CAPÍTULO 3: SECADO TÉRMICO CONVENCIONAL

CAPÍTULO 3:
SECADO TÉRMICO CONVENCIONAL
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SECADO TÉRMICO CONVENCIONAL
3.1 INTRODUCCIÓN AL SECADO TÉRMICO
En el proceso de secado térmico se elimina el agua libre y parte del agua capilar que
permanece en el fango tras la deshidratación mecánica. El agua intracelular y
molecular es más difícil de extraer, y requiere mucho más energía que el necesario en
procesos convencionales de secado térmico. Por lo tanto el producto final seco todavía
contiene un cierto porcentaje de agua (típicamente del 1 al 3%).
Durante proceso de secado térmico el fango experimenta diversos cambios
estructurales, distinguiéndose las siguientes etapas:
-
Etapa de ebullición libre (hasta el 40%), durante la cual la estructura y la
circulación del lodo siguen siendo estables.
-
Etapa plástica (del 40 hasta el 60%), durante la cual el lodo llega a ser muy
pegajoso y difícil de manejar, ya que se apelmaza y bloquea los sistemas de
desplazamiento por el interior del secadero.
-
Etapa granular (desde el 60 al 80%), durante la cual el lodo comienza
espontáneamente a formar gránulos. Sin embargo, durante esta etapa el lodo
puede seguir siendo algo pegajoso.
-
Etapa de endurecimiento (a partir del 80%), durante la cual el lodo se va
endureciendo alcanzando la dureza final del producto. En esta etapa, si el lodo no
es conducido convenientemente, se produce polvo debido al desgaste.
Figura 3.1 Composición típica de un fango previamente deshidratado
En la figura 3.2 se muestra la variación de la energía necesaria en el proceso de
secado en función de la sequedad del fango, observándose mayores consumos de
energía cuando el fango atraviesa la fase plástica, también llamada fase pastosa.
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a) Necesidad del secado térmico en los fangos de depuradora
Los fangos de depuradora contienen los cuatro tipos de agua (libre, capilar, coloidal e
intracelular) y preferentemente los dos últimos. Por esto, el secado es básicamente a
alta temperatura. El secado térmico como tal, no es un método de tratamiento final de
lodos de depuradora, sino un proceso intermedio que permite:
a) Reducir de volumen del lodo.
b) Concentrar los compuestos para su posterior valorización y aumento del poder
calorífico.
c) Estabilizar (en caso de que el secado sea completo).
d) Pasterizar (en caso de que el secado sea completo).
Desde el punto de vista de la gestión de residuos, el secado térmico facilita la
valorización del lodo. Debido a la estabilización después de un secado completo
(fracción de sólidos > 90%), el lodo se puede almacenar fácilmente largos períodos de
tiempo y puede ser transportado largas distancias. Por otra parte, se pueden valorizar
los sólidos secos como fertilizantes (uso agrícola) o combustible (combustible "verde").
Después de un proceso de secado parcial (fracción de sólidos < 90%), el producto
seco ni es estable, ni pastoso. Esto limita las rutas finales a la incineración inmediata y
al vertido controlado. Un lodo del 65% tiene un poder calorífico similar a la fracción
orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU). En este caso, la vía más
apropiada de valorización del lodo es la combustión conjunta. Hoy, la experiencia
industrial de la combustión junto con la FORSU es muy limitada.
Figura 3.2 Cambios estructurales del fango durante el proceso de secado
b) Calidad física de las partículas secas
Debido a las nuevas vías de valorización, adquiere una gran importancia la calidad
física de las partículas del lodo seco en lo que hace referencia a la dureza, densidad a
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granel y el tamaño de las mismas. Es importante que el producto seco contenga una
cantidad mínima de polvo debido principalmente a las siguientes razones:
-
Al ser orgánico, el polvo seco del lodo es explosivo.
El almacenamiento del polvo conlleva riesgos más elevados de ignición e incendio
que el almacenamiento de partículas.
