LÍNEA DE INVESTIGACIÓN 3. Desarrollo de

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN 3.
Desarrollo de sistemas de vertido cero para salmueras de desaladoras
mediante la tecnología de evaporación-cristalización y determinación de su
viabilidad técnica y económica
Objeto de la línea de investigación;
Estudiar la viabilidad técnica y económica de los sistemas de evaporacióncristalización como solución al problema de los vertidos de ciertas desaladoras,
en las zonas donde no es posible realizar dicho vertido, siendo necesarias las
tecnologías de vertido líquido cero.
Esto es especialmente interesante para desaladoras en zonas de interior donde
no es posible el vertido, o bien en salmueras que puedan contener
componentes tóxicos o indeseables.
Proceso aplicado
La tecnología de evaporación-cristalización es una tecnología que combina
ambas técnicas para producir un residuo sólido a partir de un efluente líquido.
Se ha utilizado para diferentes aplicaciones, como son la reducción de los
efluentes de;
-
rechazos de tecnologías de membranas
-
purgas de circuitos de refrigeración
-
salmueras de procesos de fabricación (olivas, conservas, aceite)
-
efluentes de lavado de gases en centrales térmicas de carbón o
siderúrgicas
-
efluentes de procesos metalúrgicos
-
otros efluentes de difícil tratamiento, como lixiviados
Un sistema típico industrial de esta tecnología, debería incluir las siguientes
etapas;
Evaporación + Cristalización de sales + deshidratación
A continuación se muestra un esquema típico del proceso industrial:
Figura 1. Esquema típico del proceso industrial
Situación actual del proyecto. Estado de desarrollo
Durante el año 2007 los trabajos realizados básicamente en esta línea de
investigación fueron de recopilación bibliográfica, búsqueda de documentación,
localización de los proveedores existentes en el mercado para este tipo de
tecnología y selección del tipo de planta piloto a instalar.
Durante el año 2008 se adquirió una planta piloto que se instaló en la
desaladora de Cuevas de Almanzora, en las que se han desarrollado diferentes
estudios experimentales durante el año 2009. Al mismo tiempo que la planta
piloto industrial se instaló otro sistema a escala de laboratorio que fue instalado
en primera instancia en la Universidad Complutense de Madrid para su uso en
el proyecto de extracción de sales divalentes de salmueras, que también
incluye una fase de evaporación, y posteriormente se trasladó a la desaladora
de Cuevas de Almanzora para completar los estudios con la primera.
Estos trabajos han sido desarrollados por el personal de SADYT y SACYR,
junto
con
el
personal
investigador
de
las
universidades implicadas,
principalmente la Universidad de Alicante y la Universidad Complutense de
Madrid.
Resultados obtenidos con estudios con planta piloto
Se ha trabajado especialmente en los siguientes aspectos:
-
calidad de las sales obtenidas
-
tipología y tamaño de los cristales obtenidos
-
calidad del agua producida (destilado)
-
posibles problemas de precipitaciones indeseadas en el sistema
-
evaluación del coste de operación
En la actualidad, hay aspectos en los que hay que seguir trabajando para su
mayor desarrollo, que son;
-
estudio de la posibilidad de siembra con cristales para mejora de la
precipitación
-
optimización del consumo de energía y gas
Hay que tener en cuenta que, sin duda, el factor que más incide en la viabilidad
del sistema de evaporación-cristalización es el consumo energético. Con los
equipos disponibles no es posible realizar un estudio de optimización
energética. El consumo energético puede ser claramente minimizado utilizando
evaporadores de múltiple efecto, en los que se aprovecha el vapor generado en
el efecto anterior, cediendo calor para continuar con la evaporación. Añadiendo
efectos se pude llegar a reducir hasta en un 50% el consumo energético, a
pesar de lo cual, éste sigue siendo muy elevado. Disponer de una planta piloto
con múltiple efecto hubiera significado un coste de inversión mucho mayor, ya
que el coste es directamente proporcional al número de efectos, y de hecho no
se habría obtenido mucha más información. Por otra parte, es de sobra
conocido por experiencias previas, el rendimiento energético de los
evaporadores en función del número de efectos, pudiendo ser calculado de
forma teórica. Dentro del abanico de tecnologías de evaporación la más
utilizada para la aplicación de vertido cero es el de compresión mecánica de
vapor, que consigue una disminución importante del consumo energético. No
fue posible disponer de una planta piloto con esta tecnología a la escala a la
que se quería desarrollar el proceso, por lo que se descartó el utilizarla.
