasolina el biogás puede reemplazar la la totalidad totalidad de la la misma, en general en los proyectos a nivel agropecuario se le ha dado preferencia a los motores diesel considerando que se trata de un motor más resistente y que se encuentra con mayor frecuencia en el medio rural.
69
CAPITULO VI FACTIBILIDAD TECNICA Y ECONOMICA DE UNA PLANTA PRODUCTIVA DE BIOGAS
6.1 DISEÑO Y FACTIBILIDAD TÉCNICA Y ECONOMICA DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE BIOGÁS UTILIZANDO RESIDUOS DE GANADO VACUNO. 6.1.1. Diseño Propuesto Propuest o La planta consta de las siguientes partes: -
Establo
-
Secado de alimento
-
Almacenamiento del alimento alimen to
-
Almacenamiento
de material para los espacios espac ios
individuales -
Tanque de recolección
-
Digestor
-
Cuarto de máquinas
-
Control 70
Tanque para almacenamiento de efluente
-
Planta piloto
A continuación se describirá cada una de ellas. Un carrito que transporte el material dentro de este, otra opción consiste en tener un silo que almacene el alimento y este a su vez sea transportado por cangilones hasta el espacio
de alimentación.
Las dos propuestas
son
factibles, pero el silo es utilizado en lugares donde no hay disponibilidad constante de alimento, lo cual no va con las condiciones de este caso, ya que la planta se ubicaría en una región con un promedio de precipitación mensual alto, que garantiza una cantidad constante de alimento en el año. La cantidad de alimento que consume cada animal es 13.6 kg
por
día
aproximadamente,
entonces
diariamente se deben tener disponibles 17680 kg de alimento. Adicionalmente se debe proveer un espacio para almacenar el 50% del alimento suministrado diariamente, esto quiere decir que se necesita un espacio que pueda
almacenar
diariamente
26520 kg de alimento
seco, o en otras palabras, que tenga un volumen de 147 m3, ver ubicación en la Figura 1. Todo lo anterior significa que adicional al espacio de
71
almacenamiento,
debe existir un
campo
con
aproximadamente 1 hectárea de alimento, libre de “maleza”,
por cabeza de ganado, o sea un campo de
1300 Hectáreas, libre, disponible para la recolección de alimento. También se debe tener presente que una vaca bebe entre 115 y 135 Litros de agua en un día, esto quiere decir que se necesitan diariamente 162500 litros de agua, o sea debe existir un tanque de mínimo 180 m 3 cuya ubicación se muestra en la figura 1. Como se mencionó anteriormente, el alimento debe almacenarse y suministrarse a los animales seco, esto es importante
ya que si el alimento
está húmedo se
descompone más fácilmente y no alimenta al animal porque no alcanza a digerir las proteínas contenidas en la materia nitrogenada. El aporte de calcio y fósforo contenido
en
las
sales
minerales
es
importante
también. Para secar el alimento se aprovechará la alta temperatura de la región, que en promedio es de 27 °C, simplemente
esparciendo
el alimento
en un área
pavimentada de 730 m2 ubicada en la parte exterior (Figura 1), y dejándolo ahí hasta que alcance las condiciones necesarias, tal y como se hace en el secado del café.
72
La ventilación del establo debe ser considerada
para
mantener una temperatura de confort, eliminar corrientes de aire y humedad excesiva que afecte a los animales, para este diseño se escogió la ventilación natural utilizando cortinas plásticas de pared ubicadas en los lados del establo sobre su longitud y operadas manualmente por medio de poleas, además se utiliza una apertura a lo largo de todo el establo que funciona como chimenea sacando el aire caliente por la parte superior y permitiendo que entre aire fresco por los lados del establo (cortinas plásticas). El estiércol debe ser recogido raspando el piso de cada pasillo, para realizar esto se debe utilizar un vehículo (tractor preferiblemente)
con una pala en su extremo
delantero y recorrer el establo de un extremo a otro dos o tres veces por día. Al final del establo se encuentran unas rejillas por donde cae el estiércol a un canal de concreto (gutter) que la conducirá hacia el tanque de recolección.
6.2 TANQUE DE RECOLECCIÓN Como se dijo anteriormente, se encuentra ubicado entre los dos establos, su función es recoger el estiércol que ha sido transportado por el canal de concreto gracias a un chorro de agua a presión (traída desde un río por medio de una bomba y filtrada para eliminar
las impurezas) 73
en una cantidad
exacta
a la
requerida
por el digestor
(1500 galones/día aprox). Posee
entonces dos entradas para estiércol recogido y mezclado y una salida hacia el digestor. El volumen diario de producción de estiércol por animal es de 0.053 m3/día.vaca Kg/día.vaca
(que equivalen
a
aproximadamente
50
de estiércol con un % de sólidos totales de 13%
(supuesto)), lo que da un volumen
total
diario
de 68
m3
aproximadamente. La cantidad de agua necesaria para que la
mezcla mantenga un porcentaje de sólidos totales dentro del
rango requerido por el digestor (11-13%) es de 0.0042 m 3/día.vaca, o sea que el volumen
total estiércol+agua) almacenado en un día
es de 74 m3 aproximadamente (70417 Kg de mezcla). El tanque se diseña para que pueda almacenar una cantidad mayor a tres veces la cantidad de mezcla diaria, 260 m 3, con el fin de tener la suficiente capacidad de almacenamiento
en
caso
de
un
problema con el digestor o con cualquier otro componente de la planta..
