cálculo de producción de biogás y combustible - aire a...
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Cálculo de producción de Biogás y Combustible - Aire a
partir de residuos orgánicos de la Central de Abasto de
Villavicencio.
Obeth Hernan Romero Ocampo
1 Corporación Universitaria del Meta, Villavicencio Calle 32 34B-26, Colombia
Resumen. En el presente artículo se muestran los cálculos y aproximaciones para
obtener la producción de biogás con base en los residuos orgánicos de una plaza de
mercado y la relación combustible – Aire, datos que fueron suministrado por la Cen-
tral de Abasto de Villavicencio – Meta - Colombia. La producción de residuos orgá-
nicos que se genera en la central de abasto de Villavicencio son 36.1 toneladas men-
suales correspondiente a 83 locales que tiene la plaza de mercado distribuido entre
frutas y verduras. Haciendo la conversión a kilogramos da 36100 kg que se ve repre-
sentado en 1203.33kg diarios de residuos generados. A partir del proceso que se
genera en la materia orgánica biodegradable rápidamente los resultados de la rela-
ción combustible-aire cuando se queman los residuos orgánicos, que tiene un análisis
final por masa de 48.0% C, 6.4% H2, 37.6% O2, 2.6% N2, 0.4% S y 5% de cenizas (no
combustibles), con relación al 10%, 20% y 30% de exceso de aire que se calcula para
la cantidad necesaria de oxigeno requerido para completar la combustión.
Palabras Claves: Biomasa, Biogás, Biodigestor, Residuos Orgánicos, Combus-
tión.
1 Introducción
Los residuos orgánicos que se genera en los centros de acopios o plazas de mercado es una
alternativa para la generación de energía. Con base a la información obtenida por la Central de
Abasto de Villavicencio se podrá calcular la cantidad de biogás que puede generar este centro
de acopio y su relación combustible – aire, teniendo en cuenta que la mayoría de los residuos
obtenido son: frutas, verduras y hortalizas. Mediante descomposición microbiológica de la
biomasa se forma el biogás, el cual es gas combustible. Este proceso se realiza de manera
natural en un ambiente anaeróbico y húmedo (biodigestor). En este proceso se forma
principalmente metano con un buen poder calorífico utilizado en su mayoría para la generación
de electricidad.
2
Realizando una búsqueda de información que nos brinde los datos de residuos orgánicos en un
centro de acopio o plaza de mercado para calcular la generación de biogás y relación de Com-
bustible – Aire. Se tiene en cuenta la clasificación de la Biomasa para este proceso donde se
genere el biogás a partir de los residuos orgánicos.
Con respecto a la biomasa se puede decir que constituye la forma de energía más importante y
de mayor potencial después de la energía solar, está constituida por la materia vegetal (genera-
da a través de la fotosíntesis), o de sus derivados, tales como los residuos forestales y agrícolas.
La biomasa contiene energía química que proviene de la transformación de la energía prove-
niente de la radiación solar. Esta energía química puede ser liberada de manera directa, median-
te la combustión, o indirecta, mediante la transformación (termoquímica o bioquímica), entre
otras formas de energía más adecuadas como alcohol, el carbón vegetal, el biodiesel o el bio-
gás, entre otras [1].
2 Materiales y métodos
2.1 Materiales
Equipo de cómputo y software (excel)
2.2 Metodología
Calcular la producción de biogás con base en los residuos orgánicos y la relación combustible-
Aire de la central de Abasto de Villavicencio.
Estimar el contenido energético de los residuos orgánicos a partir de su contenido químico.
Se consulta la cantidad en peso de residuos orgánicos que se produce en la central de abasto de
Villavicencio. Y se clasifica la información de residuos orgánicos que produce la central de
abasto y la composición típica de los RSU
Determinar el volumen de Biogás generado por la central de abasto de Villavicencio.
A partir de la fórmula de Dulong modificada se estima el contenido energético de los RSU. Se
aplica la ecuación Tchobanoglous, Theisen, & Vigil, para determinar el volumen de biogas
generado en la central de abasto.
Establecer la relación Combustible – Aire de los residuos orgánicos de la Central de Abasto de
Villavicencio.
Se obtiene los porcentajes de cada elemento del residuo orgánico, de igual manera se calcula lo
que se requiere de oxígeno y la cantidad de producto por kg. Se realiza la misma operación para
el 10%, 20% y 30% de aire.
3
3 Resultados
3.1 Cálculo de producción de Biogás
Se obtuvo los datos del centro de acopio de la ciudad de Villavicencio, información suministra-
da por la Gestora Ambiental.