Similarmente a lo que ocurre con los sistemas de múltiple efecto el coste de
inversión es mucho más alto, cambiando el orden de magnitud, y como
decíamos es de sobra conocido el consumo energético de todos los tipos de
evaporadores.
Por ello se decidió centrar el estudio en la consecución de los siguientes
objetivos:
-
Estudio de calidad de las sales obtenidas en función del tipo de
salmuera.
-
Caracterización del proceso de precipitación en condiciones reales.
-
Correlacionar el grado de concentración y sales precipitadas
-
Caracterización (tipología y tamaño) de los cristales obtenidos
-
Caracterización del agua producida (destilado)
-
Detectar posibles problemas de precipitaciones indeseadas en el
sistema.
-
Precipitación fraccionada de sales para su aprovechamiento posterior.
-
Evaluación del coste de operación en los sistemas probados
Inicialmente se desarrollaron ensayos de laboratorio en discontinuo y en
condiciones controladas utilizando el mismo tipo de agua que en los
experimentos en planta piloto.
En estas pruebas se comprobó que al realizar la evaporación total de la
salmuera se pueden distinguir 3 puntos claramente diferenciados en los que
cambia la composición de las sales precipitadas mayoritarias:
El primer punto comienza la precipitación del carbonato cálcico, y se
produce para un factor de concentración de 1.3 en el que se ha
evaporado un 23 % del agua presente en la salmuera.
El segundo punto se observa que la sal mayoritaria precipitada es el
sulfato cálcico (yeso), se produce para un factor de concentración de
1.8, con un 44 % del agua inicial de la salmuera evaporada.
En el tercer punto precipita el cloruro sódico (sal común), con un factor
de concentración entre 11 y 27, y cuando se ha evaporado un 96 % del
agua inicial de la salmuera.
A partir de un factor de concentración de 67 comienzan a precipitar las
sales de potasio y magnesio, queda un 99 % del agua inicial.
Se pueden obtener 6-7 g de CaSO4 x 2 H2O por litro de salmuera evaporada y
unos 17 g de NaCl por litro de salmuera.
Ensayos con planta piloto I.
La planta piloto tiene una capacidad de evaporación de 7 L/h. Trabaja en
régimen continuo, y en condiciones de vacío, de forma que la temperatura de
evaporación está en un rango de 45-55 ºC. Funciona con el principio de bomba
de calor; con este equipo es posible la recuperación y reutilización del
destilado, cuya conductividad es inferior a 70 µS/cm. El sistema es
energéticamente más eficiente que la evaporación-cristalización convencional
(planta piloto II), ya que aprovecha el calor que cede el vapor al condensarse
para el proceso de evaporación. Es un proceso que se utiliza a nivel comercial
para plantas de pequeño tamaño, donde el coste energético no es la variable
fundamental.
El consumo energético fue de unos 0.9 kWh/kg, con un coste final estimado de
0.095 €/kg salmuera evaporada.
La producción de sales en las primeras etapas es de unos 10 g/L salmuera
evaporada.
Ensayos con Planta piloto II
Se trata de una planta de evaporación-cristalización de simple efecto de
alimentación continua. El control de esta planta se realiza de forma que el
caudal del alimento y la presión en el evaporador, son función de la
temperatura en el evaporador, y por lo tanto del flujo de calor aportado por el
intercambiador, siendo por tanto función del calor disponible. La capacidad
teórica de la planta es de 100 L/h, aunque en los experimentos realizados se
ha trabajado con un caudal de aproximadamente 70 L/h. El evaporador es tipo
flash, funcionado en condiciones de vacío, lo que permite evaporar en un rango
de temperatura de 40 -60ºC.
La composición de la salmuera de alimentación resultó bastante variable (hasta
un 7 % respecto a la conductividad y un 40% respecto al contenido en calcio),
debido a que la desaladora que la produce puede abastecerse de diferentes
pozos con distintos tipos de agua.
El problema que presentó esta planta es que, debido a su gran tamaño, fue
necesario un tiempo bastante largo para que llegara a régimen estacionario.