6.3 CONDUCCIÓN DE LA MEZCLA La mezcla es enviada al digestor utilizando una bomba marca Flygt 3067.090 F-LT-292 sumergible. La curva de
acople
entre
el
sistema y la bomba da como resultado una altura de 5.41 m y un caudal de 78.887GPM. 74
La mezcla se conduce hacia el
digestor por tubería de 3” y la configuración se muestra en la figura 1. La configuración de tubería es recta en dos tramos y posee dos codos de 45 grados. La bomba está encendida solamente cuando el digestor se encuentra en proceso de carga, el caudal que maneja en este periodo, que es de 5 horas mas o menos, es de aproximadamente 18 m3/hora. El tiempo de carga del digestor puede verse alto inicialmente, pero es bastante recomendable que sea así, primero para evitar el choque térmico que puede producirse si una gran masa de mezcla entra al digestor, y segundo para que la descarga del material digerido se haga de una forma mucho más gradual evitando que salga material sin digerir (corto circuito).
6.4
DIGESTOR Los digestores anaeróbicos trabajan bajo el principio de que en ausencia de oxígeno, las bacterias presentes
en
el
residuo orgánico puedan descomponerlo. La digestión de la materia orgánica ocurre en cuatro estapas básicas que son: hidrólisis, acido génesis, acetogénesis y metano génesis). Es en la etapa final, metano génesis, que los compuestos intermedios se rompen para formar metano. Los digestores anaeróbicos capturan el gas liberado en el proceso de digestión. Este gas es llamado biogás. El biogás está compuesto por metano principalmente (55- 70%) y dióxido de
75
carbono (CO2), además posee ácido Sulfhídrico en baja cantidad y
trazas
de
agua
y monóxido de carbono (CO). La mezcla
digerida debe guardarse en un tanque hasta que sea aplicada en el terreno. El digestor seleccionado es del tipo “ plug-flow ”. Este digestor tiene la ventaja de no necesitar ningún tipo de agitación, parte
móvil,
trabaja
sólo
ninguna
con estiércol vacuno (por su alto
contenido de fibra), debe cargarse con poca agua, o sea que debe tener un contenido de sólidos entre 11% y 13%, por lo que el estiércol debe ser recogido del piso del establo. La permanencia de la mezcla es de 20 días como máximo cuando la temperatura es 37.5°C, por lo tanto debe poseer un intercambiador de calor interno
o externo con el fin de mantener ese rango de
temperaturas con variaciones no mayores a 0.5 °C. El volumen de mezcla recogido diariamente multiplicado por el número de días que la carga va a estar en el digestor (20), da el volumen necesario del digestor producción
de
es
de
1480
m3.
La
gas para un digestor de este tamaño es
aproximadamente 2440
m3/día
almacenamiento del biogás en el digestor
que
(ver
sección
se recomienda
un espacio
que
contenga
3).
Para
el
tener disponible gas producido
durante 4 –12 horas, esto quiere decir que si se escoge un espacio
que
almacene
gas
76
producido durante 8 horas se
tendrá un volumen igual a 813 m 3. Teniendo lo anterior presente, se diseña un digestor que maneje una mezcla con un porcentaje de sólidos entre 11-13%, bajo tierra, rectangular.
6.5 CONDUCCIÓN DE BIOGÁS La tubería seleccionada es de PVC para gas natural de 2 ”. Tiene en total una longitud de 11 metros aproximadamente. Debe tener válvulas de bola al principio
y al final de la línea junto con
manómetros (marca Groth referencia 8170 y panel referencia 8130). También debe existir a la salida de la cubierta del digestor un sensor de temperatura (Termocupla tipo K con amplificador de voltaje), un sensor de presión (Marca AllSensors referencia 1 PSI-G-4V) y a la entrada al motor un sensor de caudal (marca Hoffer referencia HO, de turbina). Se incluye también una trampa de agua (marca Groth modelo 8460) y un equipo marca Groth referencias 8400A, 8391B, que posee válvula de alivio (la cual se usa en caso de una presión excesiva en el globo), trampa de llama y quemador de exceso de gas (más adelante se hablará con más detalle sobre cuando no se utiliza biogás), este último posee una línea para pilotaje que puede ser alimentada con combustible convencional o con el biogás. Entre los dos equipos descritos en el parrafo anterior se encuentra un soplador (marca Gast referencia R4) que registra una presión
77
a la salida que oscila entre 25.4-50.8 centímetros de agua dependiendo del caudal de salida de biogás.
