Aperfeiçoando a produção de Biogás com monitoramento de umidade online

A Umidade no biogás bruto 

O Biogás é produzido por um processo de digestão anaeróbica a uma concentração de 100% de umidade relativa. Antes de ser utilizado, esse gás passa por um tratamento para remoção de Sulfeto de Hidrogênio, Siloxanos e VOCs, além da secagem, dependendo da aplicação a qual será destinada esse gás.

Existem diversas tecnologias que trabalham em conjunto durante todo esse processo produtivo. A purificação do biogás utilizando filtros de carvão ativado é uma das tecnologias usadas para remoção de impurezas do Biogás que é diretamente afetada pela umidade.

Image

Importancia da secagem do biogás antes da purificação 

Antes de passar pelo processo de purificação, o biogás precisa passar por uma etapa essencial: a secagem. O gás úmido é extremamente prejudicial para os sistemas de purificação do biogás, especialmente para aqueles que utilizam filtros de carvão ativado.

A secagem pode ocorrer em sistemas de trocadores de calor, onde o gás é resfriado até aproximadamente 5 °C, provocando a condensação. Nesse processo, a umidade presente é retirada, e o gás é reaquecido antes de ser direcionado para a etapa final de purificação, onde são eliminadas as impurezas remanescentes.

No exemplo da imagem a seguir , temos um caso onde são removidas cerca de 12 gramas de água por metro cúbico a cada hora. Isso significa que, ao final de um dia, são retirados mais de meia tonelada de umidade do ambiente. Ou seja, em um processo onde existam equipamentos sensíveis à umidade, a secagem e retirada da água é essencial para evitar falhas, mostrar se o trocador de calor está funcionando corretamente e para se ter um parâmetro se os equipamentos estão operando com quantidade de umidade suportada, evitando assim o seu desgaste.

Image

Filtros de carvão - Eficiência e umidade

Um estudo, conduzido em laboratório, analisou a influência da umidade na eficiência do sistema e demonstrou que tanto o excesso de umidade quanto um gás extremamente seco afetam negativamente a remoção de H₂S e comprometem a vida útil dos filtros de carvão ativado.
Os resultados do estudo indicam que o processo de secagem deve ser ajustado de forma precisa para atingir o equilíbrio ideal de umidade, evitando danos operacionais e otimizando a eficiência do sistema. Os principais pontos observados incluem:
•    A eficiência da filtragem é fortemente influenciada pelo nível de umidade presente no gás.
•    Altos níveis de umidade não são adequados, pois a condensação pode danificar os filtros, tornando a secagem indispensável.
•    Uma umidade excessivamente baixa reduz significativamente a eficiência do processo.
•    Os resultados mais satisfatórios foram alcançados com níveis de umidade relativa entre 50% e 70%.
•    Em termos de ponto de orvalho, isso equivale a manter uma temperatura entre 8 °C e 10 °C abaixo da temperatura do gás.
•    Processos de secagem muito agressivos também não são apropriados para a remoção eficiente de H₂S.
O estudo reforça a necessidade de um controle rigoroso da umidade, demonstrando que ajustes adequados no processo de secagem são fundamentais para a eficiência da remoção de H₂S e para prolongar a vida útil dos filtros de carvão ativado.

