INTRODUCCIÓN
Es un hecho que en toda sociedad existe la generación de
desechos orgánicos, siendo los rellenos sanitarios, quienes permiten su
acumulación. Generalmente, los desechos sólidos municipales se optan por la
incineración con o sin recuperación de energía. La basura orgánica enterrada en
un relleno sanitario sufre un proceso de descomposición mediante el cual se
produce el biogás formado por metano (CH4) en un 50 a 70 %, bióxido de carbono
(CO2) en un 25% a 30%, Hidrógeno (H) en menos de 5% y oxigeno(O2) en menos del
5% (Guerrero, Gerardo, & Gallegos, 2010).
En un relleno sanitario existe una buena producción de
metano, estos gases son enviados a la atmósfera normalmente contribuyendo al
efecto invernadero, “Es altamente tóxico, 22 veces más nocivo que el CO2” (Camargo
& Velez, Emisiiones de biogás producidas en Rellenos Sanitarios, 2009).
Este elemento no está siendo aprovechado, y por su fácil combustión se lo puede
utilizar en un proceso térmico. Evaluar el potencial de producción de biogás
que existe en el relleno sanitario del cantón Salcedo es lo que se plantea en
esta investigación. Para que en base a la información que se obtenga como
resultado se planteen propuestas sostenibles para aprovechar la inevitable e
inagotable materia prima que se tiene y que a futuro incrementará.
En el desarrollo de la investigación se han planteado
objetivos los cuales permitirán analizar ciertas variables que son importantes
al momento de cuantificar la producción y calidad de biogás los cuales se
detallaran a continuación:
·
Caracterizar los residuos que ingresan al relleno sanitario,
utilizando la información de la operación diaria, para determinar el porcentaje
de materia de la que está compuesto el mismo.
·
Medir la cantidad de biogás que se puede extraer en las
condiciones actuales, implementando un sistema de tuberías y medidores, para
cuantificar y proponer sus posibles aplicaciones.
·
Realizar análisis de cromatografía del biogás, extrayendo
muestras de los pozos existentes, para determinar su composición y poder
calorífico.
·
Proyectar la producción de biogás en el relleno sanitario,
utilizando el modelo biogás Ecuador, para conocer la producción que se obtendrá
durante su tiempo de operación.
·
Proponer un sistema de aprovechamiento térmico sostenible del
biogás, basados en los resultados obtenidos durante el estudio, para darle un
uso racional a este importante recurso.
MATERIAL Y MÉTODOS
Se analizó la producción de biogás que se genera en el
relleno sanitario del cantón Salcedo. Se cuantificó y caracterizó el potencial
de biogás extrayéndolo de los pozos de venteo pasivo existentes, con el fin de
esquematizar propuestas sostenibles para su aprovechamiento.
Se ha utilizado documentación del GAD Municipal del Cantón
Salcedo, investigaciones realizadas en el lugar, documentos, páginas de
Internet relacionadas a la temática que han servido para sustentar teóricamente
el problema
de investigación, a través del análisis documental
Desarrollo
Para obtener la caracterización de los desechos, se ha
solicitado información al GAD Municipal del Cantón Salcedo. Los datos se
describen en la siguiente tabla.
|
CARACTERIZACIÓN DE
DESECHOS
|
|
CATEGORIA DE DESECHO
|
COMPOSICIÓN
%
|
|
Domésticos Orgánicos
|
58.66%
|
|
Papel y Cartón
|
8.95%
|
|
Desechos de
construcción
|
6.80%
|
|
Vidrio
|
5.33%
|
|
Chatarra
|
5.72%
|
|
Caucho
|
4.66%
|
|
Plásticos
|
2.57%
|
|
Desechos de jardín
|
3.44%
|
|
Madera
|
2.69%
|
|
Ropa usada
|
0.92%
|
|
Otros
|
0.27%
|
Tabla 1. Composición
de desechos estimados en el relleno sanitario del Cantón Salcedo
Para la extracción de biogás se utilizó un sistema de
captación compuesto por un compresor, un acumulador un medidor de flujo tipo
vortex, todo esto acoplado a un sistema de tuberías de 1/2”. En la figura 1 se
muestra el sistema instalado.
Figura 1. Sistema
de capacitación de biogás
Se realizaron pruebas en los 3 pozos existentes diariamente
durante dos semanas cada uno. En la figura 2 se muestra el comportamiento del
pozo 1 durante la captación.
Figura 2. Resultados
de la medición del pozo 1
En la figura 3 se puede apreciar la tendencia diaria de
captación del pozo 2.