Tabla 1. Información plaza de mercado
Teniendo en cuenta las tablas de Composición típica de los RSU. (Tchobanoglous, Theisen, &
Vigil, 1998)[2] Y su composición típica de RSU de un país latinoamericano. [1], se tomó como
base para hacer la distribución de los 1203.33 kg de residuos que genera el centro de acopio
diario de Villavicencio y se obtienen los siguientes datos:
Tabla 2. Composición típica de los RSU
Componentes
Orgánicos
Cant.
Hum
Porcentaje en peso (Base Seca)
C H O N S Cenizas
Comida Residuos 70,0 48,00 6,4 37,6 2,6 0,4 5,0
842,33 173,28 23,10 135,74 9,39 1,44 18,05
Los datos obtenidos en la tabla con el nombre de Composición típica de los RSU, se distribuyó
porcentualmente con sus correspondientes elementos y la cantidad en kilogramo que le corres-
ponde.
En esta tabla se estable el valor de kilogramos por cada elemento tanto con agua o sin agua.
Datos de la plaza Central de Abasto - Villavicencio-
Meta-Colombia
PLAZA DE MERCADO: C.A.V CIUDAD : VILLAVICENCIO
LOCALES DE VERDURAS Y
FRUTAS: 83
PRODUCCION DE RESIDUOS ORGANICO 36,1 TONELA MENSUAL.
HACIENDO LA CONVERSION EN KG NOS DA 36100 Kg. QUE SE VE
REPRESENTADO EN 1203,33 Kg DIARIO DE RESIDUOS
DIRECCIÓN: CALLE 1 # 18 - 17 ANILLO VIAL
TELEFONO: (057) 6823001 EXT : 105
PAGINA WEB: www.cav.com.co
4
Tabla 3. Valor de kilogramo por cada elemento
Componente
Peso (Kg)
Sin
H2O
con
H2O
Carbono 173,28 173,28
Hidrogeno 23,10 76,58
Oxigeno 135,74 563,59
Nitrógeno 9,39 9,39
Azufre 1,44 1,44
Cenizas 18,05 18,05
Total (Kg) 361 842,33
El total del cálculo con agua, que se obtuvo de la Biomasa fue de 842.33 Kg, teniendo en cuen-
ta el contenido de humedad de los residuos orgánicos y la proporción de una mol de hidrogeno
por ocho de oxígeno.
Distribución en peso de la humedad de la biomasa de los residuos orgánicos.
Tabla 4. Peso de la humedad de la biomasa
Componente Prop. Kg
Hidrogeno 1 53,48
Oxigeno 8 427,85
Total (Kg) 9 481,33
Se calcula el número de moles por cada componente de la Biomasa, tanto para base seca como
húmeda.
Tabla 5. Números de moles por cada elemento de biomasa
Componente
Peso
Atm g/mol
Moles
Sin H2O con H2O
Carbono 12,01 14427,98 14427,98
Hidrogeno 1,01 22871,29 52950,50
Oxigeno 16,00 8483,75 26740,62
Nitrógeno 14,01 670,23 670,23
Azufre 32,07 44,90 44,90
Para determinar las formulas químicas que se necesitan para la aproximación con y sin azufre,
de igual manera con y sin agua, se requiere las relaciones mol normalizadas.
En la siguiente tabla se relacionan las moles normalizadas en relación al Nitrógeno y al Azufre.
5
Tabla 6. Moles normalizadas
Componente
Relación mol
(N=1)
Relación mol
(S=1)
Sin
H2O
con
H2O
Sin
H2O
con
H2O
Carbono 21,5 21,5 321,3 321,3
Hidrogeno 34,1 79 509,4 1179,3
Oxigeno 12,7 39,9 189 595,6
Nitrógeno 1,0 1,0 15 15
Azufre 0,07 0,07 1,0 1,0
Con los cálculos obtenidos en la tabla de normalización de moles se obtienen los datos para la
fórmula:
Formulas químicas de la biomasa contenida en los RSU sin azufre:
En base seca (sin agua)
C21.5H34.1O12.7N
En base húmeda (con agua)
C21.5H79O39.9N
Fórmulas químicas de la biomasa contenida en los RSU con azufre:
En base seca (sin agua)
C321.3H509.4O189N15S
En base húmeda (con agua)
C321.3H1179.3O595.6N15S
3.2 Estimación del contenido energético de los RSU a partir de su contenido
químico:
El contenido energético de los RSU puede estimarse mediante la ecuación 1a conocida como
fórmula de Dulong modificada. (Singer, 1981). [1]
𝑘𝐽𝑘𝑔⁄ = [145𝐶 + 610 (𝐻2 −
1
8𝑂2) + 10𝑁 + 40𝑆] × 2326 (1𝑎)
𝑘𝑐𝑎𝑙𝑘𝑔⁄ = 80.56𝐶 + 338.89 (𝐻2 −
1
8𝑂2) + 5.56𝑁 + 22.22𝑆 (1𝑏)
6
Dónde:
C es el porcentaje en peso del Carbono.
