ES2299454T3 - Procedimiento de utilizacion de gases que contienen metano. - Google Patents

Procedimiento de utilizacion de gases que contienen metano. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de utilización de grisú, gas de vertedero y biogás que contienen metano, provenientes de instalaciones de fermentación y de procesos de putrefacción, en instalaciones depuradoras de agua, en donde el contenido de metano de dicho gas está por debajo del 40% en volumen, en donde el gas se alimenta al motor de gas de un grupo de motor de gas/generador con miras a la generación de corriente eléctrica y en donde se reduce el contenido de gas inerte del aire de combustión alimentado al motor de gas por medio de una instalación separadora de membrana antepuesta al motor de gas y se varía así la relación oxígeno/nitrógeno del aire de combustión, caracterizado porque la cantidad de gas inerte separada del aire de combustión por medio de la instalación separadora de membrana corresponde a la cantidad de gas inerte que se alimenta al motor de gas con la corriente de gas que contiene metano, y porque se hace que el motor de gas funcione con una relación de aire de lambda = 1,5 a 1,8 que resulta óptima atendiendo a criterios técnicos del motor y del gas de escape.

Description

Procedimiento de utilización de gases que contienen metano.
La invención concierne a un procedimiento de utilización de grisú, gas de vertedero y biogás que contienen metano, provenientes de instalaciones de fermentación y de procesos de putrefacción en instalaciones depuradoras de agua, cuyo contenido de metano está por debajo del 40% en volumen, alimentándose el gas, con miras a la generación de corriente eléctrica, al motor de gas de un grupo de motor de gas/generador.
En algunos vertederos están instalados grupos de motor de gas/generador que se hacen funcionar con gas de vertedero. El gas de vertedero aspirado del cuerpo del vertedero tiene un contenido de metano de aproximadamente un 50% en volumen. El resto consiste sustancialmente en CO_{2} y un poco de nitrógeno. Si se cierra el vertedero, la producción de biogás del cuerpo del vertedero disminuye entonces lentamente a lo largo de un período de tiempo de aproximadamente 10 años. El sistema de captación de gas instalado aspira entonces cada vez más aire hacia dentro del cuerpo del vertedero, con la consecuencia de que disminuye el contenido de metano del gas de vertedero aspirado. Cuando el contenido de metano cae por debajo del 40%, ya no se puede hacer funcionar entonces, sin más medidas, el motor de gas y se tiene que quemar el gas de vertedero como una antorcha o bien hay que eliminarlo mediante combustión catalítica.
El grisú es un gas que se compone sustancialmente de metano y que se diluye con aire por ventilación directa del mismo. El contenido de metano del grisú está en el intervalo comprendido entre 30 y 50% en volumen, siendo inevitables fluctuaciones durante la explotación minera. Con un contenido de metano de menos del 40% en volumen se desconectan los motores de gas y ya no es posible, en el marco de las medidas conocidas, una utilización del grisú para la generación de corriente eléctrica.
En el documento de R. Rautenbach et al "Deponiegasgewinnung und -verwertung" en "Abfall, Deponie-Sickerwasser, Deponie-Gas", W. Lukas y T. Peters (editor, Vulkan Verlag, Essen, 2000, páginas 158-170), se describe un procedimiento de utilización de gas de vertedero que contiene metano, cuyo contenido de metano está por debajo del 40% en volumen. El gas se alimenta al motor de gas de un grupo de motor de gas/generador con miras a generar corriente eléctrica. Se propone también reducir el contenido de gas inerte del aire de combustión alimentado al motor de gas por medio de una instalación separadora de membrana antepuesta al motor de gas. Se describe que es suficiente una reducción del contenido de nitrógeno desde el 79% hasta el 77% de N_{2} para que un motor de gas pueda seguir funcionando con un gas débil de un 30% de metano. Se indica que la absorción de potencia de las instalaciones de membrana es de aproximadamente un 15% de la energía eléctrica producida por el motor/generador.
El documento GB 2 342 390 A describe un procedimiento para quemar combustibles gaseosos en motores de combustión interna convencionales que están concebidos para quemar combustibles líquidos. Mediante un enriquecimiento de la proporción de oxígeno en el aire de combustión alimentado con ayuda de una instalación separadora de membrana se pueden reducir o suprimir las medidas de construcción en el motor que resultan necesarias para garantizar una combustión óptima.
La invención se basa en el problema de indicar un procedimiento de utilización de grisú, gas de vertedero y biogás que contienen metano, el cual pueda explotarse de manera segura y económica con motores de gas de clase de construcción usual cuando el contenido de metano del gas que contiene metano esté por debajo del 40% en volu-
men.
El problema se resuelve según la invención con un procedimiento conforme a la reivindicación 1.
Debido al empleo de una instalación separadora de membrana según la invención se varía la relación oxígeno/nitrógeno del aire de combustión alimentado al motor de gas. En el aire de combustión se ajustan un contenido de oxígeno más alto y un contenido correspondiente más bajo de nitrógeno o de gas inerte. Debido a la reducción de la cantidad de gas inerte alimentada con el aire de combustión se puede compensar una proporción correspondientemente más alta de gas inerte de la corriente de gas que contiene metano de modo que el motor de gas pueda hacerse funcionar siempre en condiciones óptimas. Esto hace posible utilizar los llamados gases débiles con un contenido de metano de menos del 40% en volumen y un contenido correspondientemente más alto de componentes inertes, especialmente nitrógeno y/o CO_{2}.
Según la invención, se ajusta la relación oxígeno/nitrógeno del aire de combustión mediante el funcionamiento de la instalación separadora de membrana de modo que, empleando un gas débil cuyo contenido de metano sea de menos del 40% en volumen, el motor de gas pueda hacerse funcionar con una relación de aire óptima atendiendo a criterios técnicos del motor y del gas de escape. El motor de gas se hace funcionar con una relación de aire de \lambda = 1,5 a 1,8, prefiriéndose una relación de aire de \lambda = 1,6. Los motores de gas de clase de construcción convencional se hacen funcionar a este valor con un buen rendimiento del motor y una reducida emisión de gas de escape.
Una ejecución ventajosa del procedimiento según la invención prevé que se comprima aire atmosférico y se le alimente a un módulo de permeación de gas de la instalación separadora de membrana, cuya membrana presenta una permeabilidad preferida para oxígeno. Se extrae del módulo de permeación de gas un permeado con un contenido de gas inerte reducido en comparación con el aire atmosférico y se alimenta este permeado al motor de gas como aire de combustión. Se sobrentiende que, dependiendo de la cantidad de aire de combustión y del empobrecimiento deseado en nitrógeno, se pueden conectar también varios módulos de permeación de gas en paralelo y/o en serie.
