avances en el estudio de caracterización, mercados y

AVANCES EN EL ESTUDIO DE CARACTERIZACIÓN, MERCADOS Y DEPOSICIÓN DE CENIZAS DE
CARBÓN OBTENIDAS A ESCALA LABORATORIO, DE LA FUTURA CENTRAL TÉRMICA DE RÍO TURBIO
Caballero Alba 1L., Quiroga Elisa S1., Aguirre Yamila2.
1Carreras de Minería y Energía. Universidad Nacional de la Patagonia Austral. Unidad Académica Río Turbio.
2. Carrera del Profesorado en Gestión de las Organizaciones y Licenciatura en Administración de Empresas
CONTEXTO
Investigaciones previas realizadas por integrantes del
grupo dentro de la línea temática “Estudios del
medioambiente” en la Universidad Nacional de la
Patagonia Austral (UNPA) Unidad Académica Río
Turbio (UART) son:
•
•
•
•
•
2009-2010) Proyecto semilla AL-09-PID 16
“Estudios preliminares de la Deposición final y
Uso en materiales de construcción de las
Cenizas volantes de la Nueva Central Térmica
de 240 Mw de Río Turbio”. Lugar de
radicación del proyecto: Escuela Técnica
Superior de Ingenieros de Minas (ETSIM) de la
Universidad Politécnica de Madrid (UPM).
Madrid-España.
2008-2009 PI 20/C033”Evaluación del Impacto
Físico de Pasivos Ambientales de la Actividad
Minero Industrial en Río Turbio. Güer Aike.
Santa Cruz”. Radicado en la Unidad Académica
Río Turbio.
(2007-2008).
PI
29/C026
-“Valoración
Cuantitativa del Impacto Minero Industrial del
Carbón en un Curso de Agua- Caso del Arroyo
San José de Río Turbio. Santa Cruz. Radicado
en la Unidad Académica Río Turbio.
2006-2007. “Análisis ambiental del efluente
líquido de una planta depuradora de carbón.
Posibilidades técnico-económicas de solución.
Efectuado en el marco del
Proyecto de
Especialización en Ingeniería Ambiental de Ing.
Alba Lucía Caballero.
Relevamiento y diagnóstico de chatarra y
depósitos al aire libre. Yacimiento Río Turbio.
(2005).
RESUMEN
La futura Central Térmica de Río Turbio (CTRT) que
usará carbón como combustible, tiene previsto comenzar
a funcionar en los próximos años consumiendo
aproximadamente 1.200.000 t de carbón anual. Como
residuo sólido de dicha combustión se generarán
aproximadamente 437.000 t de cenizas, de las cuales el
55% serán cenizas volantes:
Estudios preliminares realizados en relación al uso de las
cenizas volantes obtenidas por combustión del carbón de
Río Turbio, permitió definir que las mismas pueden ser
usadas en la Fabricación de Cementos Portland Tipo II
(mixtos) categorías A y B según normas Españolas
(UNE).
La presente línea de investigación apunta a continuar los
estudios realizados en relación al uso de las cenizas
volantes de la futura Central, caracterizando las obtenidas
mediante la combustión del carbón con el agregado de
piedra caliza, condición ésta que simula la forma de
operar de la nueva central.
Así mismo se pretende evaluar las posibilidades de
consumo del mercado de estas cenizas a fin de definir a
partir del remanente, el lugar y forma más apropiada,
para su deposición.
Palabras clave: uso de cenizas-combustióndeposición- materiales de construcción
1.
INTRODUCCIÓN
La producción de energía eléctrica en centrales
termoeléctricas que emplean carbón como combustible
origina fundamentalmente dos tipos de residuos:
a) Cenizas volantes: polvo fino de partículas
principalmente de forma esférica y cristalina, procedentes
del carbón pulverizado quemado, las cuales poseen
propiedades puzolánicas. Las mismas están compuestas
fundamentalmente de SiO2 y Al2O 3 y se obtienen por
precipitación mecánica o electrostática del polvo en
suspensión comprendido en los gases que proceden de la
combustión. Constituyen el mayor porcentaje de cenizas.
b) Cenizas de hogar: partículas más gruesas que caen al
fondo y suponen un porcentaje menor al de las cenizas
volantes. La cantidad de residuos depende de la calidad
del combustible, del poder calorífico del mismo y del
contenido de azufre así como del grado de desulfuración
y de los aditivos que se utilicen.