Considerações econômicas do monitoramento de umidade na produção de biogás

Os filtros de carvão ativado são amplamente utilizados como tecnologia principal para a remoção de compostos indesejados no Biogás. Devido ao elevado custo de reposição do carvão ativado, o controle de umidade no processo é essencial para evitar danos aos equipamentos e prejuízos operacionais. Além disso, a ineficiência na filtragem de H₂S pode resultar em custos significativos caso esse composto alcance os motores ou as unidades de upgrade de biometano.
Esses e outros fatores ressaltam a importância de uma gestão rigorosa da umidade nas operações das plantas, contribuindo para a preservação dos equipamentos e a eficiência do processo. 
Além dos filtros de carvão ativado, diversas outras etapas e equipamentos no processo produtivo de biogás podem ser prejudicados pela presença de umidade, como, por exemplo, os motores. Abaixo, estão alguns pontos de atenção quando se trata de umidade em motores:
•    A entrada de água condensada nos motores pode causar sua paralisação total.
•    A interrupção na produção de um motor de tamanho médio (1 MW) pode gerar perdas de até R$ 20 mil por dia.
•    Níveis inadequados de umidade no gás combustível, mesmo sem condensação, prejudicam a lubrificação dos motores, resultando em maior frequência de manutenção.
•    Sem a secagem do gás, o intervalo de troca do óleo do motor pode ser reduzido pela metade, passando de 1.600 horas para 800 horas.
•    Para um motor típico de 1 MW, o aumento nos custos de manutenção devido à má gestão da umidade pode chegar a R$ 80 mil por ano.
Esse panorama reforça a relevância de implementar sistemas eficazes de secagem e controle de umidade nas plantas de biogás, garantindo maior confiabilidade e sustentabilidade econômica das operações.

Umidade e motores CHP

Os motores CHP são equipamentos que podem ser afetados gravemente pela umidade em sua operação. A presença de umidade não apenas afeta a integridade dos equipamentos, mas também impacta diretamente na eficiência e no desempenho operacional do sistema. Além disso, o H₂S, quando não removido adequadamente, juntamente com a umidade, pode tornar-se corrosivo e prejudicar os motores, gerando custos elevados de manutenção e paradas imprevistas. Dessa forma, uma gestão eficiente da umidade e do H₂S no biogás é essencial para prevenir danos ao motor e otimizar o processo como um todo. Abaixo estão os principais pontos que destacam a importância do controle rigoroso desses fatores:
•    O gás seco contém mais energia por volume do que o gás úmido, o que contribui para um melhor desempenho dos motores.
•    Reduzir a umidade em 1% de volume aumenta o conteúdo de calor do gás em 1%, impactando positivamente a eficiência.
•    A condensação no acelerador do motor pode ocorrer devido à mudança de pressão, especialmente quando a umidade está próxima da saturação, prejudicando o desempenho.
•    A condensação nas linhas de combustível ou no motor contraria as especificações dos fabricantes, o que pode comprometer a operação.
•    Alguns fabricantes definem limites rigorosos para o ponto de orvalho e a porcentagem de volume de água, exigindo, portanto, medidas de secagem ativa para garantir o funcionamento adequado.
 

Umidade em sistemas de membrana para upgrade de biogás  

Os sistemas de upgrade de biometano, especialmente os que utilizam membranas para a remoção do dióxido de carbono (CO₂), são sensíveis à presença de umidade. Durante o processo de upgrade, o biogás é inicialmente armazenado e passa por uma secagem com controle rigoroso. Após essa etapa, o gás é comprimido para aumentar sua pressão e permitir a passagem pelas membranas, onde o CO₂ é filtrado. No entanto, a condensação pode ocorrer durante esse processo, prejudicando tanto as membranas quanto a eficiência do sistema. Portanto, é essencial realizar um controle constante do processo e garantir que a umidade seja mantida em níveis adequados para evitar danos ao equipamento e garantir a qualidade do biometano produzido.
Para garantir uma operação eficiente e prolongar a vida útil das membranas, é fundamental monitorar continuamente o processo e controlar aspectos críticos do gás de entrada. A seguir, destacam-se os fatores que devem ser observados para um processo de upgrade de biogás bem-sucedido:
•    O biometano é produzido pela separação e remoção do CO₂ do biogás, deixando o metano quase puro como produto final.
•    O upgrade do biogás usando membranas exige uma pressão de processo superior a 10 bar.
•    O CO₂ recuperado pode ser utilizado em várias aplicações.
•    Se o ponto de orvalho do biogás bruto for elevado, pode ocorrer condensação pós-compressão, mesmo em altas temperaturas. Manter o ponto de orvalho abaixo de 0°C é fundamental para evitar problemas operacionais.
•    A MGP261, um sensor de umidade da Vaisala, mede a concentração de água em ppm de volume ou temperatura de ponto de orvalho, garantindo um controle preciso da umidade.

