Grupos de cogeneración CHP a biogás y gas de vertedero: Tratamiento de combustible y número de metano

Ingeniería de motores de combustión para biogás: deshumidificación, eliminación de siloxanos y H2S, cálculo del número de metano (MN) para evitar detonación y c

1. Desafíos de la calidad del gas en la conversión de energía biogénica

Los grupos electrógenos con motores de gas alternativos que funcionan con biogás de digestores anaeróbicos, gas de aguas residuales o gas de vertedero enfrentan graves variaciones en la calidad del combustible en comparación con el gas natural por gasoducto. La alta humedad (100% humedad relativa en la salida del digestor), el sulfuro de hidrógeno (H2S hasta 5000 ppm) y los compuestos orgánicos volátiles de silicio (siloxanos) causan una rápida degradación del aceite lubricante, depósitos abrasivos de sílice (SiO2) en los cilindros y corrosión del turbocompresor.

2. Número de metano, poder calorífico y reducción de potencia del motor

Característica del gasGas Natural (Ducto)Biogás AgrícolaGas de vertedero/aguas residuales
Contenido de metano (CH4)90 - 98% vol50 - 65% vol38 - 52% vol
Poder calorífico inferior (LHV)36 - 38 MJ/Nm318 - 23 MJ/Nm314 - 18 MJ/Nm3
Número de metano (MN)70 - 85> 100 (inhibidor de detonación CO2)> 110
Requiere tratamiento previoFiltración básicaDeshumidificación + Biológico H2SEnfriamiento profundo (+4°C) + Lecho de carbón
Clasificación de servicio (ISO 8528-1)Carga base/picoPotencia de funcionamiento continuo (COP)Potencia de funcionamiento continuo (COP)

La potencia eléctrica producida por el flujo de gas se calcula mediante:

Pe = ηe · V̇gas · LHVgas [kW]

donde:

  • ηe es la eficiencia eléctrica del motor de gas de mezcla pobre (40% - 44% para unidades turboalimentadas modernas).
  • V̇gas es la tasa de alimentación de gas volumétrica normalizada en Nm3/h.
  • LHVgas = (%CH4) / (100) · 35.8 MJ/Nm3.

3. Integración térmica combinada de calor y energía (CHP)

En las instalaciones de cogeneración de biogás, la eficiencia energética global supera el valor 88% al recuperar dos corrientes de calor primarias:

1. Circuito de alta temperatura: El intercambiador de calor de gases de escape produce agua caliente (90/70°C) o vapor a baja presión (180°C) recuperando ≈ 40% de la energía térmica del combustible.

2. Circuito de baja temperatura: El agua de la camisa del motor, el enfriador de placa de aceite lubricante y el intercooler de mezcla de primera etapa suministran agua tibia (60/45°C) para calentar el tanque digestor.

4. Requisitos de especificación para la adquisición de motores de gas

  • Enfriador deshumidificador de gas obligatorio (punto de rocío +4°C) y filtro de carbón activado aguas arriba del acelerador del motor.
  • Requiere control automatizado de la relación aire-combustible (A/F) con sensor de oxígeno rápido (combustión pobre λ = 1.6 - 1.8) para mantener NOx < 250 mg/Nm3 (TA-Luft 2021).
  • Verifique la clase de aislamiento del alternador H con aumento de temperatura de Clase F (105 K) para el funcionamiento con carga base continua 24/7.
  • Especificar tuberías de acero inoxidable anticorrosivo y mezcladores de gas niquelado para trabajos con gas de vertedero corrosivo.

*Referencia: ISO 8528-1:2018; ISO 3046-1; DVGW Code of Practice G 262; TA-Luft 2021.*