En lo que sigue se explica la invención con ayuda de unos dibujos que representan únicamente ejemplos de realización. Muestran esquemáticamente:
La figura 1, el procedimiento según la invención para utilizar gases que contienen metano en el ejemplo de un gas de vertedero,
La figura 2, la aplicación del procedimiento según la invención a la utilización de grisú,
La figura 3, el balance de materia de un motor de gas que funciona con gas natural, y
La figura 4, el balance de materia de un motor de gas que funciona con gas de vertedero según el procedimiento de la invención.
En los procedimientos representados en las figuras 1 y 2 se alimenta al motor de gas 2 de un grupo 3 de motor de gas/generador, con miras a la generación de corriente eléctrica, un gas que contiene metano y que, como gas débil, puede presentar un contenido de metano de menos del 40% en volumen de metano. En la aplicación representada en la figura 1 el gas débil consiste en un gas de vertedero 7 que es aspirado de un cuerpo de vertedero 1 y que consiste sustancialmente en metano, CO_{2} y nitrógeno. En la aplicación representada en la figura 2 el gas débil consiste en un grisú 7' que se compone sustancialmente de CH_{4}, O_{2} y N_{2}. Ventilando los pozos de la mina de hulla 10 se efectúa una dilución con aire, pudiendo ajustarse un contenido de metano de menos del 40% en volumen. Son inevitables aquí fluctuaciones de explotación en el contenido de metano.
En los procedimientos representados en las figuras 1 y 2 se reduce el contenido de gas inerte del aire de combustión alimentado al motor de gas 2 por medio de una instalación separadora de membrana 4 antepuesta al motor de gas 2. Se deduce de las figuras que se comprime aire atmosférico 5 y se alimente éste a un módulo de permeación de gas de la instalación separadora de membrana 4, cuyas membranas presentan una permeabilidad preferida para oxígeno. Se retira del módulo de permeación de gas un permeado 6 con un contenido de oxígeno incrementado con respecto al aire atmosférico y un contenido de gas inerte correspondientemente reducido y se alimenta este permeado al motor de gas 2 como aire de combustión. La relación oxígeno/nitrógeno del aire de combustión puede ajustarse por medio del funcionamiento de la instalación separadora de membrana 4 de modo que, empleando un gas débil cuyo contenido de metano sea de menos del 40% en volumen, el motor de gas 2 se haga funcionar con una relación de aire óptima atendiendo a criterios técnicos del motor y del gas de escape. Esto se pone claramente de manifiesto mediante una consideración comparativa de los balances de materia representados en las figuras 3 y 4.
La figura 3 muestra el balance de materia de un motor de gas que funciona con gas natural para una relación de aire \lambda = 1,6 óptima atendiendo a criterios técnicos del motor y del gas de escape. En el motor de gas se alimentan, para el cálculo del modelo representado en la figura 3, 1,0 m^{3}/h de CH_{4} en forma de gas natural y 15,2 m^{3}/h de aire de combustión. En caso de un contenido de oxígeno del aire atmosférico del 21% en volumen, se alimentan al motor de gas 3,2 m^{3}/h de oxígeno, siendo el resto un gas inerte en forma de nitrógeno y CO_{2}. Resulta así una mezcla de gas de combustión/aire en el motor de gas que tiene la composición siguiente:
CH_{4} = 6,2%
O_{2} = 19,7%
N_{2} + CO_{2} = 74,1%.
En el cálculo del modelo representado en la figura 4 se hace funcionar el motor de gas según el procedimiento de la invención con un gas débil cuyo contenido de metano es solamente del 20% en volumen. Se alimentan al motor de gas un total de 5 m^{3}/h de gas débil con una proporción de gas inerte de un total de 4,0 m^{3}/h. Para la combustión en el motor de gas se necesitan 3,2 m^{3}/h de oxígeno que se alimentan con el aire de combustión. Mediante el funcionamiento de una instalación separadora de membrana según la invención se ajusta una relación de oxígeno/gas inerte del aire de combustión de modo que el motor de gas pueda hacerse funcionar también con una relación de aire \lambda = 1,6. Esto se consigue debido a que en la instalación separadora de membrana se descargan 4,0 m^{3}/h de gas inerte. Una consideración comparativa de las figuras 3 y 4 permite deducir que mediante la reducción de la cantidad de gas inerte alimentada con el aire de combustión se puede compensar una alta proporción de gas inerte de la corriente de gas que contiene metano.
Dependiendo de la cantidad de aire de combustión necesaria y de la variación necesaria de la relación oxígeno/nitrógeno se pueden conectar varios módulos de permeación de gas en paralelo y/o en serie. Los ensayos realizados en un motor de gas de 50 kW que funciona con gas de vertedero han demostrado que, incluso con un contenido de metano de tan sólo el 25% en volumen, el motor aporta su plena potencia cuando la relación oxígeno/nitrógeno del aire de combustión es correspondientemente modificada empleando la instalación separadora de membrana.
\newpage
Como módulos de permeación de gas se pueden utilizar módulos comerciales con membranas arrolladas en forma de espiral, membranas de fibras huecas o membranas capilares. Como materiales de membrana son adecuados, por ejemplo, polisulfonas, especialmente también con un revestimiento de silicona, poliétersulfonas, poliimidas, acetato de celulosa y otros. Los materiales citados presentan permeabilidades preferentes para CO_{2} y O_{2} y sólo pequeñas permeabilidades para N_{2}.
La corriente 8 generada con el grupo de motor de gas/generador puede alimentarse a una red de distribución eléctrica. Se puede aprovechar también el calor 9 producido. El procedimiento según la invención hace posible que se obtenga en vertederos un funcionamiento de gran rendimiento de grupos de motor de gas/generador que operan con gas de vertedero 7. En particular, mediante el procedimiento según la invención se puede prolongar el tiempo de funcionamiento de grupos de motor de gas/generador existentes en vertederos cerrados en los que va disminuyendo su producción de gas metano.
En minas de hulla 10 se puede aplicar también ventajosamente el procedimiento según la invención, ya que el grisú con muy bajo contenido de metano se puede utilizar también para la generación de corriente eléctrica. El procedimiento según la invención se puede utilizar sin que tengan que realizarse modificaciones, por ejemplo con respecto a la ventilación. El procedimiento según la invención es independiente de las fluctuaciones en la composición del gas originadas por la explotación. Se inauguran otras aplicaciones ventajosas para la utilización de biogás de instalaciones de fermentación o de procesos de putrefacción en instalaciones depuradoras de agua.