Medição óptica da umidade  

A medição óptica de umidade é uma tecnologia inovadora e relativamente recente, especialmente para aplicações em biogás. Diferente dos métodos tradicionais, que se baseiam em princípios elétricos, como a variação de capacitância e resistência à presença de água, a medição óptica utiliza o infravermelho para medir a umidade. A Lei de Lambert-Beer é aplicada para realizar essa medição, onde o feixe de luz infravermelha emitido passa através do gás. Quando o vapor d'água está presente, ele absorve uma parte dessa luz, e a quantidade de absorção varia conforme a concentração de umidade no gás.
Essa tecnologia oferece uma medição mais precisa e direta da umidade, permitindo a determinação da concentração tanto em volume (ppm) quanto em percentual de volume, o que proporciona uma compreensão mais detalhada do estado do biogás.

Comparação entre medição optica e instrumentos convencionais

A medição convencional, geralmente realizada em equipamentos extrativos, desconsidera a umidade, medindo o metano e o CO₂ após a extração de amostras de gás. Como resultado, a medição do percentual de volume não é tão precisa, já que a umidade não é considerada diretamente. Em contraste, a medição óptica em base úmida, utilizando um sensor infravermelho, mede a umidade de forma direta, oferecendo dados mais exatos. Essa abordagem também melhora a precisão das medições de CO₂ e metano, resultando em um controle mais eficaz do processo.

MGP260 - Sondas Vaisala para biogás e biometano 

A linha de sondas MGP260 da Vaisala foi desenvolvida para aplicações in situ e medições online, sendo instaladas diretamente na tubulação de biogás. Essas sondas não possuem peças móveis, não requerem a retirada de amostras e realizam medições diretamente no local. Isso resulta em um baixo custo operacional, já que as sondas são autocalibráveis, eliminando a necessidade de calibração frequente ou de técnicos especializados para instalação. A manutenção é simples, limitando-se à troca ou limpeza do filtro da ponta da sonda, com longos intervalos entre as intervenções.
As sondas MGP261 e MGP262 são projetadas para diferentes aplicações, com a MGP262 sendo voltada para o upgrade de biometano, enquanto a MGP261 pode ser usada em diversas áreas dentro da planta. Ambas oferecem excelente precisão e estabilidade, proporcionando medições confiáveis de umidade e gases em biogás.  

A diferença-chave da linha MGP260

A principal inovação da linha MGP260 é a introdução do primeiro sensor in situ 3-em-1 para biogás do mundo. Essa tecnologia oferece:
•    Estabilidade e precisão superiores.
•    Baixo custo operacional.
•    Design compacto e robusto.

Image

Tecnologia CARBOCAP

A linha MGP260 utiliza a tecnologia CARBOCAP, que substitui a lâmpada de incandescência tradicional por um microglow, um componente micromecânico fabricado pela Vaisala. Esse microglow possui uma vida útil superior a 15 anos, baixo consumo de energia, luz estável e uma resposta rápida na inicialização. Essa inovação permite a fabricação de produtos hermeticamente selados com certificação EX, garantindo segurança e durabilidade nas condições exigentes de aplicações em biogás e biometano.

Image

Medições multigás como CARBOCAP:

• O filtro infravermelho é sintonizãvel à base de silício patentado pela Vaisala que permite a medição de vários gases.
• Ao alterar a tensão aplicada ao filtro óptico, o comprimento de onda da passagem de banda pode ser alterado em uma amplia faixa, permitindo detecção de vários gases.

• Ao  medir a umidade junto ao dióxido de carbono e metano, a interferência cruzada entre os gases é removida. 

   

Para saber mais ou solicitar o contato de um especialista Vaisala Clique aqui

Assista ao webinar gravado.