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  1. «PROGRAMA CURSO FORTALECIMIENTO INSTITUCIONAL SISTEMAS DE BIODIGESTIÓN» II.- Diseño, Dimensionamiento y Construcción de Sistemas de Biodigestióno Abril 2013

  2. Diseño, Dimensionamiento y Construcción de Sistemas de Biodigestiónogás • Temario • 2.5 .-Aspectos Geográficos y de ubicación del biodigestor • 2.6.- Selección del Tiempo de Retención Hidráulico • 2.7.- Cálculo del Volumen del Biodigestor • 2.8.- Metodologías para el cálculo de la producción de biogás • 2.9.- Obra Civil (Excavación, cálculo del talud adecuado, compactación, formación de coronas) • 2.10.- Diseño de tuberías de conducción de influentes, efluentes y biogás • 2.11.- Instalación de Geomembrana en Biodigestores (Principios, Tecnologías y Operación) • 2.12.- Diseño de quemadores de biogás y filtros de retención de H2S • 2.13.- Sistemas Auxiliares (Separador de Sólidos, Agitadores, Fosa de Mezclado)

  3. ASPECTOS GEOGRÁFICOS Y DE UBICACIÓN DEL BIODIGESTOR • Aspectos Geográficos • Depende de la ubicación del agronegocio • Las condiciones geográficas inciden en la temperatura • La temperatura incide en los procesos de degradación de los sólidos volátiles y la producción del biogás.

  4. ASPECTOS GEOGRÁFICOS Y DE UBICACIÓN DEL BIODIGESTOR • Restricciones para la Ubicación del Sitio • Evitar la cercanía de aeródromos de servicio público o aeropuertos. • No ubicarlo dentro de áreas naturales protegidas. • Se deberá instalar a una distancia mínima de 500 m de cualquier núcleo poblacional. • No ubicarlo en zonas de marismas, manglares, esteros, pantanos, humedales, estuarios, planicies aluviales, fluviales, recarga de acuíferos, zonas arqueológicas, fracturas o fallas geológicas.

  5. ASPECTOS GEOGRÁFICOS Y DE UBICACIÓN DEL BIODIGESTOR • Restricciones para la Ubicación del Sitio • La distancia con respecto a cuerpos de aguas superficiales con caudal continuo, lagos y lagunas, debe ser de 500 m como mínimo. • Se deberá localizar fuera de zonas de inundación. • La distancia entre el límite del sistema y cualquier pozo de extracción de agua, deberá ser de al menos 500 m. • El manto freático o aguas subterráneas, deberán encontrarse a una profundidad de al menos 7 metros, para asegurar una distancia mínima entre estas y el fondo del biodigestor de al menos 3 metros.

  6. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR • Cálculo del volumen del biodigestor • El volumen de operación nominal, estará basado en dos parámetros: • La tasa de carga diaria de sólidos volátiles (VS) por 1000 m3 • El tiempo de retención hidráulica mínima (TRH) adecuada para alcanzar el 60% de destrucción de los sólidos volátiles • Aplicar el que sea mayor

  7. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR • La tasa máxima de carga diaria de sólidos volátiles (Kg VS/1,000 m3/dia)

  8. CALCULO DEL TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA El HRT mínimo se selecciona entre los valores listados en el mapa

  9. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR • Cálculo del volumen del biodigestor • Considerar la relación existente entre el flujo volumétrico del influente (carga orgánica) y el tiempo de Retención determinado. • El volumen del digestor debe ser igual al volumen del material a degradar, multiplicado por el tiempo de retención necesario y un volumen adicional para el almacenamiento del biogás, que puede ser el recomendado y comúnmente utilizado en diseño de reactores, el cual indica un 20% adicional al volumen de operación.

  10. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR Ejemplo: • Material: 10 m3/día de estiércol fresco • Disolución: 1:9 • Material a biodegradar: 100 m3 • Tiempo de digestión: 30 días • Volumen: 100 x 30 = 3,000 m3 • El volumen adicional para el gas (20 a 30%) en el caso de tipo laguna cubierto, lo da la geomembrana.

  11. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR Para realizar el proyecto técnico-ejecutivo, el cálculo se debe de efectuar de acuerdo a los resultados obtenidos de pruebas de laboratorio. Diseñar por: • Tiempo de digestión • Cargo orgánica aplicada al sistema.

  12. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR En el primer caso se obtiene, mediante la expresión: Volumen del Biodigestor = θ x Q Ó Tiempo de digestión (θ) = V/Q Donde: θ = Tiempo de digestión en días V = Volumen del digestor (m3) Q = Cantidad diaria de estiércol suministrada al digestor (m3/d.).