6.6. EQUIPO PARA LIMPIEZA DEL BIOGÁS Está ubicado en la primera parte de la tubería que sale del globo. Los principales componentes del biogás a limpiar son el agua y el ácido sulfhídrico. Se condensa el agua haciendo expansiones y contracciones bruscas en la tubería de conducción de biogás. El ácido sulfhídrico se remueve utilizando filtros a base de óxido de hierro que remueven el azufre y que deben ser renovados constantemente.
Cuando el gas producido se utiliza sólo como
combustible para motores, se recomienda muchas veces no limpiar el gas por que no afecta el rendimiento ni los componentes del motor, además que las emisiones de ácidos son insignificantes en comparación con un
motor funcionando sólo con combustible
Diesel, el problema radica en que existen componentes en la planta que pueden verse afectados (como por ejemplo los elementos mencionados en el punto anterior) con la mezcla de agua y ácido sulfhídrico (que puede formar ácido mejor
solución
sulfúrico),
entonces,
la
es remover solamente el agua del biogás ya
que es el procedimiento más sencillo, económico y de fácil mantenimiento. Entonces para limpiar el biogás se utiliza la trampa de agua descrita en la sección anterior.
78
6.7
TANQUE DE EFLUENTE Este tanque recoge la mezcla digerida, la cual es un abono excelente. Este tanque se fabrica de la misma forma que el tanque de recolección y que el digestor, va enterrado, se hace aproximadamente recolección,
5880
nueve veces más grande que el tanque de m3,
ya
que
los
cultivos
no
necesitan
constantemente el riego con abono, posee una entrada y una salida (Figura 1), sus dimensiones son 60m x 14m x 7m (longitud, ancho, alto). Se utiliza la misma bomba descrita para el tanque de recolección y mezcla. El abono que no se utiliza en la planta se venderá o regalará a agricultores de la región.
6.8
EQUIPOS QUE UTILIZAN BIOGÁS Inicialmente no era muy claro que equipos de los que se encuentran
funcionando
en
la
base
militar
iban
a
ser
acondicionados para funcionar con biogás. Por un lado se tenía una cocina donde se preparan los alimentos con unas ollas especiales que trabajan con vapor generado en una caldera que quema
combustible diesel, y por el otro se tenían dos
generadores, de 850 KW de potencia de salida, que funcionan con combustible diesel. Los requerimientos energéticos de la actualmente
son
muy
claros,
se
planta
debe alimentar a 1500
personas y se debe suministrar 500 KW de energía eléctrica
79
producida por uno de los dos generadores. Si sólo se utiliza el biogás para generar los 500 kW de energía necesitarían aproximadamente
eléctrica,
se
6800 m3/día. Ahora bien, se
sabe que la planta produce únicamente 2440 m3/día, esto deja un defecto de 4360 m 3/día. Analizando lo anterior se deduce que se utiliza el biogás para una cosa (generación
de
energía
eléctrica) o para la otra (cocina). La solución más económica y de fácil implementación es la de adaptar los motores diesel de los generadores
para
que
funcionen
con
doble
combustible
simplemente colocando la tubería de conducción de biogás después del filtro de aire. Lo anterior de hecho representa un ahorro ya que con esa cantidad de biogás se pueden generar
250
kW de energía eléctrica, que equivale a un ahorro aproximado del 50% en los costos del combustible diesel. Siendo más precisos, si se utiliza todo el biogás, y suponiendo un funcionamiento motor-generador
del
de 24 horas con combustible dual (biogás y
Diesel), se necesitarían por día 1489 Litros (393 Gal) contra 2970 Litros (785 Gal) que se necesitarían sin el biogás, entonces existiría un ahorro real de 1489 Litros/ día en el combustible Diesel. Lo anterior da como resultado que la mezcla combustible estará compuesta por 68% de biogás y 32% de Diesel.
80
6.9 INTERCAMBIADOR DE CALOR Existe un intercambiador de calor asociado al diseño, el cual se encuentra dentro del digestor. El agua de refrigeración del motor que mueve el generador es utilizada para calentar el digestor y el tanque de recolección. La temperatura del agua a la salida del motor y la entrada del digestor es aproximadamente 94°C, para mantener los 37.5 °C dentro del digestor, se tiene un flujo de agua de 70 GPM (suministrados por una bomba igual a la utilizada para la mezcla en el tanque de recolección). El agua es conducida por tubería de 2”, que se coloca bajo tierra cuando esta sale del cuarto de máquinas, y que tiene una longitud de 32 metros aproximadamente,
para llegar a un
colector de 4” de diámetro que se encarga de repartir los casi 12 GPM de agua por cada uno de los seis tubos que pasan dos veces por el digestor y tienen una longitud aproximada de 81.5m cada uno. A la salida del digestor el agua tiene una temperatura que oscila entre 43 y 73 ºC, dependiendo del coeficiente global de transferencia de calor. Si este es muy bajo (del orden de 50 W/m2K), la temperatura de salida va a ser del orden de 73ºC y la efectividad del intercambiador muy baja (0.38), si por el contrario el coeficiente global de transferencia de calor es alto (cercano a los 250 W/m2K), la temperatura de salida va a ser baja y la efectividad del intercambiador es alta (0.91).