La manipulación del lodo seco con alta concentración de polvo provoca un impacto
ambiental negativo y causa problemas de salubridad al personal que lo manipula.
El producto final granulado debe ser por tanto suficientemente duro para que en el
transporte, manipulación y mezcla no se produzcan niveles excesivos de polvo. La
densidad a granel, directamente relacionada con dureza de las partículas, debe ser tan
alta como sea posible, facilitando el almacenamiento y transporte del producto.
En la valorización del lodo como fertilizante agrícola, los granos deben tener tamaños
entre 1 y 5 milímetros y una densidad a granel mínima de 650 kg/m³, comparable a los
fertilizantes industriales de baja densidad a granel.
3.2 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DEL SECADO TÉRMICO DE FANGOS
Existen en el mercado diversos sistemas de secado térmico de fangos provenientes de
depuradoras. Muchos de los sistemas propuestos tiene su origen en tecnologías de
sectores industriales diversos como: minería, auxiliar de construcción, alimentación,
industria de la madera, etc., y por tanto su concepción no estaba originalmente
destinada al secado de lodos. Muchos de estos sistemas han demostrado ser
inadecuados para el secado del lodo por diversas razones como por ejemplo:
-
Problemas de seguridad.
Riesgo de incendio y explosión.
Problemas de impacto ambiental: olor, polvo.
Problemas de abrasión y corrosión.
Ineficacia energética.
Escasa flexibilidad ante la variación de las características de los lodos.
Producto final de mala calidad.
Antes de resumir los aspectos tecnológicos más relevantes de los diferentes sistemas
de secado térmico de lodos, se realiza una primera clasificación de los mismos con
objeto de definir la terminología específica de estos sistemas y de agrupar los
sistemas con patrones de funcionamiento similares.
3.2.1 Clasificación de los procesos de secado térmico convencional
Aunque existen muchos criterios para establecer una clasificación de los sistemas de
secado térmico, se resumen a continuación los sistemas de secado clasificados de
acuerdo con los siguientes criterios:
- En función de la transición del lodo a través de la fase pastosa.
- Según el sistema de transferencia de calor del medio calefactor al lodo.
- Secado/Granulación en un solo paso o secado y posterior granulación.
- Secado parcial o secado completo.
- Temperatura de secado.
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Los sistemas objeto de estudio son solamente procesos de secado continuos ya que a
escala industrial raramente se utiliza el secado discontinuo para el secado de lodos.
a) En función de la transición de la fase pastosa
Se pueden distinguir tres tipos de secaderos: con fase pastosa, con recirculación de
fango seco y con acondicionamiento previo del lodo.
- Con fase pastosa
El lodo se introduce en el secadero y es forzado a atravesar la fase pastosa mientras
que se seca. Esto puede provocar problemas ya que el fango se apelmaza y bloquea
los sistemas de desplazamiento en el interior del secadero. Este problema suele
acontecer cuando el fango alcanza un 50% de sequedad, al poco tiempo de entrar en
el secadero. El proceso de la granulación, aunque sigue siendo posible, es más difícil
de controlar. Este método genera una fracción elevada de polvo siempre que la
fracción de sólidos a la salida del secadero exceda del 80%.
Los sistemas que trabajan con fase pastosa son los secaderos de capa fina y los de
cinta o banda.
- Con recirculación de fango seco
Para evitar la fase pastosa, la mayoría de los sistemas recurren a la recirculación. En
estos sistemas el lodo seco al 90% se mezcla con lodo húmedo antes de introducirse
en el secadero, obteniéndose un lodo con un contenido en sólidos del 65%. La fase
pastosa deja así de ser un problema en el interior del secadero. Sin embargo, teniendo
en cuenta que la mayoría de los secaderos necesitan recircular casi el 80% del fango
seco, se genera un trasiego importante de fango seco con los correspondientes
problemas adicionales de desgaste y consumo energético. En algunos casos, la
mezcla facilita la producción de un producto granulado siempre que en la mezcla se
consiga que una capa delgada de lodo húmedo cubra las semillas de lodo seco.