  13. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR En el segundo caso se obtiene, mediante la expresión: Carga (kg. SV/ m3 d.) = Q. So V Donde: So = Concentración de SV en el estiércol (Kg./ m3) SV = Sólidos volátiles Q = Cantidad diaria de estiércol suministrada al digestor (m3/d.). V = Volumen del digestor (m3)

  14. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR En el segundo caso se obtiene, mediante la expresión: Carga (kg. SV/ m3 d.) = Q. So V Donde: So = Concentración de SV en el estiércol (Kg./ m3) SV = Sólidos volátiles Q = Cantidad diaria de estiércol suministrada al digestor (m3/d.). V = Volumen del digestor (m3)

  15. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR Ejemplo de cálculo: No de Cerdos: 5000 animales Producción de estiércol : 3.55 Kg/animal – día Cantidad de estiércol total (Kg/día) = 5000 x 3.55 = 17,750 Kg/día Densidad del estiércol: 961 Kg/m3 Volumen de estiércol total = 17,750/961 = 18 m3/día

  16. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR Ejemplo de cálculo: Disolución: 1:9 Volumen de material a biodegradar: 18/0.1 = 184.7 m3/día Tiempo de digestión: 30 días Volumen del biodigestor = 30 x 184.7 = 5,541.1 m3 Volumen de seguridad = 20% Volumen final del biodigestor = 5,541.1 x 1.2 = 6,649.32 m3

  17. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR Ejemplo de cálculo: Disolución: 1:9 Volumen de material a biodegradar: 18/0.1 = 184.7 m3/día Tiempo de digestión: 30 días Volumen del biodigestor = 30 x 184.7 = 5,541.1 m3 Volumen de seguridad = 20% Volumen final del biodigestor = 5,541.1 x 1.2 = 6,649.32 m3

  18. CALCULO DEL VOLUMEN DEL BIODIGESTOR • Cálculo del volumen del biodigestor • El dimensionamiento geométrico del sistema se calcula a partir del volumen total del biodigestor, • Utilizando la ecuación con la que se estima el volumen de un cuerpo geométrico de forma trapezoidal (pirámide invertida).

  19. METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A) De manera general, para determinar la producción de biogás, se podrá utilizar la siguiente ecuación*. Donde: Yv = Producción diaria de metano por volumen de influente l/l. VS = Concentración de Sólidos Volátiles Totales (TVS) en g/l de influente por día. Bo = Ultimo rendimiento de metano, l/g de TVS en % R = Tiempo de retención en días. M= Velocidad máxima de crecimiento microbiano t-1 (µmax). K = Parámetro cinético relacionado al consumo de sustrato (adimensional). • *Que recomienda el Panel Intergubernamental de Cambio Climático, en su documento “2006 IPCC GuidelinesforNationalGreenhouse Gas Inventories

  20. METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS B).- Utilizar el resultado del análisis cuantitativo de Carbono Orgánico Total. • Las variables involucradas: • COU = Carbono Orgánico Utilizable [=] mg/L • ᵖbio= Densidad del biogás [=] kg/m3 • VI = Volumen de Influente [=] m3 • RS = Relación de Agua en Función a los Sólidos [=] Partes • COI = Carbono Orgánico Utilizable capaz de convertirse en biogás, presente en el Influente [=] kg • VBM = Volumen Máximo de Biogás [=] m3

  21. METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS • Se deberá de realizar la estimación del volumen del influente • Considerar el volumen del agua requerida por el proceso de limpieza y traslado al biodigestor • Utilizar ese dato en la siguiente ecuación: • COI = COU VI • El Volumen de Producción de Biogás Máximo (VBM) se estima de acuerdo a la ecuación que a continuación se indica: • VMB = COI/ ᵖbio

  22. METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS • C).- Utilizar La metodología MDL que determina las emisiones en TCO2e/año y despejar el biogás. • By= ((UFb )(B0LT)(NLTy)(VSLTY)(MS%BLJ))/%CH4 • Donde: • By = Biogas producido anual (m3/año) • UFb= Factor de corrección del modelo para calcular el modelo de incertidumbre (0.941) • B0LT= Pot de prod. max. de metano de sólidos volatiles generados por tipo de animal (m3 CH4/Kg) • NLTy= Promedio anual de animales tipo LT en el año • MS%BLJ = Fracción de manejo de estiércol en la línea base del sistema de manejo de estiércol por animal • %CH4 = Porcentaje de contenido de metano en el biogás

  23. METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Análisis para vacas, considerando factores de Norteamérica, tomados de las tablas 10A-4 a 10A-9, del volumen 4 de la Guía para inventarios nacionales de gases de efecto invernadero.