H2 es el porcentaje en peso del Hidrógeno.
O2 es el porcentaje en peso del Oxígeno.
N es el porcentaje en peso del Nitrógeno.
S es el porcentaje en peso del Azufre
En las ecuaciones el contenido de oxígeno está dividido por ocho y restado del hidrógeno para
justificar la cantidad de hidrógeno que reacciona con el oxígeno presente y, por lo tanto, no
contribuye al contenido energético de la biomasa [1].
En esta tabla se hace la distribución porcentual en peso de los elementos que conforman la
biomasa contenida en los residuos orgánicos.
Tabla 7. Distribución porcentual de peso de elementos biomasa
Componente
No.
Átomos
Peso
Atómico
Contribución
del peso Porcentaje
Carbono 321 12 3852 26,01
Hidrogeno 1179 1 1179 7,96
Oxigeno 596 16 9536 64,39
Nitrógeno 15 14 210 1,42
Azufre 1 32 32 0,22
Total
14809 100,00
Entonces, con base a los datos calculados en esta tabla podemos saber el contenido energético
de la biomasa:
𝑘𝐽𝑘𝑔⁄ = [145(26) + 610 (8.0 −
64.4
8) + 10(1.4) + 40(0.2)] × 2326
𝒌𝑱𝒌𝒈⁄ = 𝟖. 𝟕𝟒𝟗. 𝟐𝟒𝟗
𝑘𝑐𝑎𝑙𝑘𝑔⁄ = 80.56(26) + 338.89 (8.0 −
64.4
8) + 5.56(1.4) + 22.22(0.2)
𝒌𝒄𝒂𝒍𝒌𝒈⁄ = 𝟐𝟎𝟖𝟗, 𝟖𝟒
7
3.3 Determinación del volumen de biogás generado en una central de abasto.
Para este cálculo se requiere conocer la composición química y molar de la biomasa rápida
biodegradable y aplicar la siguiente ecuación.
𝐶𝑎𝐻𝑏𝑂𝑐𝑁𝑑 + (4𝑎 − 𝑏 − 2𝑐 + 3𝑑
4) 𝐻2𝑂 →
→ (4𝑎 + 𝑏 − 2𝑐 − 3𝑑
8) 𝐶𝐻4 + (
4𝑎 − 𝑏 + 2𝑐 + 3𝑑
8) 𝐶𝑂2 + 𝑑𝑁𝐻3
(Tchobanoglous, Theisen, & Vigil, 1998). [2]
Calcular el volumen de biogás en la producción rápida generada por la biomasa contenida en
los residuos orgánicos.
Solución:
Se elabora una tabla para calcular y determinar la distribución porcentual de los elementos que
conforma los residuos orgánicos rápidos y biodegradables.
Cálculo para determinar la distribución porcentual de los elementos más importantes que
componen la biomasa rápida y biodegradable contenida en los residuos orgánicos.
Tabla 8. Distribución peso de elementos biomasa
En esta tabla se calcula la composición molar de los elementos despreciando la ceniza.
Tabla 9. Composición molar despreciando cenizas
C H O N S
g/mol 12,01 1,01 16 14,01 32,06
Total moles rápidamente biodegradable
14,43 22,88 8,48 0,67 0,05
En esta tabla se ve la relación mol normalizado a 1 mol de Nitrógeno.
Componen-
tes Orgánicos
Peso
Húmedo
Kg
Peso
Seco Kg
Composición en (Kg)
C H O N S Cenizas
Comida
Residuos 842,33 361 173,3 23,10 135,74 9,39 1,44 18,05
8
Tabla 10. Relación molar normalizada
Componente
Relación mol (N=1)
Rápidamente
biodegradable
Carbono 21,54
Hidrogeno 34,14
Oxigeno 12,66
Nitrógeno 1,00
Con base en estos datos se hallan las formulas químicas sin azufre para el compuesto biodegra-
dable así:
Materia orgánica
𝐶21,54 𝐻34,14 𝑂12,7 𝑁
Rápidamente biodegradable usar
𝐶21,54 𝐻34,14 𝑂12,7 𝑁
Lo que corresponde a 510,41 g/mol. (Producto de multiplicar el número de moles por los pesos
moleculares respectivos).