81
Vale la pena aclarar que esta es la máxima efectividad de intercambio de calor que se puede conseguir intercambiador
con el
diseñado. Inicialmente la mezcla demora
aproximadamente 10 días en alcanzar su temperatura óptima (37.5ºC). A la salida del digestor el agua va directo hacia un radiador que se encarga de bajar la temperatura hasta un valor cercano a la temperatura ambiente. La temperatura del digestor se monitorea midiendo la temperatura de salida del biogás. El radiador está ubicado en la parte exterior de la sala de máquinas. Si en algún momento el motor deja de funcionar, el gas en exceso, o sea el que sobrepase una presión determinada sin abrir la válvula de alivio, será desviado hacia el dispositivo quemador de gas explicado en la sección 2.5.
6.10 CONTROL Parte del control se explicó en el punto anterior. Como instrumento de control se utiliza un PLC, las entradas serían el sensor de temperatura del biogás a la salida del digestor, sensor de presión de biogás a la salida (se registra la señal constantemente para identificar cambios bruscos que signifiquen fugas), los sensores de temperatura ubicados en el establo (los cuales simplemente dan una señal luminosa en el panel de control para que un operario abra o cierre las cortinas plásticas para la ventilación según sea el caso dependiendo de la dirección 82
del viento), los sensores de demanda eléctrica (detectan si hay sobredemanda o no hay demanda de energía eléctrica y se da la orden de apagar el motor), las foto celdas (dan la orden al PLC
de
encender
las
luces
del
establo
y alrededores),
caudal de agua de refrigeración (si baja hasta un nivel determinado el motor se apaga), sensor de caudal de biogás (lleva un control de la producción y da señales luminosas cuando ha bajado mucho para revisar
el
digestor
y
aumentar
la
cantidad
de
combustible diesel en el motor) y el sensor de caudal de agua para la mezcla (el llenado del tanque de recolección se
hace
manualmente simplemente oprimiendo un botón que enciende la bomba y en ese momento el PLC registra la señal del sensor apagando la bomba cuando el caudal necesario se haya completado, indica cuando la mitad del caudal ha sido alcanzado para mover las válvulas y dirigir agua hacia el segundo establo o hacia el tanque elevado). Otros controles que se deben realizar son la medición del PH de la mezcla en digestión, la composición del biogás (CH4, H2S, CO2, H2O) y la composición del efluente, ya que sirven para corregir algunos aspectos que puedan estar fallando en el proceso de carga de la mezcla.
6.11
Planta piloto En presentaciones anteriores se sugirió diseñar y construir inicialmente una planta piloto a escala del diseño final escogido. 83
Para
la
planta
piloto
se
van
a
tener
los
mismos
componentes pero reducidos aproximadamente 65 veces.
El
establo será el que se construya para cuidado y tratamiento de animales enfermos (del cual se habló en el punto 1). La recolección del estiércol se efectuará de la misma forma que para el diseño más grande, al igual que la mezcla con agua. La mezcla se conduce con la bomba descrita
6.12 DIMENSIONAMIENTO DE LAS PLANTAS DE BIOGÁS Para poder calcular el tamaño de una planta de biogás, se utilizan determinados valores característicos. Para una planta de biogás sencilla son los siguientes: La cantidad diaria de cieno de fermentación (Cf ) . El tiempo de retención (fermentación) técnico (TR) . La producción especifica de gas al día (G d) en dependencia del tiempo de retención y del material de fermentación. La masa seca (MS, SS, DM). El porcentaje de agua varia en cada material de fermentación natural. Por esta razón, en trabajos de investigación más exactos se opera con la parte sólida o materia seca del material de fermentación. La carga del digestor (R, o L). La carga del digestor indica con cuanto material orgánico es alimentado diariamente o cuanto material debe ser fragmentado al dIa. La carga del digestor se
84
calcula en kg de masa orgánica por metro cúbico del digestor por día (kg MOS/ m3 / d ). Largos tiempos de retención producen una menor carga del digestor. Para las plantas de biogás sencillas, cargas de 1,5 kg/m3/d ya son bastante altas. Plantas grandes de control de temperatura y agitación El tiempo técnico de retención o fermentación (TR o t) es el lapso durante el cual el material de fermentación permanece en el digestor. Este es determinado según criterios económicos. El tiempo técnico de retención es mucho más corto que el tiempo total necesario para la completa fermentación del material. El grado de fermentación se mide en %. Este indica cuanto gas se obtiene en comparación con la producción total especifica de gas. La diferencia con 100% indica que cantidad de material de fermentación todavía no ha sido fermentada. En plantas de biogás sencillas el grado de fermentación alcanza alrededor del 50%, esto significa que la mitad del material queda sin aprovechar.
