Procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos.

Procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de gas de vertedero de residuos sólidos urbanos. El proceso integra dos fases diferentes: depuración del biogás de vertedero y reformado de metano.

Procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos. El proceso integra dos fases diferentes: depuración del biogás de vertedero y reformado de metano.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los solicitantes de la presente invención no han encontrado procedimientos completos de obtención de hidrógeno a partir de gas de vertederos urbanos, aunque sí parte de las etapas individuales que componen el procedimiento de la invención.

La depuración de biogás, es conocido. Este proceso suelen contener etapas de eliminación de amoníaco, azufre, dióxido de carbono, humedad y compuestos orgánicos volátiles. Los agentes para la desulfuración habituales son compuestos químicos.

En la solicitud de patente TW200728212-A titulada "Anaerobic hydrogen fermentation system, comprises anaerobic fermentation system for fermenting biomass and producing methane, and reformer for reforming it to hydrogen gas", se describe la fermentación anaeróbica, como solución para producir metano procedente de biomasa.

En la patente estadounidense con número de publicación US7575907 se describe la producción de hidrógeno y metano obtenido por fermentación biológica de sustratos orgánicos.

En cuanto a la catálisis del proceso de reformado, la literatura también ofrece diversos estudios, tales como el publicado por Xu et al., en la revista International Journal of Hydrogen Energy, 34 (16): 6646-6654 Sp. lss. SI AUG 2009, y cuyo título es "Biogas reforming for hydrogen production over nickel and cobalt bimetallic catalysis".

También se encuentra publicado el trabajo titulado "Hydrogen from biogas through steam reforming followed by water gas shift reaction and purification with selective oxidation reaction", desarrollado por Takahasi, J y Young, BA, publicado en Greenhouse gases and animal agriculture, proceeding: 275-279, 2002.

Conviene destacar que en ninguno de los citados trabajos, se utiliza el gas que espontáneamente se genera en los vertederos de residuos urbanos, mediante un tratamiento integrado depuración-reformado.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

Los inventores han desarrollado un procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos con una eficiencia global de producción de un 93%. Se alcanza una transformación total del metano inicial y parcial del monóxido de carbono producido en la etapa de reformado.

El procedimiento de la invención contempla unas etapas iniciales de recuperación y purificación del metano, a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos. En la última etapa, se transforma el metano en hidrógeno, mediante reacciones químicas llevadas a cabo con catalizadores. La eliminación en las etapas iniciales de trazas de diversos compuestos tales como amoniaco, siloxanos, compuestos orgánicos volátiles y sulfuro de hidrógeno, es necesaria para el funcionamiento óptimo de los catalizadores que permiten la generación del hidrógeno a partir del metano.

En el procedimiento de la invención, la depuración del biogás se realiza combinando, de forma secuencial, una serie de etapas que permiten aislar el metano del resto de componentes con un grado de pureza adecuado para su alimentación en un reactor de reformado. Las etapas iniciales previstas para la depuración del biogás de vertedero previas a la alimentación de la unidad de generación de hidrógeno, permiten aislar el metano del resto de los componentes inertes, logrando por tanto reducir el contenido de contaminantes que afectan a la actividad de los catalizadores a los niveles de partes por millón (ppm) de sulfuro de hidrógeno y compuestos orgánicos volátiles, como por ejemplo, el tolueno (C6H5(CH3).

Las citadas etapas son: lavado ácido, para disminuir el contenido de amoníaco presente en el biogás, biodesulfuración en presencia de un microorganismo, para conseguir reducir el

contenido de azufre, eliminación de CO2, para eliminar el dióxido de carbono, eliminación de la humedad, y filtración, para eliminar compuestos orgánicos volátiles y siloxanos.

Por lo tanto, la presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos que comprende las etapas de:

(1) lavado ácido del biogas;

(2) biodesulfuración en presencia de un microorganismo;

(3) eliminación de C02;

(4) eliminación de la humedad;

(5) filtración y;

(6) reformado de metano.

El procedimiento de la invención consiste en la obtención de una materia prima de alto valor comercial, hidrógeno, a partir de residuos sólido urbanos que se encuentran en vertederos. El procedimiento de la invención ofrece un importante beneficio medioambiental. Se basa en la valorización del biogás y en la reducción de la emisión de gases perjudiciales, esto es, gases que contribuyen al efecto invernadero (dióxido de carbono y metano, fundamentalmente), gases que contribuyen a la destrucción de la capa de ozono y/o gases que contienen sustancias tóxicas para los seres vivos (compuestos orgánicos volátiles, siloxanos, sulfuro de hidrógeno y amoniaco, fundamentalmente).

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Como se ha dicho arriba la presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos que comprende las etapas de:

(1) lavado ácido del biogás;

(2) biodesulfuración en presencia de un microorganismo;

(3) eliminación de C02;

(4) eliminación de la humedad;

(5) filtración y;

(6) reformado de metano.