Los secaderos con recirculación de fangos son los secaderos de tambor rotativos, los
de disco, de bandeja y algunos de lecho fluido.
- Con acondicionamiento previo del lodo
En estos sistemas el lodo, antes de introducirse en el secadero, es sometido a un
proceso previo de acondicionamiento que puede consistir en la extrusión, granulación
o atomización del mismo. Mientras que los gránulos de lodo se secan desde el exterior
al interior de las partículas su forma normalmente permanece inalterable. Estos
sistemas están comercialmente mucho menos extendidos que los sistemas anteriores.
Un ejemplo de acondicionamiento previo de fangos se presenta en algunos secaderos
de lecho fluido.
b) Según la transferencia de calor
A escala industrial se utilizan dos métodos de transferencia de calor: convección y
conducción, distinguiéndose según este criterio los siguientes tres tipos de secaderos:
por convección o directo, por conducción o indirecto y mixtos.
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- Secado por convección o directo
En los secaderos directos o por convección el lodo es calentado por contacto directo
con el fluido caliente (aire, gases de escape, vapor sobrecalentado, etc). Normalmente
manejan un gran caudal de fluido caliente, lo que conduce generalmente a sistemas
en circuito cerrado (Figura 3.3). En cualquier sistema de protección ambiental y
especialmente, en los tratamientos de residuos es imprescindible que las emisiones
sean mínimas. Un sistema de secado sólo debe descargar fango seco y agua,
procedente de la condensación del agua eliminada. Debido al funcionamiento del
secadero, el sistema se evacua parte del aire de trabajo al exterior. El único efluente
que es preciso drenar es el formado por los incondensables que se generan durante el
funcionamiento. Son preferibles los sistemas que trabajan en circuito cerrado, al no
expulsar el fluido caloportador al exterior. Son los llamados secaderos ecológicos.
La ventaja principal de los secaderos por convección es su relativo bajo coste de
inversión. El principal inconveniente está relacionado con el trasiego de grandes
cantidades de aire, dando como resultado una pérdida elevada de energía, además de
requerir sistemas de impulsión de aire adecuados y un control de la contaminación.
Los ejemplos de secaderos directos son los de tambor rotativo, lecho fluido y los de
cinta o banda.
Figura 3.3 Secado por convección en circuito cerrado
- Secado por conducción o indirecto
En los secaderos por conducción no existe contacto físico entre el fluido calefactor
(vapor o aceite térmico) y el lodo. El calor se transfiere a través de una superficie
metálica. Los secaderos indirectos tienen dos ventajas principales. Por un lado, a
introducir en el secadero una cantidad limitada de aire, la emisión de aire contaminado
y de olores es considerablemente más pequeña que en los secaderos directos. Por
otro lado, el riesgo de incendio y explosión se reduce considerablemente ya que la
cantidad de oxígeno (aire) en el secadero es mucho menor.
Los ejemplos de secaderos indirectos son los secaderos de disco y de bandejas.
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- Sistemas mixtos
Algunos secaderos combinan los dos sistemas de transferencia de calor (conducción y
convección). Estos secaderos presentan características similares a los secaderos
directos, ya que la cantidad de aire que se introduce es la mínima necesaria para
evacuar el vapor de agua del interior del secadero.
Los ejemplos de secaderos que combinan el secado indirecto y directo son los de
capa fina.
c) Secado/Granulación en un solo paso o secado y posterior granulación
Como se ha puesto de manifiesto es preferible que el lodo seco presente un aspecto
final granulado, limitándose en todo momento por motivos de seguridad e higiene la
cantidad de polvo en el producto. Por tanto, todos los sistemas que producen grandes
cantidades de polvo durante el proceso de secado tienen que ser equipados con un
sistema de granulación adicional. Si durante el proceso de secado se genera una
cantidad pequeña de polvo, en algunos casos puede ser recirculado, evitando así un
sistema de granulación adicional. Se dice que en estos sistemas "se seca y granula en
un paso", requiriéndose una recirculación de parte del lodo seco.