6.13. DIMENSIONAMIENTO DEL DIGESTOR El tamaño del digestor (en volumen Vd) es determinado por el tiempo de retención (TR) y por la cantidad diaria de cieno de fermentación (C f ). La cantidad de cieno de fermentación se compone del material de fermentación y del agua de mezcla.
85
El volumen del digestor se obtiene con la siguiente fórmula: V d[L]= Cf [L/dIa]* TR [dIas] Si se conoce el volumen del digestor y la cantidad de cieno de fermentación se puede calcular el tiempo de retención efectivo según la siguiente fórmula: TR [dIas] = V d [L] /C f [L/dIa] Si se conoce el volumen del digestor y se desea un determinado tiempo de retención, se puede calcular la cantidad diaria de relleno con la siguiente fórmula: Cf [L/dIa] = Vd [L] / TR [dIas]
6.14. DIMENSIONAMIENTO DEL DEPÓSITO DE GAS El tamaño del depósito de gas (en volumen V g) depende de la producción de gas y de la cantidad de gas que se utilice. La producción de gas depende de la cantidad y de propiedades del cieno de fermentación, de la temperatura del digestor y del tiempo de retención. La relación entre el volumen del depósito de gas (V g) y la producción diaria de gas (G) se llama de capacidad de almacenamiento gas (C).
(Vg / G) * 100 = C
86
6.15 BIODIGESTOR: TECNOLOGÍA AMIGABLE PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL El objetivo principal de la tecnología es no contaminar el ambiente con los desechos de una planta avícola que genera cama de pollos, pollos muertos y huevos de mala calidad, para descarte. El mismo principio se usa para una planta caprina, ovina, porcina incluso bovino. Cambian sus dimensiones. Esto se produce por fermentación anaerobia en una campana móvil, sellada por el agua. El diseño es tipo Hindú de flujo continuo en donde se balancean las cargas y descargas. Es decir si agrego 50 L. en la pileta de carga, distribuido en partes iguales sólidos y líquidos, deben salir como fertilizante líquido 50 L. en la pileta de descarga . La fosa de degradación consiste en un pozo revestido de ladrillo y cemento, cubierto de impermeabilizante negro para evitar filtraciones y contaminación del suelo. Con un mezclador en la parte inferior tipo molinete. Detalle de la fosa y molinete
87
Es muy importante hacer en la fosa una pequeña pared de 30 cm. de alto, perpendicular a las entradas y salidas de líquidos que actúa como separador de fases de entrada y salida, similar a las usadas en las cámaras sépticas de los domicilios La campana es móvil y trabaja a presión constante ya que se puede elevar disminuyendo la presión interior del biogás generado en su interior. Lo importante es que sea totalmente sellada y no registre pérdidas en sus uniones. Se construye a partir de un tanque de PVC usado para almacenar agua con una capacidad de 1000 L. cortada en su parte inferior. Los caños de carga y descarga en la fosa deben sobresalir 30 cm. para que los desechos queden bajo la campana al momento de cargarla, este detalle es importante en la construcción para asegurar la eficiencia en el proceso e impedir la aparición de desechos en superficie lo que generarán olores muy fuertes y pérdida de eficiencia (Fig. Nº 4). Se debe cargar por la pileta de carga.
Fig. Nº 4: Detalle de cañerías
88
El biodigestor comenzará a generar biogás luego del primer mes de carga, al igual que fertilizante y después de 6 meses de uso es necesario vaciarlo, sacar sus barros los que pueden ser usados como fertilizante y volver a iniciar el proceso. La carga inicial debe ser con todo el volumen de desechos para iniciar el proceso de fermentación anaerobia. Es decir una parte de bosta de vaca, una de pollo y dos partes de agua. Allí comienza el proceso y se continúan las cargas quincenales por la respectiva pileta En relación a las cañerías, se usa el material usado para cañería de gas, salvo manguera negra de ½ pulgada que se usa para conducción hasta el fogón. Es necesario una válvula de escape, un filtro de agua de cal que va sellado y allí el gas burbujea impidiendo en caso de accidente el retroceso de la llama hacia la campana y un filtro de viruta de acero para evitar el ácido sulfhídrico, a partir de allí se continúa la conducción hacia el fogón con una llave de paso que anula el circuito Este diseño es similar al utilizado en la Estación Experimental Reconquista a quienes agradecemos por su asesoramiento en la construcción del nuestro.
89
CAPÍTULO VII ESTUDIO ECONÓMICO
7.1.- Estudio Económico Para el estudio económico,
se realizó una cotización de
construcción, instalación y montaje de toda la obra civil y de equipos que se deben comprar.
Los
mantenimiento fueron calculados
costos de
operación y
así:
Funcionamiento equipos planta (s/. 20,000.00), Costo mano de obra (s/. 5,000.00), equipos de implementación 4,000.00 de la planta es de 15 años y todos los valores se amortizan con el 10% anual exceptuando los costos de mantenimiento y repuestos con un 5% anual. Por otro lado, los ingresos que la planta recibe (anuales) son por
concepto
de:
la energ ia que
p r od u ce u no s s /. 1 5, 00 . 00 , g e n e r a n d o u n a h o r r o
(s/.