Claims (3)

1. Procedimiento de utilización de grisú, gas de vertedero y biogás que contienen metano, provenientes de instalaciones de fermentación y de procesos de putrefacción, en instalaciones depuradoras de agua, en donde el contenido de metano de dicho gas está por debajo del 40% en volumen, en donde el gas se alimenta al motor de gas de un grupo de motor de gas/generador con miras a la generación de corriente eléctrica y en donde se reduce el contenido de gas inerte del aire de combustión alimentado al motor de gas por medio de una instalación separadora de membrana antepuesta al motor de gas y se varía así la relación oxígeno/nitrógeno del aire de combustión, caracterizado porque la cantidad de gas inerte separada del aire de combustión por medio de la instalación separadora de membrana corresponde a la cantidad de gas inerte que se alimenta al motor de gas con la corriente de gas que contiene metano, y porque se hace que el motor de gas funcione con una relación de aire de \lambda = 1,5 a 1,8 que resulta óptima atendiendo a criterios técnicos del motor y del gas de escape.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se hace que el motor de gas funcione con una relación de aire de \lambda = 1,6.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se comprime aire atmosférico y se alimenta éste a un módulo de permeación de gas de la instalación separadora de membrana, cuyas membranas presentan una permeabilidad preferente para oxígeno, retirándose del módulo de permeación de gas un permeado con un contenido de gas inerte reducido con respecto al aire atmosférico y alimentándose este permeado al motor de gas como aire de combustión.
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