Los ejemplos de los sistemas que pueden secar y granular en un paso son los de
tambor rotativo, lecho fluido y secaderos de bandeja.
Sin embargo, que el sistema de secado incorpore una recirculación del lodo seco no
implica necesariamente que no sea preciso un sistema de granulación adicional. Los
secaderos que a pesar de recircular parte de los lodos secos requieren una
granulación posterior son los secaderos de disco. Estos sistemas producen demasiado
polvo durante el proceso de secado.
Los sistemas de secado que acondicionan el lodo antes de introducirlos en el
secadero tampoco requieren un sistema de granulación posterior. En este caso, el
proceso de granulado del lodo ocurre antes del proceso de secado. Generalmente el
resto de los sistemas de secado requieren un granulador adicional.
d) Secado parcial o secado completo
Según este criterio se pueden distinguir tres tipos de secaderos:
- Secaderos parciales con secado del lodo hasta un 40% de materia seca
En estos secaderos el secado del lodo sólo alcanza valores típicos del 40%,
evitándose de esta forma la fase pastosa. Estos sistemas generalmente están
concebidos para aumentar la valorización del lodo para su posterior combustión en
sistemas de incineración de lecho fluido. Uno de los sistemas más utilizados para el
secado parcial del lodo hasta su fase pastosa es el secadero de disco.
- Secaderos parciales con secado del lodo más allá de su fase pastosa
Son sistemas capaces de atravesar la fase pastosa, obteniéndose sequedades
comprendidas entre el 65% y el 90%. Los ejemplos de secaderos parciales capaces
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de atravesar la fase pastosa son los secaderos de cinta o banda (con sequedades
típicas del 85%) y secaderos de capa fina que pueden llegar a sequedades del 95%.
- Secaderos completos “exclusivos” (> 90%)
Los sistemas con recirculación del lodo seco, para evitar de esta forma los problemas
originados en la fase pastosa, no pueden generalmente producir un producto
parcialmente seco. Estos secaderos se pueden calificar como secaderos completos
"exclusivos".
e) Según la temperatura de secado
- Secadero a alta temperatura
En hornos especiales, se realiza una autocombustión del lodo a temperaturas del
orden de 800 ºC. En realidad no se pueden considerar como secaderos térmicos ya
que combinan el secado con la combustión. Inicialmente el fango pierde su humedad
por el contacto con los gases de combustión a 500ºC y una vez seco se quema con la
consiguiente generación de calor. El producto final (residuo) en este caso son cenizas
y no lodo seco.
- Secadero a media temperatura
En este grupo se engloban la mayoría de las tecnologías de secado térmico
convencional. El calor necesario para el secado se aporta quemando gas, gasóleo u
otro combustible, de forma que, el fango es sometido a temperaturas de 120 a 150 ºC.
- Secadero a baja temperatura
En este sistema, el lodo, previamente conformado, es sometido a temperaturas límites
de 70 ºC en un túnel de secado continuo, donde el calor necesario se aporta con
sistemas que trabajan a baja temperatura. Dentro de este grupo se encuentran entre
otros, los sistemas de secado mediante energía solar que se analizarán en el capítulo
siguiente y los sistemas de transferencia de calor (bomba de calor) en circuito cerrado.
Con el sistema de bomba de calor, se consigue un fango con humedad final inferior al
15% y el residuo del proceso es agua condensada. Esta técnica se encuadra dentro
de las técnicas de ahorro energético, dado que la mayor pare de energía del proceso
se consigue recuperando el calor residual de la propia agua evaporada.