Así, la conductividad en el cristalizador aumentó durante el experimento
aproximándose hasta un valor asintótico de unos 188 mS/cm, valor que
alcanza a partir de los 12 m3 de salmuera evaporada, que corresponde con
unas 180 horas de funcionamiento continuo.
La temperatura en el cristalizador es unos 5 ºC inferior a la del evaporador, lo
que favorece la precipitación de las sales.
La conductividad en el evaporador fue ligeramente superior (de 2 a 5 mS/cm)
que la del cristalizador, que puede deberse al efecto de eliminación de sales en
disolución al haber precipitado.
Se ha encontrado una relación lineal entre la conductividad y la densidad de la
solución concentrada.
La sal que mayoritariamente precipita a lo largo de los experimentos realizados
es CaSO4 * x H2O (x = ½ ó 2), debido tanto al bajo producto de solubilidad de
esta sal como a la propia composición de la salmuera tratada.
No se llegó a alcanzar la saturación del NaCl o al menos esta sal no llegó a ser
la mayoritaria en ninguna de las muestras analizadas, aunque sí se encuentra
un pequeño porcentaje de NaCl en las sales precipitadas (aprox. 2 - 4% w.)
que va aumentando a lo largo del experimento. Esto puede deberse a la mayor
concentración de cloruro sódico en la solución que baña las sales.
Los cristales con forma prismática están formados de CaSO 4. En la Figura 2 se
muestran imágenes al microscópio electrónico de diferentes muestras de sales
analizadas. El detalle se expone en el Anejo 5.
El coste para evaporar la salmuera en este evaporador con la caldera de vapor
alimentada por propano es aproximadamente de 0.099 €/kg de salmuera
evaporada.
Figura 2. Fotos ampliadas de los diferentes tipos de estructuras encontrados en
diferentes muestras de sales. A: Aglomeración de esferas en S2. B: Sal con
forma esférica en S3.C: Aglomeración prismas con sales ‘disueltas’ por la
superficie en S4. D: Prisma en S2.
Aspectos a desarrollar del proyecto
Una de las conclusiones principales del estudio experimental con las plantas
piloto es el alto coste energético de los procesos de evaporación/cristalización.
El uso de otras tecnologías de evaporación, con evaporadores más eficientes,
aprovechamiento del calor de condensación, inclusión de múltiple efecto,
tecnologías de compresión de vapor, térmica o mecánicamente (ampliamente
desarrolladas comercialmente), podría hacer disminuir sensiblemente el
consumo energético, a costa de un incremento importante del coste de
inversión. En cualquier caso, el consumo energético en el mejor escenario
posible (correspondiente a compresión mecánica de vapor) se sitúa alrededor
de 30 Kwh/m3.
Por este motivo se ha comenzado a estudiar la posibilidad de utilizar fuentes
energéticas renovables, en concreto energía solar. Además de la mejora
medioambiental que supone no consumir combustibles fósiles, se conseguiría
una reducción en el coste de operación de la planta, a osta de un mayor coste
de inversión.
En este sentido se han realizado un estudio de viabilidad técnica y económica
de la integración de la energía solar en sistemas de concentración de
salmueras.
En primer lugar se realizó un estudio de “estado del arte” sobre la aplicación a
la evaporación de salmuera de la Energía Solar Térmica (Anejo 6), que realizó
personal de SADYT, en el que se repasaban las diferentes opciones
tecnológicas que se podrían aplicar a un problema concreto, dimensionando los
sistemas captadores, y los evaporadores, y comparando con otros sistemas
más económicos como solar still (destilador solar) o solar pond (balsas de
evaporación de salmuera/balsas de concentración de energía térmica)
Se realizó un pre-dimensionamiento para evaporar un caudal de salmuera de 5
m3/d, utilizando diversas tecnologías de aprovechamiento de energía solar. Los
resultados se resumen en la tabla siguiente.