Figura 3.
Resultados de la medición del pozo 2
En la figura 4 se muestra el comportamiento del pozo 3
durante el período de captación.
Figura 4.
Resultados de la medición del pozo 3
Se tomaron muestras de cada uno de los pozos existentes y
el análisis se lo realizó en el laboratorio del Ing. Luis Cano R. de la ciudad
de Quito. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2.
|
CROMATOGRAFÍA DEL BIOGÁS DEL RELLENO SANITARIO DEL CANTÓN SALCEDO
|
|
Componente
|
Pozo 1
|
Pozo 2
|
Pozo 3
|
|
Fracción molar [%]
|
Fracción molar [%]
|
Fracción molar [%]
|
|
Metano
|
54.76
|
51.35
|
53.80
|
|
Dióxido de carbono
|
44.21
|
45.30
|
40.38
|
|
Nitrógeno
|
0.3
|
2.17
|
4.31
|
|
Etano
|
0.00
|
0.02
|
0.00
|
|
Propano
|
0.68
|
1.15
|
1.80
|
|
Agua
|
0.03
|
0.0
|
0.00
|
|
Heptano
|
0.01
|
0.01
|
0,01
|
|
Total
|
100
|
100
|
100
|
|
|
|
Poder calorifico
|
439 BTU/ft
|
423 BTU/ft
|
531 BTU/ft
|
Tabla 2. Cromatografía
del biogás
Se ha modelado en una aplicación que realizó la Agencia de
Protección del Ambiente EPA-US denominado Modelo Biogás Ecuador versión 1.1. En
el cual se ingresan parámetros que permiten determinar la producción estimada
de biogás que está produciendo. En la figura 5 se muestran los parámetros
iniciales.
Figura 5. Datos
iniciales del modelo
Se han ingresado las toneladas dispuestas y se ha
considerado el 70% de la eficiencia de captación a partir del año 2017 como
punto de partida para iniciar la captación. En la figura 6 se muestra los datos
ingresados.
Figura 6. Datos
ingresados en el modelo
En la tabla 3, se muestran los resultados obtenidos en el
modelo.
En la figura 7 se muestra la tendencia de la proyección y
recuperación estimada de biogás según el modelo aplicado.
Figura 7. Proyección
de generación y recuperación de biogás en el relleno sanitario en el Cantón
Salcedo
De los resultados obtenidos en el modelamiento muestra que
en la actualidad existe una producción de 3.2 m3/min de biogás, frente al
0.8m3/min que se captó. Este valor muestra que se tiene un buen potencial al
momento, y comparando con el valor extraído, existe una gran diferencia con lo
que se ha logrado captar con el sistema de extracción implementado.
El máximo valor de recuperación de biogás que el modelo
muestra es de 70% implementados pozos de captación y sistemas de extracción
para obtener la mayor eficiencia.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Primera propuesta térmica sostenible La primera
propuesta para la utilización del biogás en el relleno sanitario del cantón
Salcedo, es la utilización de una planta de evaporación de lixiviados en el
vertedero. Con La pruebas realizadas en campo y según datos de los operadores
del relleno, se determinó que existe un caudal de producción de lixiviados de
90 l/h en temporada de lluvia y en temporada seca un promedio de 60 l/h.
Considerando que el relleno sanitario es relativamente nuevo y está sometido a
constante crecimiento se ha considerado un equipo capaz de evaporar hasta 150
l/h de lixiviados en una instalación de funcionamiento automático con un
consumo promedio de biogás para este caudal de 95m3 diarios.
Según los datos obtenidos en cuanto a las mediciones fue de
116 m3 diarios de biogás por lo tanto suple la demanda de combustible para esta
aplicación. La instalación se proyecta para una vida útil de más de 25 años,
con el mantenimiento adecuado. La información que se va a detallar sobre las
características de los equipos de evaporación y particularidades generales han
sido proporcionadas por (Emison, 2016), empresa española con varios años de
experiencia en aplicaciones para uso de biogás.
Evaporador tipo flash
En base a las consideraciones arriba descritas se ha
seleccionado un evaporador tipo flash, todas sus características en cuanto a
diseño son responsabilidad de su fabricante. Su principio de funcionamiento se
basa en la evaporación del líquido (lixiviado) mediante el uso de una fuente de
calor, en este caso se utiliza el calor generado por un quemador a biogás. Para
ello se introduce el líquido a presión mediante una boquilla pulverizadora en
una cámara calentada de las dimensiones adecuadas. El fluido se evapora de
forma instantánea saliendo en forma de vapor por la chimenea y los sólidos son
retenidos en el fondo del evaporador, de donde se extraen manualmente. Los
componentes orgánicos son quemados por la temperatura del evaporador y los
productos de la combustión son extraídos por la corriente gaseosa. En la figura
8 a y b, se muestra una imagen del evaporador sugerido.