45,000.00 de gasto de energía de gas para el uso domestico y
90
Con estos valores, la inversión inicial se recupera en menos de un año. Es importante anotar que el abono, y residuo que se puede comercializar tiene un valor de
s/. 20 kg, también dejan una
utilidad de 1,500.00 semanales dejando una utilidad neta de s/. 6,000.00 al mes es decir que la utilidad que deja es de regular cantidad y es sostenible la inversion.
7.2 EL BALANCE ECONOMICO DEL USO DEL BIOGAS El balance económico indicará si conviene realizar la construcción de una planta de gas residual.
Alimentación Cocina de 1
Consumo Kcal./h.
3 1 m de biogás puede
660 a742,5
alimentar un 7
Heladera de Lámpara a
550 a 478 a
8 1
mantilla Termo tanque
528
0 3
1.375 a1.650
de 110 lt Estufa infrarroja
, 3.355 a 3.487
de 600 cal
,
ANÁLISIS ECONÓMICO CONSIDERACIONES PREVIAS
1
Los costos de inversión varían entre un biodigestor y otro
91
Variables: Tipo de digestor, Tipo de sustrato, sistema de calefacción, sistemas de agitación, tratamiento de los afluentes, sistema de desulfatado, entre otros.
Analizaremos un estudio estadístico efectuado en Alemania en el año 1997 por la Asociación de Biogás de dicho país, en función a 100
ANALISIS PORCENTUAL DE LA INVERSION
Biodigestores de diferente tamaño para determinar de manera porcentual el costo de inversión de sus diferentes elementos.
7.3 Investigación Con el fin de validar los supuestos hechos en relación a la producción de gas y en general al funcionamiento del digestor tipo “plug flow”, se diseñó un experimento que busca caracterizar este tipo de sistema para tener una fuente de datos confiable. La caracterización consiste en averiguar como es la producción de gas a diferentes temperaturas ambiente cuando el digestor internamente
posee
las
recomendada en la norma
siguiente (37.5°C),
Temperaturas:
temperatura
30ºC y 25ºC , cómo es el
comportamiento del pH, de la presión, y cual es la composición del gas obtenido (CH4, CO 2).
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La idea es encontrar una sola curva que pueda ayudar en el diseño de este tipo de digestores sin que se convierta este en una cantidad de suposiciones. Se midió la densidad total de la mezcla y luego se dejo
secar a
una temperatura de 45 ºC, dentro de un recipiente de icopor durante cinco días. Los resultados fueron los siguientes: Como se puede observar, existe un error entre el valor medido y el calculado que está entre el 1 y 2%. Entonces los valores calculados son confiables y se pueden utilizar, por lo que se sacan curvas para diferentes valores de densidad de agua. Comenzando con los resultados de la investigación, es importante observar que el estiércol recogido tiene un % de sólidos que es 93
importante conocer, con el fin de averiguar el contenido de agua que se debe agregar para que la mezcla tenga el porcentaje de sólidos totales requerido (11-13%). En este punto se realizaron diferentes análisis, cálculos y pruebas, para obtener una curva que permita obtener el % de sólidos del estiércol recogido y de esta forma conocer la cantidad de agua necesaria. Inicialmente se deseaba conocer la relación entre la densidad de la materia sólida, la densidad total y el % de sólidos del estiércol recogido (o sea antes de añadirle agua) . Para ello se obtuvo analíticamente
el gráfico
mostrado en la donde se relaciona la densidad total del estiércol recogido con la densidad del estiércol seco en la mezcla para diferentes valores del % de sólidos y para una densidad del agua medida de 990.2979 kg/m3. El resultado no
se
es una curva donde
ve
mucha influencia del % de sólidos. Se realizaron
pruebas con
Densidad del estiércol seco como función de la
densidad total de la mezcla para diferentes valores de densidad del agua. Aunque la figura anterior parezca muy útil, puede tener errores de fondo cuando el eje vertical se vuelve % de sólidos, estos errores se detectan cuando se trata de hacer la curva con intervalos muy pequeños, los errores aparecen cuando la densidad del agua tiende a la densidad de la mezcla, cerca de estos puntos se forman como asíntotas que convierten la curva en una serie de
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fluctuaciones alrededor del eje x, haciendo poco confiables dichos valores. Para solucionar
lo
anterior,
simplemente
se
recomienda tomar los valores anteriores al punto donde la densidad de la mezcla es igual a la del agua, o donde el % de sólidos sea menor al 30%. Por otro lado, como resultado de la caracterización del digestor tipo “plug flow”, se pueden observar los siguientes puntos: La presión de salida del biogás para los nueve digestores fue prácticamente constante desde el inicio de la producción. La presión
en promedio, se mantuvo en 2.5 cmH2O. Es importante
observar que la presión es un parámetro de funcionamiento muy variable, pues depende de las restricciones que existan en la tubería aguas abajo, como la restricción al flujo de biogás en el experimento consistía solamente en levantar el peso de la campana invertida, la presión por lo tanto es baja. Sin embargo, es necesario advertir que se han reportado presiones de funcionamiento de 1.2 cmH2O en digestores de gran tamaño. Este parámetro es importante ya que gracias a la gráfica se puede analizar el comportamiento del digestor en lo que tiene que ver con fugas y escapes de gas. Con el % de sólidos de la mezcla recogida conocido, se puede determinar la cantidad de agua faltante para completar un cierto % de sólidos (entre 11 y 13% para digestor “plug flow”) de la mezcla para cargar el digestor simplemente utilizando la figura 6. 95
Al determinar el agua faltante en la mezcla, se puede seleccionar la bomba de carga.