Tabla 1. Resumen de superficie necesaria con diferentes tecnologías de
aprovechamiento de energía solar para sistemas de evaporación
[1] (€/m2)
2
€ Totales
Sistemas de energía solar
Área (m )/N de colectores
Colectores CPC
658,64/559
[2] 343,75
191.871
GDV
977,84/ 280
[2] ---------
-----------
Estanque solar (Solar Pond)
1887,5
[1] 21,5
40.581
Destilador Solar (Solar Still)
985,89
[1]
14.295
[2] (€/colector)
14,5
Este trabajo sirvió de base para plantear un nuevo estudio más profundo, que
se subcontrató al Centro Tecnológico de Energía y Medio Ambiente de la
Región de Murcia (CETENMA), en el que se profundizó en el estado del arte y
se estudiaron diferentes opciones técnicas de tratamiento de salmuera
mediante energía solar de concentración. Las principales conclusiones son
las siguientes:
Las propuestas técnicas para el tratamiento de salmuera mediante energía
solar de concentración, tras una búsqueda y recopilación de información sobre
tecnología de concentración de salmuera y tecnología solar térmica de
concentración para integración en dicho tratamiento, son:
a. Sistema de concentración de salmuera mediante evaporador de 3
efectos y cristalizador (ME-CF), cuya demanda energética es
suministrada por un campo solar de captadores cilindro-parabólicos
(CCP), con agua-vapor como fluido de trabajo, a una presión de
entrada a planta de concentración de 2 bar.
b. Sistema de concentración de salmuera mediante evaporador de 3
efectos y cristalizador integrando un sistema de termocompresión
para recuperar parte del vapor producido en el último efecto del
evaporador (ME+TC+CF), cuya demanda energética es suministrada
por un campo solar de CCP, con agua-vapor como fluido de trabajo,
a una presión de entrada a planta de 6 bar.
c. Sistema de concentración de salmuera mediante ME-CF, cuya
demanda energética es suministrada por un campo solar de
captadores lineales Fresnel (CLF), con agua-vapor como fluido de
trabajo, a una presión de entrada a planta de 2 bar.
d. Sistema de concentración de salmuera mediante evaporador de 3
efectos y cristalizador integrando un sistema de termocompresión
para recuperar parte del vapor producido en el último efecto del
evaporador (ME+TC+CF) cuya demanda energética es suministrada
por un campo solar de captadores lineales Fresnel (CLF), con aguavapor como fluido de trabajo, a una presión de entrada a planta de 6
bar.
Tras el estudio de las 4 variantes, se considera al sistema de concentración de
salmuera
mediante
evaporación-cristalización
con
termo-compresión
(ME+TC+CF) con aporte de energía térmica mediante campo solar con
captadores de concentración Fresnel (CLF), como la solución más viable
económicamente.
Este estudio es una primera aproximación al tratamiento de salmuera mediante
sistemas de concentración evaporación-cristalización, cuya fuente de energía
es la potencia aportada por un campo solar de captadores de concentración.
Para una mayor exactitud, es necesario realizar una simulación de la
producción anual del campo solar, además de un estudio exhaustivo del
sistema de cristalización. Se debería completar con un estudio experimental
con planta piloto combinando el sistema de generación de vapor mediante
sistema de concentración solar y sistema de evaporación cristalización.
El gran desarrollo de las tecnologías termosolares para producción de energía
eléctrica puede mejorar en el futuro próximo la viabilidad económica de esta
combinación.
Hay que tener en cuenta que las plantas termosolares para producción de
energía eléctrica son uno de los principales focos de producción de salmuera
en zonas de interior, ya que precisan importantes caudales de agua
desmineralizada para el proceso. Además, en el proceso de producción de
energía eléctrica, se produce un cierto exceso de energía térmica, que podría
ser utilizada en el proceso de evaporación/cristalización de la salmuera
generada.
Por todos estos motivos se pretende abordar en profundidad el estudio de la
combinación de la tecnología termosolar para producción de vapor con
sistemas de evaporación/cristalización, línea de investigación que se pretende
emprender en los próximos meses.
Resultados y Conclusiones LÍNEA DE INVESTIGACIÓN 3.
Sistemas de evaporación-cristalización
Las conclusiones más importantes del proyecto son;
- la tecnología de evaporación-cristalización a priori parece ser viable
económicamente solo si va asociada a algún sistema de recuperación
de calor o vapor residual, ya que el proceso tiene un elevado consumo
energético
- es necesario optimizar el proceso para un menor consumo de
combustible
Se han realizado varios estudios en la planta piloto para determinar la viabilidad
de esta tecnología (Evaporación-cristalización) para la eliminación de
salmueras. En estos estudios se han determinado las distintas variables que
afectan al proceso, así como la composición de las sales extraídas en función
de los parámetros de operación. Es necesario continuar con estos estudios y
profundizar en los aspectos económicos del proceso (consumo de energía,
fundamentalmente)