La utilización de las cenizas pueden dividirse en un
sentido amplio, en aplicaciones en forma bruta o
aglomerada. En el primer caso se utiliza para la
construcción de caminos, vías férreas y como material de
pavimentos, relleno de minería y aditivos para el suelo.
En el segundo caso el mejor y más amplio destino de las
cenizas volantes es en la industria de la construcción:
Fabricación de cementos, hormigones, cerámicos o áridos
ligeros. Uno de los usos principales y más importantes
de las cenizas volantes es la fabricación de cemento, ya
que supone un importante ahorro energético y
económico.
La cantidad de ceniza volante que se agregan al cemento
terminado es variable y está condicionada por el tipo de
cemento que requiere el mercado. El agregado de ceniza
mejora una serie de propiedades según el tipo de
cemento: permite obtener morteros y hormigones de una
elevada impermeabilidad, bajo calor de hidratación y una
buena resistencia a aguas agresivas, aumenta
considerablemente la retención de agua, proporcionan a
los hormigones y a los morteros una gran plasticidad y
facilitan la manejabilidad. (Rodríguez Santiago Jesús,
1988. Molina Bas O.I y otros, 2008.Barluenga Badiola,
2008.).
Molina Bas O. I., et al determinaron la influencia de las
cenizas volantes como sustituto parcial del cemento
Portland en la durabilidad del hormigón: propiedades
físicas, difusión del ión cloruro y del dióxido de carbono
(2008), como así también “La influencia de las
propiedades del cemento portland en la difusión de
agentes agresivos en hormigones con cenizas volantes”.
(2009).
Para la fabricación de cemento portland es necesario
tener en cuenta una serie de factores limitantes: la
humedad debe ser menor del 5%, el contenido en SiO2
será mayor de 25%, el contenido en CaO menor del 10%
y el contenido en SO3 menor al 3,5%. En la fabricación
de hormigón las cenizas volantes pueden actuar de dos
formas:
1) Elemento activo sustitutivo del cemento: permite
disminuir la cantidad de cemento, reduce la generación
de calor y consigue que la fisuración superficial sea
menor. Además logra que la segregación de los áridos sea
menor, disminuye la exudación, es más resistente al
ataque de los sulfatos del agua de mar y lo hacen mucho
más trabajable. Uno de los inconvenientes del hormigón
con adición de cenizas es la lentitud del fraguado, lo cual
supone un problema si se necesita que el endurecimiento
sea rápido.
2) Elemento inerte sustitutivo de los áridos: para sustituir
parte de los áridos se emplean las cenizas en bruto, bien
en seco o en húmedo. En este caso, más importante que
la composición es la finura ya que de esa forma
aumenta la plasticidad de los hormigones y la resistencia
mecánica en las mezclas pobres de cemento portland, se
logra además disminuir la porosidad de los hormigones
evitando así la segregación.
Otro tipo de árido son “Los Áridos ligeros” que se
obtienen a partir de cenizas volantes sinterizadas siendo
las más aptas aquellas que poseen elevado contenido de
carbón. Las características del árido dependerán del
proceso de fabricación y de la temperatura de
endurecimiento. Este tipo de árido tiene forma
redondeada y gracias a su superficie rugosa y a su
porosidad se adhieren muy bien al mortero con cemento.
Tienen propiedades puzolánicas mayores a las de las
cenizas sin sinterizar y pueden emplearse en la
fabricación de hormigón aislante bajo cubiertas, rellenos,
elementos prefabricados, hormigón estructural, etc. En el
caso de fabricación de hormigón estructural y bloques
prefabricados de hormigón se disminuye el peso propio
de los edificios pero la resistencia del hormigón y su
durabilidad a igual cantidad de cemento, es menor.
3) Otro tipo de Uso es el de la fabricación de ladrillos
cara vista donde se sustituye parte de la arcilla plástica
por las cenizas, aunque se está estudiando el uso de las
cenizas como materia prima única llegando a
proporciones del 90%. Las ventajas principales son:
menor cantidad de agua de amasado, mayor velocidad de
secado, cocción más rápida y menor porosidad. No
obstante existen algunos inconvenientes: los ladrillos
tienen una menor resistencia, mayor absorción, menor
resistencia al hielo-deshielo pueden presentar problemas
de eflorescencias. Además es necesario controlar la
temperatura de cocción, ya que la calidad de los ladrillos
se ve afectada al descender dicha temperatura.