  24. METODOLOGÍAS PARA EL CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Análisis para vacas, considerando factores de Norteamérica, tomados de las tablas 10A-4 a 10A-9, del volumen 4 de la Guía para inventarios nacionales de gases de efecto invernadero.

  25. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Geometría del biodigestor tipo laguna Tipo pirámide trunca invertida CUBIERTA

  26. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • Antes de iniciar cualquier actividad, se recomienda realizar un estudio de mecánica de suelos que debe contener al menos: • La capacidad de carga del suelo • La estratigrafía del subsuelo • Cálculo para la estabilidad de taludes • Sondeos del subsuelo, no menores a 10 m, para la determinación del nivel del manto freático. • Lo anterior permite conocer el tipo de suelo para la excavación

  27. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • También se deberá determinar : • Desnivel del último registró a la tubería de influente. • Para ahorrar energía y si el sitio lo permite, se utilizarán desniveles para aprovechar la gravedad ( considerar como mínimo el 1% de desnivel). • ·

  28. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • Excavaciones • Se deberá iniciar a construcción con los trazos y nivelaciones del terreno y líneas de influente y efluente. • En caso de ser necesario, se deberá localizar el banco de material, lo mas cerca posible al sitio de excavación • Se recomienda excavar por capas , con un máximo de hasta 3 m. • El material retirado se deberá acarrear a sitios ubicados a no mas de 1,500 m

  29. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • Calculo de Taludes • El talud de las paredes del biodigestor deberá de ser 1:3 y no mayor de 1:1 para la colocación de geomembrana. • Si los taludes aumentan a 1:1 las paredes se volverán inestables aun teniendo una compactación del 80% proctor; • Si es menor de 1:3 por el espacio que se requerirá. • Se recomienda que el talud interno del digestor sea de 1:1.5 y el exterior de 1:2.

  30. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) Calculo de Taludes 1 1 1 1 1.5 3

  31. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • Compactación de plantillas y taludes • La plantilla se deberá compactara mediante bailarinas. Cuadrando perfectamente en ángulos de 90 grados. Sin ningún tipo de bordo o piedra para evitar problemas en la colocación de liner.

  32. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • Compactación de plantillas y taludes • La parte superior del digestor estará cuadrado sin hacer medios círculos en las esquinas para mejor calidad en las uniones de liner y evitar mayor merma en el plástico. • Los taludes se compactaran mediante medios manuales, mojando la superficie, compactándola con barras de acero y cepillando con rastrillo para pavimentos dejando la superficie sin bordos o piedras que puedan lastimar la geomembrana en su colocación.

  33. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS)

  34. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • La corona • Tendrá una compactación del 85% al 90% proctor, • Se dará el compactado mediante bailarinas. • El ancho será de un mínimo de 3.5 mts (libre de tuberías, registros, salida de gas, etc.,) a cada lado para el transito de maquinaria.

  35. OBRA CIVIL (EXCAVACIÓN, CÁLCULO DEL TALUD ADECUADO, COMPACTACIÓN, FORMACIÓN DE CORONAS) • Zanja perimetral para anclaje de la Geomembrana • A un metro de distancia del inicio del talud, con un ancho de 50 cms y 90 cms de profundidad • Ahogada en concreto de f`c = 150kg/cm2, con un espesor de 40 cms. • Se rellenara con tierra producto de la misma excavación y se compactara con medios mecánicos.

  36. DISEÑO DE TUBERIAS DE CONDUCCIÓN DE: INFLUENTES EFLUENTES BIOGÁS

  37. De especificaciones técnicas (influente y efluente) La tubería del influente será instalada para conectar el tanque de mezclado con la entrada de alimentación del biodigestor. La tubería será dimensionada en función a las características: • Gasto diario del influente (m3/hr, l/hr). • De acuerdo a propiedades: • Termodinámicas, • Físicas, • (Tamaño de partículas), Cálculo del diámetro de la tubería, para permitir el flujo deseado en el diseño del biodigestor.

  38. El material de la tubería será PVC, cedula 40”. • Deberá contar con un registro que permita verificar el flujo y proporcione acceso al interior de la tubería en caso de taponamientos. • Cuando la instalación de la tubería, requiera de cambios de dirección, no se deberá colocar codos mayores a 45°. • Si fuera necesario hacer giros de 90°, se deberán colocar dos codos de 45°, con una separación de 50 cm como mínimo entre cada codo (caídas de presión).