El término "biogás" como se utiliza aquí se refiere a una mezcla de gases que se genera a través de la actividad biológica de los microorganismos en los residuos biodegradables,

depositados en los vertederos. Las bacterias del medio degradan la materia orgánica de los residuos, la cual se transforma en compuestos más elementales. Esta descomposición se produce en varias etapas que se pueden agrupar en dos fases principales: fase aerobia y fase anaerobia. La fase aerobia es la etapa inicial de degradación. En ella se consume el oxígeno del aire contenido entre los residuos. Su duración no se prolonga más allá de los dos meses desde la deposición del residuo. Conforme el oxígeno disponible se agota, se comienzan a producir la fase anaerobia. En una primera etapa, se generan, fundamentalmente, ácidos grasos y dióxido de carbono (fase ácida del proceso anaeróbico). Pasados de 1 a 2 años, comienza la etapa conocida como metanogénesis, durante la cual, se generan metano y dióxido de carbono como gases principales. La fase anaerobia se puede extender durante un período que puede superar 30 años. Cuando la generación de biogás alcanza las condiciones estacionarias, su composición se encuentra enriquecida en metano, con una concentración comprendida entre 40-65% v/v. Además, contiene cerca del 45% de dióxido de carbono, entre otros compuestos químicos tales como nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles. A modo orientativo, un metro cúbico de biogás se produce a partir de unos 5-10 Kg de residuos con un 50% de materia orgánica, de la que resulta una mezcla de gases compuesta por un 40-65% de metano, 40-60% de dióxido de carbono, 2- 5% de nitrógeno, 1% de oxígeno, pequeñas cantidades de amoníaco y monóxido de carbono, y cantidades traza de otros constituyentes (compuestos orgánicos volátiles, compuestos halogenados, sulfuro de hidrógeno y siloxanos).En términos generales, de todo el gas generado, dependiendo de la eficacia de los sistemas de captación, entre un 50% y un 80% está disponible para su recogida. De esta cantidad, un 60% está disponible durante los 10 primeros años, un 35% en los siguientes 10 años y el resto, en el plazo posterior, de 20 a 30 años.

El procedimiento de la invención es adecuado para la recuperación de metano presente en el biogás de vertedero con independencia de los contenidos de amoníaco, sulfuro de hidrógeno y compuestos orgánicos volátiles presentes. Como es sabido, las concentraciones de estos constituyentes pueden variar ampliamente de unos vertederos a otros. Entre los factores que influyen en las citadas concentraciones, se destacan: la composición de los residuos (porcentaje de materia orgánica biodegradable, la humedad, la presencia de nutrientes o inhibidores), el sistema de gestión del vertedero (grado de compactación, mezcla, recirculación de lixiviados, sellado,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para la obtención de hidrógeno a partir de biogás de vertedero de residuos sólidos urbanos que comprende las etapas de:

(1) lavado ácido del biogas;

(2) biodesulfuración;

(3) eliminación del C02;

(4) eliminación de la humedad;

(5) filtración y;

(6) reformado de metano.

2. Procedimiento para la obtención de hidrógeno según reivindicación 1 que comprende después del paso de (6) de reformado de metano una etapa (7) de desplazamiento del gas de agua.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2 caracterizado porque la etapa

(1) de lavado ácido del biogás se realiza con ácido sulfúrico.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3 caracterizado porque el pH 20 de la etapa (1) de lavado ácido del biogás se lleva a cabo a un pH comprendido entre 2.0

y 5.0.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el paso

(2) de biodesulfuración comprende a su vez las etapas de poner en contacto el biogás 25 que contiene sulfuro de hidrógeno con sulfato de hierro (III) para dar azufre y sulfato de

hierro (II) y recuperación del sulfato de hierro (III) al poner en presencia de un microorganismo el sulfato de hierro (II).

6. Procedimiento según la reivindicación 5 caracterizado porque el microorganismo es 30 Acidithiobacillus ferrooxidans.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-6 caracterizado porque la etapa (3) de eliminación de C02 se realiza mediante un lavado alcalino.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el paso (4) de eliminación de la humedad se realiza a una temperatura comprendida entre 4°C y -18°C.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque el paso

(5) de filtración se lleva a cabo en presencia de carbón activado.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la etapa 6) de reformado de metano se lleva a cabo en presencia de un catalizador de

níquel soportado sobre alúmina y en presencia de vapor de agua.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 caracterizado porque la etapa 6) se lleva a cabo a una temperatura comprendida entre los 600°C y los 900°C.

12. Procedimiento según reivindicación 11 caracterizado porque la temperatura está

comprendida entre los 675°C y 725°C.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 caracterizado porque la etapa 7) se realiza en presencia de dos catalizadores distintos dispuestos en serie, el

primer catalizador es un catalizador de Fe-Cr y la reacción se lleva a cabo a una temperatura comprendida entre los 350°C y los 475°C, y el segundo catalizador es un catalizador de Cu/Zn y la reacción se lleva a cabo a una temperatura comprendida entre 200°C y 250°C.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

ESPAÑA

N.° solicitud:

Fecha de presentación de la solicitud: 28.02.2013 Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

© lnt.CI.: C01B3/38 (2006.01)

B01D53/00 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

Documentos citados

Reivindicaciones

afectadas

X

PETERSSON, A y WELLINGER, A. Biogas upgrading technologies- developments and innovations. IEA Bioenergy [en linea], Octubre 2009 [recuperado el 22-07-2013], Recuperado de internet: http://www.iea-bioaas.net/ download/publ¡-task37/upgrad¡na rz low final.pdf . Páginas 6-11

MURADOV N et al. Hydrogen production by catalytic processing of renewable methane-rich gases. International journal of hydrogen energy, 2008, Vol. 33, N°8, páginas: 2023 - 2035. Resumen, 1. Introducción, 2. Parte experimental.

WO 2008000388 A1 (BIOMETHAN NEW GMBH ET AL.) 03/01/2008, Páginas 1-3.

MESA et al. Biological ¡ron oxidation by acidithiobacillus ferrooxidans in a packed-bed bioreactor. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly. Vol. 16, N°2, páginas 69-73. Resumen e introducción.

1, 8, 9

2-7, 10-13

2, 10-13

3, 4

5, 6

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia

Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica

O: referido a divulgación no escrita

P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud

E: documento anterior, pero publicado después de la fecha