En países con gran tradición minera, las mezclas de
cenizas volantes son usadas para la estabilización de
antiguas explotaciones mineras. La utilización de cenizas
volantes en la restauración de minas a cielo abierto y
canteras supone aproximadamente un
40% de la
producción en la Unión Europea y alrededor de un 2% es
almacenado para su futuro uso.
Gracias a los avances tecnológicos y a la investigación
surgen nuevos productos y aplicaciones (Paul F.
Ziemkiewicz and Jeff Skousen, 2000). Recientemente se
han obtenidos resultados satisfactorios con respecto a la
inmovilización y estabilización de lodos de plantas de
tratamientos de aguas residuales, polvos de fundición de
acero, lodos de hidróxidos de la industria galvánica y en
residuos industriales. También se ha estudiado la
recuperación de metales a partir de cenizas volantes.
Por tanto, la posibilidad de procesar las cenizas volantes
para convertirlas en productos de interés para mercados
específicos es hoy una realidad. Este aprovechamiento no
solo representa una oportunidad única de mercado, sino
una necesidad dado el impacto ambiental que se deriva
del almacenamiento indiscriminado de estos residuos.
El aislamiento completo se consigue mediante barreras
impermeabilizantes/absorbentes, normalmente multicapa.
Con ello lo que se pretende es confinar los lixiviados
para que los mismos puedan ser tratados en forma
separada.
Entre los estudios realizados específicamente para las
cenizas del carbón de Río Turbio se puede mencionar los
resultados obtenidos mediante la “Caracterización de las
cenizas del carbón bruto y depurado procedentes de la
combustión a escala laboratorio”, sin agregado de caliza
(Ramos A. et al).
En la República Argentina los procedimientos
ambientales de las centrales térmicas convencionales, su
construcción y operación están normalizados por la
Resolución SSE Nº 149/90 (Manual de gestión
Ambiental de Centrales Térmicas Convencionales de
Generación Eléctrica), modificada por Resol SE Nº
154/93 y 182/95 para aplicación al sector privado.
En la provincia de Santa Cruz, los procedimientos
ambientales están regulados por la ley 2658 de
Evaluación de Impacto Ambiental mientras que la
generación manipulación, transporte, tratamiento y
disposición final de residuos peligrosos están regidos por
la ley provincial N° 2567.
Entre las conclusiones más importantes se determinó que:
“Los contenidos de óxidos determinados permiten inferir
el uso de las cenizas volantes para la fabricación de
cemento portland II (mixto) en categorías A y B (Normas
Españolas- UNE).
Como el CEM II/A puede tener un contenido de ceniza
entre un 6 % al 20 % y el CEM II/B entre un 21 % a 35
% se puede estimar la cantidad de estas categorías de
cemento que se pueden fabricar mediante el
aprovechamiento de las cenizas:
§
§
CEM II/A: 4 Mt – 1,15 Mt
CEM II/B: 1,15 Mt – 0,69 Mt
Tal como se infiere de estos primeros ensayos, si se
destinaran las cenizas para la fabricación de cemento de
acuerdo a la Norma UNE, habrá un excedente de cenizas
importante. Por tal motivo y teniendo en cuenta ya sea
que la cantidad de ceniza a ser reutilizada no sea
absorbida por el mercado, o bien que las características
de las mismas no permita un aprovechamiento
significativo; la producción de este material debe ser
almacenada en depósitos apropiados con características
adecuadas desde el punto de vista paisajístico y
ambiental.
Al realizar un depósito es necesario considerar dos
aspectos: el aislamiento del suelo, y de la atmósfera. En
el primer caso se trata de impedir la infiltración de los
lixiviados o su dispersión por escorrentía. Para ello se
trata de impermeabilizar el suelo mediante la realización
de un diseño y uso de materiales adecuados para que el
mismo sea duradero y efectivo. Los materiales
impermeabilizantes pueden ser sintéticos (plásticos: PVC
de alta densidad), naturales (arcillas especiales, que
produzcan un máximo efecto impermeabilizante y
desorción de los posibles lixiviados) y materiales mixtos.
Las características fisicoquímicas de las cenizas
determinarán si se realiza un recubrimiento más o menos
natural o mediante un impermeabilizado completo. El
primer caso se aplica cuando no hay materiales
lixiviables nocivos por lo que el suelo permite la entrada
y salida del agua de lluvia.
2. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
Los ejes en los que se centra esta investigación son
fundamentalmente tres:
•Caracterizar las cenizas obtenidas por combustión del
carbón bruto de Río Turbio, mediante el agregado de
proporciones variadas de carbonato de calcio, a fin de
definir si las concentraciones en óxidos de Silicio,
Calcio, Aluminio. Férrico y de Magnesio presentes,
responde a las especificaciones para usos en materiales
de construcción. Así mismo definir el tipo y porcentaje
de metales pesados presentes a la fecha.
•Evaluar, en forma preliminar, el volumen y las
posibilidades de colocación de las cenizas en el mercado
local y/o regional.
•Establecer el lugar y forma más apropiada para realizar
la deposición de las cenizas teniendo en cuenta las
características de lixiviados y el impacto paisajístico.
•Analizar
la factibilidad de construcción de uncombustor
piloto con material de rezago que emule las condiciones
del lecho fluidizado de la central.
3.
RESULTADOS OBTENIDOS/ESPERADOS
Se ha realizado un muestreo de frentes de depuración
nuevos incluyéndose también muestras de galerías en
preparación. La obtención de las cenizas de dichas
muestras fueron realizadas a menor temperatura que las
obtenidas en los estudios preliminares (2009 Ramos, et
al) y actualmente están siendo analizadas a las
temperaturas en las que se estima trabajará el lecho
fluidizado. El propósito, es abarcar rangos de
temperaturas y calidades de alimentación que pudieran
darse en la realidad.
Los valores obtenidos en el último muestreo serán
comparados con los de las mismas muestras
combustionadas a temperatura del lecho fluidizado y con
las de un segundo muestreo a realizar en octubre del
corriente año mediante un análisis estadístico. Por tal
motivo no se puede sacar conclusiones definitivas de un
solo ensayo.
Por lo que respecta al análisis de demanda de materiales
de construcción se ha analizado la demanda de cemento
Portland de los últimos años discriminado por provincia
en donde la provincia de Santa Cruz representa el 1,16%
del total del país en el año 2011 y el 1,28% en el primer
semestre de 2012. Si se tiene en cuenta la región
Patagónica (Tierra del Fuego, Santa Cruz, Chubut, Río
Negro y Neuquén) el porcentaje de consumo asciende a
7,76% en el año 2011 contra 24,97% del Gran Buenos
Aires y el 7,84% contra el 25,85% del Gran Buenos
Aires en el primer semestre de 2012. Por lo cual el
porcentaje de consumo de la Región Patagónica respecto
del Gran Buenos Aires (mayor porcentaje de consumo
del país) es 3,3 veces menor. Pero, si al análisis anterior
lo comparamos con el consumo per cápita1 los resultados
son inversos, pues el liderazgo lo tiene la provincia de
Chubut con 544 kg. anuales (2011), seguido por Santa
Cruz con 476 kg. anuales; y sumando el consumo por
persona de la región patagónica se obtiene un valor de
2072 kg. anuales contra 283 kg. anuales del Gran Buenos
Aires; entonces la primera tiene un consumo per cápita
13,6 veces mayor que la segunda.
En consecuencia para abastecer el mercado interno, las
industrias deben garantizar dichos porcentajes de
consumo, y para ello se debe recurrir en primera instancia
a la producción del principal componente del cemento, el
clinker, el cual puede ser obtenido a partir de la ceniza en
función de su composición.
No obstante para que se pueda llevar a cabo alguna de
estas alternativas existe una restricción: las grandes
distancias a recorrer desde Río Turbio hasta los centros
de producción más cercanos. En tal sentido se está
analizando una serie de alternativas de transporte y de
costos: transporte a partir del ferrocarril de la empresa
YCRT, traslado en barcos, costo-beneficio social,
posibilidades de instalar cementera, o fábricas de
bloques, precio de mercado del cemento, costo de
producción del clinker, entre otras variables.
1
Fuente: Asociación de Fabricantes de cemento
portland.
Finalmente y por lo que respecta a la deposición de
cenizas, tema éste de una tesis de maestría incluida en el
proyecto. Se ha realizado a fines del año pasado un
reconocimiento de posibles zonas de deposición
propuesta por el Tesista, Ingeniero Héctor Tornese, quien
realizó el reconocimiento de tres zonas propuestas
divididas en diez estaciones georeferenciadas. El plan de
trabajo fue realizado en conjunción con dos geólogos
provenientes de la Escuela de Minas de la Universidad
Politécnica de Madrid (ETSIM-UPM) y como resultado
se presentó una memoria descriptiva donde figura un
análisis geomorfológico de las nueve estaciones
recorridas.