Figura 8. Evaporación
tipo flash
Tabla 4. Características
del evaporador de lixiviados
Segunda propuesta sustentable
La segunda opción planteada para el aprovechamiento
sostenible del biogás, es su utilización en un sistema de generación que
serviría como fuente de alimentación eléctrica para iluminar el sitio de
disposición final.
El equipo seleccionado modelo 10GF-ZC, tiene un consumo
promedio de biogás según el fabricante de 0.56 m3/kW.h, con este dato se aduce
que el consumo para generar 10 kW.h sería de 5.6 m3, y para generar la misma
potencia durante 12 horas nocturnas se necesitaría una producción de 67 m3 de
biogás. Para el flujo que se obtuvo en la medición se podría generar hasta 17
kW por 12 horas al día, la propuesta está en base a un generador de 10 kW con
su respectivo sistema de tratamiento ya que se pretende utilizar para la
iluminación del sitio de disposición final, y con esa capacidad es suficiente,
pero se deja libre la elección de un generador de mayor capacidad si los costos
de los equipos justifican la implementación.
Sistema de generación
El sistema de generación propuesto, está basado en la
utilización de un generador de 10 kW de potencia efectiva,
las características se muestran en la tabla 5
Tabla 5.
Características del motor-generador propuesto
Por tal razón en la propuesta está contemplado la
utilización de una planta de tratamiento de biogás capaz de tratar hasta 150 m3
por día, la cual está compuesta por elementos que se muestran en la tabla 6.
Tabla 6. Elementos
para el sistema de tratamiento de biogás
Como requerimiento principal para el funcionamiento del
generador es que debe tener al menos un 40% de metano CH4, según el análisis
cromatográfico el biogás que se produce en el relleno sanitario tiene en
contenido mayor del 50% por lo tanto el biogás puede ser utilizado.
Selección de la mejor propuesta térmica sostenible
Para la selección de la mejor propuesta térmica sostenible se van a considerar
3 aspectos que pueden ayudar a escoger la mejor opción
·
Económica
Para evaluar cual proyecto es más factible, se considerará
únicamente el costo de la tecnología que pudiese ser implementada, ya que al no
tratarse de un diseño completo no se consideran los costos de obra civil,
montaje de equipos, mantenimientos y demás gastos que incurren a la hora de
construir y poner en marcha un proyecto.
Como se ha detallado en cada propuesta planteada, el costo
de los equipos para la planta de evaporación de lixiviados es de 13900 USD,
mientras que para el sistema de generación es de 17751.9 USD. Se ha realizado
una comparación con equipos de características de similares. En el caso del
evaporador de lixiviados con una caldera a diésel con una producción de 345
lb/h de vapor con un consumo de 2 gal/h de diésel. En la tabla 7 se puede
observar los resultados.
Tabla 7. Comparación
evaporadora de biogás vs caldera a diésel
Para hacer la comparación en el caso del sistema de
generación, se la ha realizado con el costo del kW/h que factura la empresa
eléctrica. Los resultados se los muestra en la tabla 8.
Tabla 8. Comparación
generadora de biogás vs tarifa empresa eléctrica
En ambos proyectos sugeridos, el costo de la procura de
materiales (Inversión de equipos) se vuelve complejo hacer un análisis ya que
en la actualidad no existe ningún egreso por manejo de lixiviados o energía
eléctrica en el sitio de disposición final. De tal forma que los dos proyectos
se convierten en inversiones sin recuperación de capital. Según lo comprado la
opción del evaporador de lixiviados es la alternativa más viable
económicamente.
·
Medioambiental
Al implementar la planta de evaporación de lixiviados, se
está evitando el recircular estos líquidos al sitio de disposición final, con
ello se reduce la contaminación por posibles fugas en los ductos pudiendo
contaminar las aguas superficiales como subterráneas de las cuales se abastece
el cantón tanto para el consumo humano como para el regadío; produce malos
olores que pueden ser perjudiciales para el personal que labora en el lugar así
como para la población que habita cerca del relleno, en este punto esta
aplicación es más amigable en cuanto a cuidar el medio ambiente ya que al
aplicar el proyecto de generación únicamente se brinda un mejor confort para el
personal que labora en la noche en el lugar.