El PH es quizás el parámetro más importante y a la vez el más olvidado cuando se coloca en marcha un digestor. El PH se debe medir a la mezcla que va a ser introducida al digestor, a la mezcla digerida que sale de este y a la mezcla que esta en proceso de digestión. En la figura se observa la gráfica del PH medido para los dos últimos casos mencionados anteriormente. Cabe anotar que el PH de la mezcla de entrada al digestor fue constante durante toda la prueba (6). Como se observa en la figura, durante los
primeros
días
de
funcionamiento
el digestor tiene un
comportamiento variable y nada predecible, sin embargo el patrón que se observa es una etapa ácida (6), una etapa básica (8) para luego estabilizarse (7). Esto es perfectamente normal y es esperado ya que la mezcla introducida al digestor es un poco ácida y en la primera etapa de la descomposición del estiércol se forman compuestos ácidos, luego la mezcla se mantiene en el mismo nivel de
acidez
o
se
vuelve
simultáneamente Figura 6. Factor multiplicador
más del
ácida, peso
total recogido diariamente como función del % de sólidos. cidos, metano y dióxido de carbono, produciendo una especie de balance que permite que la mezcla no se vuelva totalmente ácida
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haciendo que esta se vuelva básica por poco tiempo para luego estabilizarse y comenzar a producir más metano. Es necesario decir que
los
tres
procesos
ocurren
simultáneamente
siempre, lo que pasa es que en el inicio se puede ver la influencia de cada uno de ellos. El PH del efluente, el cual es medido a partir del día 21, se mantiene siempre en la neutralidad (7). Se observó también en todas las muestras en el día 21, día de carga de mezcla fresca, que ocurría una acidificación en la segunda toma de muestra de ese día, normalizándose en la mañana del día siguiente. Esto puede ser perfectamente normal en este tipo de digestor, ya que la mezcla no digerida permanece más cerca del orificio de carga (por donde se tomaban las muestras) mientras que la mezcla que está siendo digerida se va a mover a lo largo del digestor hacia el orifico de descarga. No se observan los fenómenos descritos anteriormente
por que el
volumen de carga es muy pequeño con respecto al volumen que hay en el digestor, luego la estabilización ocurre mucho más rápido. Durante la etapa de producción de biogás, el PH permaneció neutro (7).
Valor de PH en el tiempo También se observa en esta figura que la producción de gas comienza prácticamente al segundo día después de haber iniciado la operación del digestor. Las curvas poseen la misma forma y la producción de gas se estabiliza 97
aproximadamente entre los días 22 y 25. Está producción es aproximadamente 1.65 veces el volumen del digestor, lo cual es muy interesante ya que los parámetros de diseño actualmente están entre 1.2 y 2.8 veces el volumen del digestor. Con esta investigación se reduce un poco más este parámetro de diseño y se dan valores lógicos y reales de digestores en operación. El valor superior de diseño es real en algunos digestores que funcionan en el rango termofílico (temperaturas
mayores a 50ºC) o a digestores que son
cargados con sólidos volátiles adicionales a los dispuestos comúnmente en la mezcla de estiércol, orina y agua.
7.4 PRODUCCIÓN DE GAS: Para este punto, se obtuvieron diferentes procesos con los mismos datos. En el cual se puede observar la producción de biogás para los tres volúmenes
de digestor
escogido.
Se puede
observar que aún con tres temperaturas ambiente y tres % de sólidos diferentes para cada volumen de digestor, la producción de gas no varia, esto quiere decir que siempre y cuando el digestor este a la temperatura
interesa el exterior.
98
correcta
internamente
no
Composición del biogás en % de CH4 y % de CO2.
99
Se obtuvo la curva de composición del biogás obtenido y se observa en la figura 10. Como era de esperarse la composición del biogás inicialmente es CO 2, debido a que en los procesos de acido génesis y acetogénesis se genera este gas por encima del CH 4, y va disminuyendo a medida que el acetato y el CO2.
7.5 COSTO DE INVERSION EN LA CONSTRUCCION DE UNA DE BIOGAS.
- MATERIALES DE CONSTRUCCION ……………….S/.
5,000.00
- MANO DE OBRA DE CONSTRUCCION…………….S/.
5,000.00
- EQUIPOS DE IMPLEMENTACION……………………S /.