Como acción posterior se ha adquirido un mapa a escala
de la mina a fin de definir durante la época invernal los
sitios ambientalmente más convenientes a analizar.
4. FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS
El equipo de Investigadores incluye dos investigadores
categoría V y dos de categoría IV ( CONEAU) estando
integrado por cuatro profesionales jóvenes que se inician
en la investigación y que por lo tanto aún no han entrado
en ninguna convocatoria de categorización . Esto último
constituye una fortaleza del equipo en relación a la
capacidad de formación de nuevos recursos humanos,
puesto que a fin de paliar la falta de profesionales con
categorías 1, 2, o 3, se ha recurrido a la figura de Asesor
Científico en la persona del Dr. Alberto Ramos Millán de
la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Minas de la
Universidad Politécnica de Madrid (ETSIM-UPM), a
quien la Secretaría de Ciencia y Tecnología ( SECyT) le
otorgó por sus antecedentes, una categoría equivalente a
2(dos- CONEAU). Así mismo y teniendo en cuenta la
necesidad de profesionales geólogos, se incorporó como
integrantes al Dr. Ing. Geólogo Jorge Costafreda
Mustellier, “Especialista en tecnología de áridos”
(ETSIM- UPM) y al Dr. en Cs. Geológicas Domingo
Martín Sánchez (ETSIM-UPM) quien además de integrar
el equipo, es codirector de tesis del Ing. Héctor Tornese.
Los estudios preliminares relacionados al presente
proyecto se iniciaron en la UPM en la Convocatoria de
proyectos Semilla y actualmente el mismo se haya
radicado en la Universidad nacional de la Patagonia
Austral- Unidad Académica Río Turbio, identificado
como PI 29/C044.
5. BIBLIOGRAFÍA
Barluenga Badiola G. “Técnica del Hormigón y sus
aplicaciones”. Curso 2007-2008. EUAT. Campus de
Guadalajara. Universidad de Alcalá. (2007-2008).
Beltramini L, Suárez M y otros. “Aprovechamiento de
Residuos de la depuración del Carbón Mineral:
Obtención de Adiciones Puzolánicas para el cemento
portland. Revista tecnología y Ciencia. Universidad
tecnológica Nacional – Año 1 N° 2. Págs. 7 a 18. (2009)
Molina Bas O. (2008) “La influencia de las cenizas
volantes como sustituto parcial del cemento Portland en
la durabilidad del hormigón. Tesis Doctoral. Escuela
Técnica Superior de ingenieros de Caminos, Canales y
Puertos. Universidad Politécnica de Madrid. (2008).
Molina Bas O. I., Moragues Terrades A., Gálvez Ruiz J.
C. (2008).# La influencia de las cenizas volantes como
sustituto parcial del cemento Portland en la durabilidad
del hormigón: propiedades físicas, difusión del ión
cloruro y del dióxido de carbono”http://oa.upm.es/3885/
Molina Bas O., Antón Fuentes R.,, Moragues Terrades A.
y Gálvez Ruiz J. C.(2009) “La influencia de las
propiedades del cemento portland en la difusión de
agentes agresivos en hormigones con cenizas volantes”.
http://academic.uprm.edu/laccei/index.php/RIDNAIC/arti
cle/viewFile/216/229
Rodríguez Santiago Jesús. “El empleo de las cenizas
volantes en la fabricación de hormigones”. Revista de
obras públicas. Págs.. 663 a 676. (1988).
Segovia M, Hillar P, Zocco C Y Otros. “Estudio para el
aprovechamiento de residuos de la explotación de carbón
de Río Turbio en el ámbito de la Ingeniería Vial”.
Memorias del tercer encuentro PROCQMA, CórdobaArgentina, 21 y 22 de abril de 2005: Publicado en CD
ISBN 950-42-0055-9, (2005).
Ziemkiewicz P. and Jeff Skousen.
“Use of coal
combustion Products for Reclamation”. Green Lands
magazine. Primavera del 2000.
Resolución SSE Nº 149/90 - Manual de gestión
Ambiental de Centrales Térmicas Convencionales de
Generación Eléctrica, modificada por Resol SE Nº
154/93 y 182/95 para aplicación al sector privado.
Ley 2658 de Evaluación de Impacto Ambiental
Ley provincial N° 2567.