Ahora al aplicar la ecuación, donde:
a = 32, b = 51, c = 21, d = 1, para la materia orgánica biodegradable rápidamente, (MOBR) los
siguientes resultados:
Rápidamente biodegradable:
1(𝑀𝑂𝐵𝑅) + 9.5𝐻2𝑂 → 16.75𝐶𝐻4 + 15.25𝐶𝑂2 + 𝑁𝐻3
𝑜 𝑠𝑒𝑎 1(510,41) + 9.5(18) → 16.75(16) + 15.25(44) + 1(17)
510,41 + 171 → 268 + 671 + 17
681.41 → 956
Manejo de decimales.
Para determinar el volumen de metano y de dióxido de carbono producido, se sabe que los
pesos específicos del metano y el dióxido de carbono son 0.717 y 1.978 kg/m3, respectivamen-
te, por lo tanto:
Rápidamente biodegradable:
9
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 =((268
𝑔𝑚𝑜𝑙⁄ )(204.51 𝑘𝑔))
((510.41𝑔
𝑚𝑜𝑙⁄ ) (0.717𝑘𝑔
𝑚3⁄ ))
= 𝟏𝟒𝟗. 𝟕𝟓 𝒎𝟑 𝑵
𝐷𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 =((671
𝑔𝑚𝑜𝑙⁄ )(204.51 𝑘𝑔))
((510,41𝑔
𝑚𝑜𝑙⁄ ) (1.978𝑘𝑔
𝑚3⁄ ))
= 𝟏𝟑𝟓. 𝟗𝟐 𝒎𝟑 𝑵
Ahora se puede determinar el volumen teórico de biogás generado por unidad de peso seco de
la materia orgánica biodegradada, así:
Rápidamente biodegradable
𝑣𝑜𝑙𝑘𝑔⁄ =
149.75𝑚3 + 135.92𝑚3
204.51 𝑘𝑔 = 𝟏. 𝟑𝟗 𝒎𝟑
𝒌𝒈⁄
3.4 Determinar la relación Combustible - Aire cuando se quema la biomasa.
La relación combustible-aire cuando se quema los residuos orgánicos, que tiene un análisis
final (por masa) de 48,0 % de C, 6,4% de H2, 37,6% de O2, 2,6% N2, 0,4% S y 5 % de cenizas
(no combustibles), con 10%, 20% y 30% de exceso de aire.
Conociendo los porcentajes de cada elemento:
Tabla 11. Porcentaje de componente de biomasa
Componente Porcentaje (%)
Carbono 48
Hidrogeno 6,4
Oxigeno 37,6
Nitrógeno 2,6
Azufre 0,4
Cenizas 5
La siguiente tabla muestra cómo se separa cada componente y se calcula la cantidad necesaria
de oxígeno requerido para completar la combustión.
10
Tabla 12. Cantidad de oxigeno requerido para completar la combustión
Componente Masa/kg C Ec. Combustion O2 requerido por kg C producto /kg c
C
0,48
C+O2 --> CO2
12kgC+32kgO2-->
44CO2 0,48*32/12=1,28 kg 0,48*44/12=1,76
H2
0,064
2H2+O2 --> 2H2O
1kgH2+8kgO2 -->
9kgH2O 0,064*8/1=0,512 kg 0,064*9/1=0,576
O2 0,376 -0.376
N2 0,026 0,026
S
0,004
S+O2 --> SO2
32kgS+32O2 -->
64kgSO2 0,004*32/32=0,004
0,004*64/32=0,00
8
Cenizas 0,05
Total
1,42 kg 2,37 kg gas escape
De la tabla anterior se puede deducir:
Se requieren 1.42 kg de O2 por kg de carbono.
Aire requerido por kg de Carbono:
1.42
0.233= 6.09𝐾𝑔
(Teniendo en cuenta que el aire tiene 23.3% de O2).