4,000.00
- MANO DE OBRA DE MONTAJE DE EQUIPOS…….S/
6,000.00
TOTAL……………………………………….S/. 20,000.00
7.6 Detallado para agregar los 4 aspectos de la
construcción
1.- construcción de la infraestructura La infraestructura de material noble esta diseñada para poder almacenar los desperdicios que producirán el gas. Esta estructura soportara los niveles de presión y estará herméticamente diseñada para que se puedan segregar los líquidos y los desperdicios. 2.- Materiales de la Construcción.
100
Los materiales de construcción estarán de acuerdo a los valores estándares y probados en los laboratorios de prueba de resistividad. 3.- Equipos de Implementación. Los equipos de implementación están diseñados para soportar presiones del gas están debidamente probados en los laboratorios de prueba de presiones en PSI. 4.- Mano de obra de Montaje. Los procesos de montaje se realizaran en 2 fases: A.- Fase Primera de Montaje Se realizara el montaje de los equipos de las tuberías y las válvulas de presión, esto estará diseñado con su respectivo plano de ubicación para que pueda hacerse las pruebas respectivas de presión. B.- Fase Segunda de Montaje Se realizara el montaje de las compuertas y tapas de presión, también se colocaran los balones de presión para que después puedan ser distribuidas por medio de las tuberías. En esta última fase se hace las pruebas de presión y fuga de las tuberías.
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES - Los digestores cumplen una función ecológica ideal: reciclar totalmente los desechos a un costo muy bajo, pero como contrapartida emite olores desagradables para quien no esta acostumbrado al sistema . - Los rellenos sanitarios, tienen generalmente una ubicación periurbana y por lo tanto afectan tanto a los sectores urbanos, para los que son una necesidad sanitaria, como a los rurales. Los afectan en ambos sentidos, positivo y negativo, ya que si no son adecuadamente controlados contaminan al medio ambiente donde se encuentran, pero al producir biogas se pueden constituir en polos de desarrollo industrial, agroindustrial o agrícola directamente. -
Respecto a la realidad de nuestro país, los digestores anaerobios no son utilizados como un sistema de extracción de biogas, el proceso que se utiliza es sin mayores inversiones. Las empresas sanitarias utilizan el vertedero, acumulan basura, por lo general la tapan con tierra y esperan el proceso de descomposición anaerobia, el cual solo se produce en una media del 50%, puesto que al no haber un tratamiento adecuado existe siempre la presencia de aire, lo cual inhibe a las bacterias metanogenas.
- Desde el mundo empresarial, no existe un interés mayor, puesto que es un tipo de energía que para la mayoría es desconocido. Además, como la producción de gas no es inmediata, no les parece rentable. - Se
encontró
que
para digestores
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con
intercambiador
de
calor
interno, la temperatura exterior y el porcentaje de sólidos totales - En el ámbito gubernamental, tampoco existe el interés de informar, aprovechar y rescatar es tipo de energía, esto en referencia a la realidad que viven otros países de latino América, como es el caso de Brasil, Uruguay y Venezuela; los cuales han generado proyectos de tratamientos de la basura y utilización del biogas, incluso al nivel de casas particulares, con pequeños biodigestores y a un costo muy bajo. - Se recomienda continuar con esta investigación en los siguientes puntos: -
Funcionamiento de los digestores tipo “ plug flow” en el rango termofílico. Pues puede ser una opción, por ejemplo para este caso donde hay que eliminar al ambiente bastante calor extraído del motor.
-
Realizar pruebas con digestores de acrílico o plástico transparente para investigar el flujo dentro del digestor “plug flow”.
-
Influencia de la adición de sólidos volátiles en la producción de biogás para un digestor tipo “plug flow”.
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RECOMENDACIONES Investigar
la
influencia
de
los
diferentes diseños de intercambiadores de
calor en la producción de biogás para un digestor de tipo “plug flow”. Investigar
mejores aislamientos
para
la cubierta de almacenamiento
de biogás cuando la temperatura ambiente es menor a 20ºC. Caracterización
total
de los
otros
digestores estipulados
en
la
norma:
D i g e s t o r d e t i p o “laguna cubier ta” y Digestor de tipo “mezcla completa”. Una tecnología es apropiada cuando logra imponerse. Las plantas de biogás no cuentan aún gran aceptación. Estas con plantas sencillas no han sido, probablemente, bien adaptadas. Una planta de biogás es manejada y mantenida correctamente, si satisface las necesidades de reconocimiento y comodidad del dueño. Entonces está dispuesto a adaptarse a las necesidades de la planta de biogás. La planta de biogás es apropiada para las condiciones técnicas y posibilidades económicas de los campesinos del Tercer Mundo. La tecnología del biogás está bien adaptada a las exigencias ecológicas y económicas del futuro, es una tecnología de avanzada. El constructor deberá contribuir con una buena construcción, garantizando su buen funcionamiento, debe ser un símbolo de desarrollo social, no de precariedad.
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