O biogás, além de metano, contém dióxido de carbono, água sob a forma de vapor e pequenas quantidades de outros gases, os quais são potencialmente nocivos quando queimados em motores de combustão interna. No biogás utilizado para cogeração de energia elétrica e térmica, o conteúdo em vapor – sulfeto de hidrogênio (H2S) e siloxanos – deve ser eliminado por causa da forte ação corrosiva, a ponto de reduzir a vida útil do motor endotérmico (estimada em 80.000 h), com impacto nos custos de manutenção e “paradas do motor”.
A escolha e o dimensionamento dos dispositivos para tratamento do biogás dependem da quantidade a ser tratada, mas, sobretudo, das características do combustível, substancialmente ligadas à biomassa de partida.
As capacidades de biogás nas diversas fases do processo devem ser proporcionais ao consumo do gerador de energia elétrica.
A capacidade de biogás. A quantidade de biogás produzida depende da atividade biológica dos microorganismos e varia conforme o tipo de biomassa introduzida, mas, sobretudo, com as condições de processo. Considerando que o acúmulo do gás nas cúpulas gasométricas colocadas acima dos digestores é capaz de garantir o funcionamento do gerador por 4-8 horas, a alimentação deve mirar uma produção de biogás constante e quantitativamente parecida àquela consumida pelo motor.
Diversamente do que ocorre na fase de fermentação anaeróbica, em que a produtividade pode variar consideravelmente, o assim chamado “consumo padrão” de biogás da parte do motor é praticamente constante no tempo, sendo proporcional ao poder calorífico do combustível e ao rendimento elétrico da central. Por isso, assegurar capacidades o máximo possível constantes é um dos principais objetivos na fase de produção, visando maximizar a produção de energia elétrica.
Se a produção de biogás for superior ao consumo padrão e à saturação do volume estocável no acúmulo (cúpula ou gasômetro), o biogás deve ser forçadamente queimado em tocha, sendo perdido. Dessa forma, é possível optar pela geração de quantidades levemente inferiores, mas, nesse caso, o motor não operará com plena potência, produzindo menos eletricidade e obtendo rendimento inferior ao nominal. Se, entretanto, o biogás produzido for notavelmente inferior ao necessário, é conveniente desligar o motor e enviar o produto para o acúmulo, que, em cada caso, tem o objetivo de mediar os picos de produção e, por isso, reduzir os chamados “períodos de tocha”, assim como o funcionamento de carga reduzida do CHP.
A desumidificação. O biogás é produzido somente a temperaturas >40 °C em relação ao ponto de saturação, com um conteúdo de vapor de água entre 35 e 100 g/m³N. Por causa das altas pressões de injeção dentro da câmera de combustão, esse vapor condensaria, favorecendo rápidas corrosões. Uma desumidificação eficaz melhora o poder calorífico do biogás e a sua combustão. Além disso, o resfriamento do biogás a um nível inferior à temperatura de condensação do vapor comporta uma substancial eliminação do H2S. Impulsionar a desumidificação a até quase 0 °C purifica o biogás com eficácia, de maneira a não poluir o óleo de lubrificação. Todavia, é suficiente chegar a 5 °C, para reduzir o conteúdo de umidade até 5 g/m³N. Na prática, o desumidificador é um trocador de calor seguido por um circuito refrigerador onde o fluido de resfriamento escorre graças a uma bomba específica. Obviamente, há sempre um dispositivo de descarga da condensação. Completam o aparelho o necessário abastecimento elétrico, além de uma linha de afastamento da condensação.
Os desumidificadores. O principal parâmetro do desumidificador para um dimensionamento correto é a capacidade, que não deve ser inferior ao consumo padrão do motor endotérmico. Indicativamente, é possível considerar valores a partir de 100-110 m³/h por CHP de 100 kW até 470-500 m³/h se a potência aumenta a 1 MW. Outros parâmetros são a potência elétrica, o tamanho e a massa do dispositivo, e o salto térmico que é capaz de garantir. A condensação gera quantidades de água não desprezíveis, para as quais é necessário providenciar acúmulo adequado ou prever um uso sucessivo, por exemplo, como matriz diluente dentro do digestor: parte-se de cerca de 5 l/h para fluxos de biogás de 100 m³/h e saltos térmicos de 30 °C, até em torno de 40 l/h para produções de 750 m³/h e uma diferença de temperatura entre entrada e saída de 37 °C.
A dessulfuração. A maioria dos fabricantes de motores recomenda um abastecimento de biogás com concentração de H2S inferior a 90 ppm. Quantidades limitadas de hidrogênio sulfurado também podem provocar a rápida corrosão das partes metálicas internas do motor, uma rápida deterioração do óleo de lubrificação e, no limite, a colagem dos anéis de vedação dos pistões. Além disso, durante a combustão o H2S pode haver emissões prejudiciais de dióxido de enxofre. Dado que o biogás “bruto” geralmente contém entre 150 e 3.000 ppm de hidrogênio sulfurado, é necessária uma ação de depuração, efetuada com processos a úmido ou a seco. No primeiro caso, adota-se a chamada torre de lavagem (o scrubber – veja box), instalada antes da desumidificação, que age graças a reagentes químicos e a um solvente líquido, misturados em um fluido gasoso. No entanto, o método mais simples para eliminar o H2S é a lavagem com água, justamente explorando a sua alta solubilidade em tais condições. Quando, entretanto, se adiciona NaOH à solução, a depuração é ainda mais eficiente.
Embora com a vantagem da simplicidade, o custo dos reativos e do tratamento da água de lavagem reduz a conveniência do tratamento a úmido. Ao contrário, a dessulfuração a seco consiste em fazer o biogás transitar através de uma substância absorvente, por exemplo, à base de óxidos de ferro ou de carvão ativo. Outra possibilidade prevê o uso de um filtro biológico, isto é, um substrato no qual reside uma bactéria (Tiobacillus) capaz de remover o H2S. Nesse caso, a eficiência de depuração depende de porosidade, temperatura, pH, umidade e concentração de H2S na fase gasosa. Para favorecer a atividade desses micro-organismos, é necessário bombear, em modestas quantidades, ar (oxigênio), na central. No caso da digestão de tipo anaeróbico (que ocorre na falta de oxigênio) a produção de metano é reduzida e há consumo parcial pelas bactérias que o exploram como fonte de carbono.