·
Social
Al utilizar el biogás en un proyecto térmico sostenible,
ayuda al desarrollo social ya que es un recurso que no está siendo utilizado y
al darle una aplicación brinda una mejora al sitio en donde se está
produciendo, además para el GAD Municipal del Cantón Salcedo en responsabilidad
con el pueblo y la mejora continua impulsa este tipo de investigaciones. Es
decir, ambas aplicaciones a pequeña escala contribuyen al desarrollo, pero si
se piensa en un sistema de generación mucho más grande los habitantes que viven
cerca del relleno podrían recibir energía más barata con su implementación,
pero con una inversión inicial mucho mayor.
En la tabla 9 se muestra el análisis realizado.
Tabla 9. Análisis
de las propuestas
Con el análisis realizado en cuanto a los tres aspectos
mencionados, se puede decir, que la propuesta térmica sostenible más adecuada
es la implementación de una planta de evaporación de lixiviados.
CONCLUSIONES
Se obtuvo la caracterización de los residuos que ingresan
al sitio de disposición final con un 58.66% de materia orgánica, punto de
partida importante para el desarrollo de la investigación, ya que con esta
información se pudo predecir que si existía un gran potencial de metano.
Con el sistema de extracción implementado se captó en
promedio diario 4100 SCF (116 m3) de biogás. en base a este valor se pudieron
plantear dos propuestas térmicas sostenibles que pueden ser aplicadas para
darle un uso a este importante recurso que no está siendo aprovechado.
Con las cromatografías realizadas al biogás, se comprobó el
alto concentrado de gas metano existente que fue en promedio 53% con un poder
calorífico promedio de 515 BTU/ft3, con lo cual su uso para generación
eléctrica es aplicable.
Al realizar el modelamiento nos indica que existe una
producción actual de 4608 m3/día frente a l16 m3/día que se captó, estos
valores están acorde al sistema de captación implementado ya que no existen
pozos dedicados para la captación del recurso.
Con el valor obtenido en las mediciones se propuso dos
aplicaciones importantes para el uso del biogás producido, la primera su uso en
un evaporador de lixiviados con capacidad de 150 l/h y la segunda un sistema de
generación de 10kW, realizando un análisis se determinó que la aplicación más
adecuada es el evaporador de lixiviados.
En la actualidad existe un gran potencial de biogás en el
relleno sanitario del cantón Salcedo, sin embargo, este valor incrementará
mucho más en el futuro ya que apenas se está iniciando la segunda etapa de
captación de residuos y crece aceleradamente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Camargo,
Y., & Velez, A. (25 de septiembre de 2009). Emisiiones de biogás producidas
en Rellenos Sanitarios. Barranquilla, Colombia.
Emerson-Process.
(mayo de 2013). www.emersonprocess.com. Recuperado el 26 de NOVIEMBRE de
2015, de http://www2.emersonprocess.com/siteadmincenter/pm%
20rosemount%20documents/00813-0109-4004.pdf
Emison.
(15 de enero de 2016). Empresa distribuidora de equipos de biogás Emison.
Barcelona, España. EPA. (05 de febrero de 2009). Enviroment Protection Agency.
Recuperado el 10 de marzo de 2015, de
http://www.epa.gov/lmop/international/ecuador.html EPA. (enero de 2009). Modelo
Biogás Ecuador Versión 1.1. Quito, Pichincha, Ecuador.
GAD_MUNICIPAL_SALCEDO.
(15 de diciembre de 2015). Control diario de residuos solidos. Salcedo,
Cotopaxi, Ecuador.
GAD-Municipal-Cantón-Salcedo.
(14 de mayo de 2015). Salcedo, Cotopaxi, Ecuador.
Guerrero,
A., Gerardo, V., & Gallegos, D. (agosto de 2010). Escuela Superior Politécnica
del Litoral. Recuperado el 16 de marzo de 2015, de Red Repositorio de acceso
abierto del Ecuador: http://rraae.org.ec/Record/0003_d30c7a0022ba9af8bc4f4
de7eb7040f5.pdf
Mola,
C. (15 de diciembre de 2015). Chongqing_Mola_Technology_Co_Ltd.
Chongqing,
China
Sylvania. (17 de febrero de 2016). www.sylvania.com.ec. Obtenido de
http://sylvania.com.ec/wp-cntent/uploads/2015/05/Cata%CC%81logo-HavellsSylvania-2014-2015.pdf.