3.2.2 Otros aspectos del secado térmico convencional de fangos
A continuación se analiza la influencia de diferentes factores en el funcionamiento y
rentabilidad del sistema de secado. En particular se estudia la temperatura de trabajo,
el tiempo de residencia de sólidos, el contenido de oxígeno y el consumo de energía.
a) Temperatura de trabajo
La temperatura de funcionamiento de un secadero debería ser en teoría, relativamente
baja en la primera etapa de secado (evaporación del fango en la superficie del fango) y
elevada en la segunda etapa (evaporación del agua en el interior del capilar). Esta
combinación es imposible en la mayoría de los sistemas de secado. Así, en los
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modelos de convección (secaderos directos), el sistema es a equicorriente, el aire
caliente se impulsa al interior del secadero a una temperatura muy elevada y contacta
con el fango cuando el fluido tiene la máxima temperatura. En los sistemas de
conducción pura, es la temperatura de la chapa metálica la que manda, mientras que
la tenue corriente de fluido es la mínima necesaria para arrastrar el vapor generado.
Como todo el calor se transmite por contacto, la temperatura de la pared es elevada y
puede provocar problemas de sobrecalentamiento en el fango y excesiva emisión de
volátiles. El sistema que mejor se ajusta a los principios de secado es el sistema de
capa fina puesto que al poder calentar la pared a la temperatura deseada, incluso
variable, el aire en contacto también lo hace. Finalmente, en los sistemas de lecho
fluido se puede reducir la temperatura aumentando la superficie de contacto entre el
gas y el fango gracias a la gran turbulencia creada y el tamaño de partícula de fango.
En líneas generales el sistema de secado será tanto mas seguro cuanto menor sea la
temperatura de trabajo y tanto más económico cuanto menor sea el caudal de aire. En
valores medios estas temperaturas son:
-
Convección pura: de 300 a 500ºC.
Conducción pura: de 100 a 130ºC.
Mixtos: de 200 a 270ºC.
Lecho fluido: de 80 a 100ºC.
Desde el punto de vista de la seguridad (explosiones, incendios) los dos primeros son
los más sensibles, el primero por la elevada temperatura del fluido a la entrada y el
segundo por la elevada temperatura en la pared, que calienta el fango en demasía.
b) Tiempo de residencia de sólidos
El tiempo de residencia de los sólidos en el interior del secadero es una consecuencia
del sistema de secado. Técnicamente es el preciso para eliminar toda el agua. En casi
todos los secaderos este tiempo oscila alrededor de los 30 minutos, con la excepción
del sistema de capa fina que es solo de 2 a 3 minutos.
La capa fina consiste en centrifugar una cantidad de fango, de un espesor fino, sobre
la pared interna del secadero. Como la pared está caliente, el vapor se genera de
forma instantánea y el brusco incremento de volumen desmenuza el fango. Con ello
aumenta la superficie específica y la corriente de aire acaba de hacer el resto. El
resultado es un tiempo de retención muy breve, el suficiente para eliminar la humedad
y no calentar el fango demasiado.
En los demás sistemas, incluido el de lecho fluido, el tiempo de residencia es largo.
Como la capa de fango es más gruesa ella misma hace de aislante y el calor tarda
más en atravesar la capa. Esto entraña un peligro y es que una parte del fango se
caliente en exceso y genere muchos volátiles con el consiguiente riesgo.
c) Contenido de oxígeno
Se entiende por contenido de oxígeno la cantidad, en volumen, de oxígeno presente
en el aire de secado. El aire exterior tiene un contenido en oxígeno del 21% en
volumen. Cuando el aire abandona el secadero una parte importante es vapor de agua
y, en términos relativos el porcentaje de oxígeno disminuye. Cuando se utilizan gases
procedentes de un motor de cogeneración, el porcentaje de oxígeno suele estar
alrededor del 14%, al tener una importante proporción de CO2.
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Para reducir el contenido de oxígeno sólo existen dos soluciones: añadir nitrógeno a
los gases del circuito cerrado o CO2, este último mucho más asequible y barato. Para
ello pueden desviarse los gases de la caldera que tienen una cantidad de O2 próxima
al estequiométrico.
