Lavado con agua en la purificación de biogás: principio de funcionamiento y balance hídrico

El lavado con agua (water scrubbing) es una absorción física de CO₂ en agua, realizada en una columna a una presión de entre 5 y 10 bar. La solubilidad del CO₂ en agua es considerablemente mayor que la del metano (aproximadamente 25 veces más a temperatura ambiente), por lo que el agua absorbe principalmente CO₂, mientras que el metano abandona la columna como biometano. Posteriormente, el agua se regenera en una columna de desorción y vuelve al circuito. El método es conceptualmente sencillo, resistente a las impurezas y ampliamente utilizado en instalaciones de mayor tamaño.

Esquema de la instalación

1. Compresión – El biogás se comprime a varios o una decena de bares y se enfría.
2. Columna de absorción – El biogás fluye desde la parte inferior y el agua desde la superior, en contracorriente. El relleno aumenta la superficie de contacto. Desde la parte superior se recoge el biometano saturado de humedad.
3. Depósito flash – El agua saturada de CO₂ pasa a un depósito a presión reducida. Se libera un gas rico en metano disuelto, que se recircula antes del compresor, lo que limita las pérdidas.
4. Columna de desorción (stripping) – El agua se encuentra con aire en contracorriente. El aire arrastra el CO₂ (y parte del H₂S), y el agua purificada vuelve a la absorción, generalmente tras su enfriamiento.
5. Secado del biometano – El gas procedente del lavado está húmedo, por lo que requiere secado antes de su inyección.

Balance hídrico y de temperatura

El agua circula en un circuito cerrado, pero una parte se pierde por evaporación y purga de lodos, por lo que debe reponerse. La demanda de agua de reposición es reducida en comparación con el circuito, aunque resulta relevante en zonas con disponibilidad limitada de agua. La temperatura es un factor clave: cuanto más fría esté el agua, mejor será la solubilidad del CO₂, por lo que el enfriamiento influye en la eficiencia y el consumo energético.

Sulfuro de hidrógeno e impurezas

El lavado con agua elimina parcialmente el H₂S, que también se disuelve en agua, pero en el stripping se libera al off-gas. Esto provoca corrosión y molestias por olores, por lo que en la práctica se aplica un desulfurado previo. El agua en el circuito favorece la proliferación de microorganismos, lo que puede provocar la obstrucción del relleno, la reducción del rendimiento y la necesidad de lavados o la dosificación de biocidas.

Pérdidas de metano y off-gas

Las pérdidas de metano en lavados modernos suelen situarse en un rango del 0,5–1,5%. El off-gas del stripper es aire con CO₂, trazas de CH₄ y H₂S, que debe purificarse o incinerarse si ha de cumplir con los requisitos de emisiones y olores. Una reducción demasiado agresiva de las pérdidas de metano aumenta el consumo energético (mayores recirculaciones, flash más intenso).

Energía

El consumo de energía eléctrica es similar al de las membranas y el PSA, en torno a 0,2–0,3 kWh/m³ de biogás. Los principales consumidores son el compresor, las bombas de circulación y el soplante de stripping. No se requiere calor de proceso.

Ventajas y limitaciones

Ventajas: Ausencia de productos químicos, alta resistencia a la composición variable del biogás, posibilidad de eliminar parte del H₂S, funcionamiento estable en un amplio rango de cargas y bajos requisitos en cuanto a la pureza del gas de entrada.

Limitaciones: Grandes dimensiones de las columnas, necesidad de agua y refrigeración, pérdidas de metano algo superiores a las del lavado con aminas, biología del circuito, emisiones del off-gas y menor rentabilidad en pequeñas escalas.

Ejemplo ilustrativo

Supuestos: 800 m³/h de biogás, 53% de CH₄ (424 m³/h de CH₄), 8000 h/año. Con una pérdida del 1,0%, se pierden 424 × 0,01 × 8000 ≈ 33.900 m³/año (unos 340 MWh). Si una mejor recirculación redujera la pérdida al 0,3%, la merma se reduciría a unos 10.000 m³/año. El valor de la pérdida evitada, asumiendo un precio de 200 zł/MWh, sería de unos 47.000 zł anuales, lo que sirve de base para negociar garantías.

Cuándo es adecuado el lavado con agua

• Cuando la escala es grande (desde varios cientos hasta varios miles de m³/h de biogás).
• Cuando el biogás tiene una composición variable o contiene H₂S, por lo que se necesita una tecnología tolerante.
• Cuando hay disponibilidad de agua y espacio para las columnas, pero falta calor económico para el lavado con aminas.

Explotación del circuito de agua

Los problemas operativos más frecuentes son la formación de biofilm y sedimentos en el relleno de las columnas, la espuma y la incrustación de cal con agua de reposición dura. Para prevenirlos, se emplea el tratamiento del agua, el lavado periódico y el control de la calidad del circuito (pH, conductividad, contenido de sólidos en suspensión). También conviene verificar si el enfriamiento del circuito está dimensionado para el verano, ya que un aumento de la temperatura del agua en unos pocos grados empeora la solubilidad del CO₂ e incrementa el consumo energético. En invierno, el riesgo es la congelación de las líneas auxiliares. Los efluentes de la purga de lodos suelen evacuarse conforme a la autorización de vertido, por lo que su cantidad y composición deben acordarse en la fase de proyecto, no tras la puesta en marcha.

Resumen

El lavado con agua es una tecnología sencilla y resistente, en la que el principal desafío es la gestión del agua y el off-gas. Al diseñar la instalación, es recomendable planificar desde el inicio la incineración o la recuperación del metano del off-gas.