Tratamiento previo del biogás: H₂S, siloxanos, agua y COV antes de la purificación

El tratamiento previo del biogás consiste en eliminar, antes de la separación propiamente dicha del CO₂, aquellos componentes que destruyen los equipos o perturban el proceso: sulfuro de hidrógeno (H₂S), agua, siloxanos, compuestos orgánicos volátiles (COV), amoníaco y partículas sólidas. Es la etapa que determina la disponibilidad de la instalación y que a veces se subestima en los presupuestos. La línea típica es la desulfuración en el digestor (biológica o química), el secado por enfriamiento, la filtración y el pulido en carbón activo.

Sulfuro de hidrógeno (H₂S)

La concentración de H₂S en el biogás procedente de purín y ensilados suele ser del orden de cientos de ppm, y en el de sustratos proteicos y residuales, incluso de varios miles de ppm. El H₂S provoca corrosión, envenena los sorbentes y, tras la combustión, forma ácidos sulfúricos. Métodos:

1. Desulfuración biológica en el digestor: la introducción de una pequeña cantidad de aire (normalmente hasta unos pocos por ciento del volumen del biogás) provoca la oxidación del H₂S por las bacterias hasta azufre elemental. Es sencilla y barata, pero aumenta el contenido de nitrógeno y oxígeno en el biogás, lo que para el biometano es relevante, porque limita la posibilidad de eliminar N₂ y O₂ en las etapas posteriores.
2. Desulfuración química: la dosificación de sales de hierro en el sustrato o en el digestor fija el azufre en forma de sulfuros.
3. Lavadores biológicos y químicos: columnas independientes en las que el H₂S se oxida o se absorbe.
4. Adsorción en carbón activo u óxidos de hierro: pulido hasta un nivel de unos pocos ppm.

En la práctica se emplea una combinación: desulfuración gruesa en el digestor o en una columna y pulido final en un lecho.

Agua

El biogás sale del digestor saturado de vapor de agua. El secado se realiza mediante enfriamiento hasta unos pocos grados Celsius (el condensado se evacua) y posterior recalentamiento, para reducir la humedad relativa. El secado posterior se realiza a veces por adsorción (gel de sílice, tamices moleculares), sobre todo antes de la criogenia. El condensado contiene H₂S disuelto y otros compuestos, por lo que debe gestionarse conforme a la normativa.

Siloxanos y COV

Los siloxanos están presentes en cosméticos, detergentes y productos de cuidado, por lo que llegan al biogás principalmente desde residuos urbanos, lodos de depuradora y gas de vertedero; en el biogás agrícola son mucho más raros. Durante la combustión en el motor forman depósitos silíceos y, en la purificación, ensucian las membranas y los sorbentes. Se eliminan con carbón activo o con adsorbentes especiales, y el lecho se sustituye al agotarse. Los COV (hidrocarburos aromáticos, terpenos, compuestos halogenados) también se adsorben en carbón activo. Su concentración depende del sustrato; p. ej., los residuos de la transformación de fruta o los ensilados pueden contener terpenos.

Amoníaco y partículas

El amoníaco del biogás se elimina normalmente durante el enfriamiento y la condensación y en el lavador. Los filtros coalescentes retienen los aerosoles (aceite, gotas) que podrían bloquear las membranas o el sorbente.

Orden de los equipos

Orden típico: digestor (desulfuración biológica) → enfriamiento y condensación → compresor previo → nuevo enfriamiento y separación del condensado → filtro coalescente → lecho de carbón activo (H₂S, COV, siloxanos) → purificación. Es importante que el carbón activo trabaje con un gas de baja humedad relativa, porque la humedad reduce su capacidad de sorción.

Ejemplo: sustitución del lecho de carbón

Supuestos: 800 m³/h de biogás, pulido del H₂S de 100 ppm a menos de 2 ppm. Masa de H₂S que hay que eliminar: 100 ppm × 800 m³/h = 0,08 m³/h de H₂S ≈ 0,08 × 1,54 kg/m³ ≈ 0,12 kg/h, es decir, aprox. 990 kg al año con 8000 h. Si el carbón tiene una capacidad de trabajo de aprox. el 15 % de la masa de H₂S (supuesto ilustrativo: el valor depende del producto y de las condiciones), se necesitan aprox. 6,6 t de carbón al año. Esta masa indica que las concentraciones altas de H₂S conviene reducirlas con métodos más baratos antes del carbón y dejar el pulido para la etapa final.

Errores de diseño

• Omitir la variabilidad de la composición del biogás (los nuevos sustratos elevan el H₂S).
• Falta de redundancia: un solo lecho significa parada durante la sustitución.
• Subestimar la influencia del aire de la desulfuración biológica en el contenido de O₂ y N₂.
• Refrigeración insuficiente, que provoca condensación en el compresor.
• Falta de mediciones de H₂S antes y después del lecho, lo que impide planificar las sustituciones.

Control y documentación

Antes de encargar la instalación, encargue un análisis del biogás de al menos varias semanas de funcionamiento, teniendo en cuenta distintas mezclas de sustratos, y sobre esa base establezca las concentraciones de diseño de H₂S, siloxanos y COV con margen. Tras la puesta en marcha, lleve un registro de las sustituciones de lechos y de los resultados de las mediciones, porque son datos necesarios tanto para la planificación del mantenimiento como para las conversaciones de garantía con el proveedor de membranas o de sorbente. Los fabricantes suelen condicionar la garantía al mantenimiento del gas de entrada dentro de unos límites determinados, por lo que la falta de documentación del tratamiento previo puede suponer la pérdida de la garantía.

Resumen

Un tratamiento previo bien diseñado es la forma más barata de proteger los costosos módulos de purificación. Conviene planificar desde el principio las mediciones y la reserva de materiales consumibles.