  39. Se deberá hacer un registro, en cada desviación o conexión, fabricado de 1m x 1m x 1m de block pulido en el interior, con base de concreto y deberá contar con una tapa de concreto de f`c = 150 kg/cm , en dos hojas para su fácil manejo para la supervisión. • La instalación de la tubería se deberá colocar dentro de una zanja sobre una cama de arena nivelada perfectamente, con una pendiente mínima del 1% • Se protegerá y se rellenará la zanja con material producto de la excavación para la protección de la tubería. y como acabado final se realizará una adecuada compactación.

  40. La conexión de la tubería con la geomembrana o sistemas de soporte deberán ser impermeabilizadas con el mismo material de la geomembrana para lograr su fijación y sellado. • Para asegurar el sello hidráulico dentro la laguna del digestor, la tubería deberá de tener una inclinación necesaria, la cual es posible hacer poniendo un tubo con una inclinación de 45°, en la parte final, colocándolo 1 metro por debajo del espejo del fluido.

  41. De especificaciones técnicas (biogás) • La tubería se debe seleccionar con el espesor de pared suficiente para soportar la presión de diseño del digestor, y en su caso, resistir cargas externas previstas. • Cada componente de la tubería deberá de ser diseñada para resistir las presiones de operación y las características termodinámicas del gas, a efecto de que estas operen adecuada y eficientemente en el momento de máxima demanda de biogás. • Para el caso de las tuberías de conducción de biogás, en específico por el contenido de metano que tendrá el sistema, se considerará lo establecido en el apartado 5.1 de la NOM-003-SECRE-2002.

  42. Como referencia, la tubería de conducción de biogás será de PVC, polietileno de alta densidad, polipropileno o cualquier otro material que resista la corrosión con RD 26 o equivalente en diámetros de 3” a 12” dependiendo del volumen de biogás. • Dependiendo del material de estas tuberías, se seguirá lo establecido en los lineamientos considerados en la NOM-003-SECRE-2002, para cada uno de estos materiales. • El diámetro de la tubería también estará en función de la distancia a recorrer desde el punto en el que se origine el biogás hasta el punto en el que se la dará el uso final.

  43. Se deben instalar soportes adecuados que garanticen la inmovilidad de la tubería y en zonas con alto flujo de personal o equipo se deben instalar tuberías subterráneas con la debida señalización. • Se deberán identificar la tubería con color amarillo e indicar el sentido del flujo del biogás. • Se deberán instalar trampas de humedad para remover el agua en todos los puntos bajos o tiros verticales de tubo de conducción de gas.

  44. De especificaciones técnicas (biosólidos) • Se deberá instalar la tubería de extracción de sólidos, para remover el material sedimentado en el interior del digestor debido al proceso, para evitar que se llegue a azolvar y que disminuya el volumen de operación del biodigestor. • Se localizará a 60 cm de profundidad sobre la corona y a 1 m del inicio del talud. Será de tubería PVC hidráulico de céd 40.

  45. Correrá paralelamente a la pared interior del biodigestor llegando a la plantilla para poder extraer los sólidos de la parte inferior. • Todas las tuberías de extracción de sólidos estarán desplantadas en la plantilla sobre soportes que no dañen la geomembrana de la base. • Sobre la corona se dejará una conexión roscada para la colocación de una bomba de preferencia eléctrica, con una capacidad de acuerdo al volumen de lodos a extraer.

  46. Para el bioproceso (digestión anaerobia en digestores tipo laguna) Objetivos del Diseño de Tuberías: • Diseñar sistemas de transporte de cierta cantidad de algún fluido desde el punto fuente hasta el destino deseado con las especificaciones de los conductos, válvulas, accesorios y sistema de bombeo adecuado. • Especificar el tamaño deseado de las tuberías o tubos para transportar una tasa de flujo de un fluido a una velocidad especifica.

  47. Definir: • El tipo de fluido que circula. • El propósito del sistema. • La clase de conducto o tubo que se emplea y el material con que esta hecho. • El tamaño del conducto o tubo y sus eventuales cambios. • Cualquier cambio en la elevación del fluido. • Información acerca de la presión en el fluido en cualquier punto.

  48. Cómo determinamos el flujo volumétrico, másico y en peso: Q = Flujo volumétrico (=) m3/s • Q = (A)() Donde: A = Área de la sección (Tubería) (=) m2  = Velocidad promedio del flujo (=) m/s M = Flujo másico (=) kg/s • M = ()(Q) Donde:  = Densidad del Fluido (=) kg/m3 W = Flujo en peso (=) N/s • W = ()(Q)  = Peso Especifico del Fluido (=) N/m3

  49. Ecuación de Continuidad: • 1 A1 1 = 2 A2 2