Nitrógeno asociado:
0.767 X 6.09 = 4.67 Kg
Nitrógeno total en productos:
4.67 + 0.026 = 4.696
Para quemar 1 kg de biomas se requieren:
A/C=6.09/1=6.09 kg de aire estequiometrico
Teniendo un exceso de aire de 10%:
𝐴 𝐶⁄ = 6,09 +10
100 × 6,09 = 6,699 1⁄
Entonces:
𝑁2 = 0,767 × 6.699 = 5,14 𝑘𝑔
𝑂2 = 0,233 × 6,699 = 1,56 𝑘𝑔
11
En productos:
𝑁2 = 5,14 + 0,026 = 5,166 𝑘𝑔
𝑂2 = 1,56 − 1,42 = 0,14 𝑘𝑔
Para los productos de salida, se plantea la siguiente tabla.
Tabla 13. Producto de salida con exceso de aire del 10%
Teniendo un exceso de aire de 20%:
𝐴 𝐶⁄ = 6,09 +20
100 × 6,09 = 7,308 1⁄
Entonces:
𝑁2 = 0,767 × 7,308 = 5,605 𝑘𝑔
𝑂2 = 0,233 × 7,308 = 1,703 𝑘𝑔
En productos:
𝑁2 = 5.605 + 0,026 = 5,631 𝑘𝑔
𝑂2 = 1,703 − 1,42 = 0,283 𝑘𝑔
Para los productos de salida, se plantea la siguiente tabla
Producto masa/kg % masa mol/kg m n=m/M %Vol hu-
medad %Vol seco
CO2 1,76 23,01 44 0,040000 15,325670 17,467249
H2O 0,576 7,53 18 0,032000 12,260536
SO2 0,008 0,1 64 0,000125 0,047893 0,054585
O2 0,14 1,83 32 0,004375 1,676245 1,910480
N2 5,166 67,53 28 0,184500 70,689655 80,567686
Total 7,65
100
Total
humedad 0,261000 100 100
(-) agua 0,032000
Total seco 0,229000
12
Tabla 14. Producto de salida con exceso de aire del 20%
Producto masa/kg % masa mol/kg m n=m/M %Vol hu-
medad %Vol seco
CO2 1,76 21,31 44 0,040000 14,180581 15,995144
H2O 0,576 6,98 18 0,032000 11,344465
SO2 0,008 0,10 64 0,000125 0,044314 0,049985
O2 0,283 3,43 32 0,008844 3,135238 3,536426
N2 5,631 68,19 28 0,201107 71,295402 80,418444
Total 8,258 100
Total
humedad 0,282076 100 100
(-) agua 0,032000
Total seco 0,250076
Teniendo un exceso de aire de 30%:
𝐴 𝐶⁄ = 6,09 +30
100 × 6,09 = 7,917 1⁄
Entonces:
𝑁2 = 0,767 × 7,917 = 6,072 𝑘𝑔
𝑂2 = 0,233 × 7,917 = 1,845 𝑘𝑔
En productos:
𝑁2 = 6.072 + 0,026 = 6,098 𝑘𝑔
𝑂2 = 1,845 − 1,42 = 0,425 𝑘𝑔
Tabla 15. Producto de salida con exceso de aire del 30%
Producto masa/kg % masa mol/kg m n=m/M %Vol
humedad %Vol seco
CO2 1,76 19,85 44 0,040000 13,19296 14,749700
H2O 0,576 6,50 18 0,032000 10,55437
SO2 0,008 0,09 64 0,000125 0,04123 0,046093
O2 0,425 4,79 32 0,013281 4,38048 4,897361
N2 6,098 68,77 28 0,217786 71,83097 80,306846
Total 8,867 100
Total
humedad 0,303192 100 100
(-) agua 0,032000
Total seco 0,271192
13
4 Conclusiones
La Central de Abasto de Villavicencio genera en residuos orgánicos 36,1 toneladas mensuales,
que equivalen a 36.100 Kg, donde se estima el cálculo por día generado de 1203,33 Kg.
El contenido energético de los residuos orgánicos (Biomasa), que son 1203,33 Kg que se
generan por día en la Central de Abasto de Villavicencio, arrojo una estimación energética de
8.749.249 KJ/Kg y en calorías de 2089,84 Kcal/Kg.
El volumen de biogás que se genera entre metano y dióxido de carbono con 1203,33 Kg de
Biomasa para este centro de acopio es de 149,75 m3 de metano y 135,92 m3 de dióxido de
carbono (La cantidad de biomasa generada es la estimada por un día).
Para quemar 1 Kg de biomasa se requiere 6,09 Kg de aire estequiometrico. Con un exceso del
10% de aire es de 6,699 kg de aire estequiometrico, para un 20% es de 7,308 kg de aire y en un
30% es de 7,917 kg de aire.
5 Referencias
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