El problema de la presencia de oxígeno en los gases es que es el comburente preciso
para hacer detonar y/o combustionar el polvo contenido en el gas. A la salida del
secadero, el gas está lleno de polvo (fango seco), vapor de agua y COV`s
(compuestos orgánicos volátiles). El tramo comprendido entre el secadero y el ciclón
es el más peligroso por las siguientes razones:
-
Máxima concentración de polvo y COV`s.
Alta temperatura, para evitar la condensación del vapor de agua.
Alta velocidad, para evitar la sedimentación. Ello comporta riesgos de abrasión y
calentamiento secundario.
Electricidad estática en la parte metálica, actuando el O2 como detonante.
Más que la cantidad de polvo, de cara a la seguridad, es crítica la distribución
granulométrica del mismo y ello depende, al margen de la tipología del fango, de la
forma de recirculación por el interior del tambor.
El límite de O2 que garantiza una seguridad de funcionamiento es difícil, por no decir
imposible, de establecer. Es un factor que depende de la cantidad y calidad de los
COV`s, de la cantidad, calidad y estado del polvo, de la temperatura, etc. Es
recomendable no superar el 8% en volumen de oxígeno.
Los sistemas de convección (grandes flujos de aire caliente) suponen elevadas
velocidades de transporte, muchos choques en el interior del secadero (alta fricción) y,
obviamente, gran cantidad de oxígeno. Por todo esto, estos sistemas son los más
propensos a tener incendios y/o explosiones. En los sistemas de conducción pura
(secaderos verticales de bandejas y secaderos horizontales de discos) el problema
suele ser la mayor temperatura de la chapa metálica, la mala transmisión de calor en
la capa de fangos y los puntos calientes que conducen a los mismos problemas.
d) Consumo energético
El secado térmico se realiza aportando la energía térmica necesaria para eliminar el
agua del fango hasta el límite para el que se haya diseñado (normalmente alrededor
del 90% de sequedad en el fango). El consumo energético más importante es el
térmico. El consumo térmico de un secadero de fangos depende esencialmente del
calor latente de vaporización del agua, que a 20ºC es de 620 kcal/kg de agua
evaporada. El consumo térmico de cada tipo de secadero depende de la eficacia de la
transferencia de calor, del caudal de aire en circulación o las pérdidas de calor. Se
puede considerar un consumo medio de unas 750 kcal/kg de agua evaporada.
El consumo eléctrico también depende del principio de funcionamiento elegido. En los
secaderos de convección, el trasiego de grandes caudales de aire obliga a un
consumo eléctrico importante para los motores de las soplantes, que se cifra entre 60
y 400 kWh/t de agua evaporada. En el caso de sistemas mixtos o de conducción, el
gasto es menor pudiendo oscilar entre 40 y 150 kWh/t de agua evaporada.
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En los siguientes apartados, se describen las experiencias de secado térmico de
fangos de depuradoras más usuales. Las instalaciones descritas cubren casi toda la
gama de sistemas. En particular se estudiarán los siguientes secaderos:
-
Secadero por convección pura.
Secadero por. conducción rotativo.
Secadero de conducción pura o de bandejas.
Secadero de capa (o de película) fina o mixto.
Secadero de lecho fluido.
Secadero de cinta o banda.
Para cada secadero se estudiará el principio básico de funcionamiento, se describirá el
sistema y el proceso de forma esquemática, se analizarán las posibles mejoras y se
resumirán las ventajas e inconvenientes del secadero. Finalmente, se describirán las
tecnologías comerciales más representativas.
3.3 SECADERO POR CONVECCIÓN PURA
Los secaderos por convección pura, a diferencia de otros secaderos de fangos, se
caracterizan porque son: secaderos de contacto, con recirculación de fango seco,
completo y de secado/granulación en un solo paso.
a) Secaderos de contacto
En los sistemas por convección el calor necesario para secar el fango se transfiere por
medio de una potente corriente de fluido calefactor, generalmente aire precalentado
previamente en un quemador o gases de escape de un motor de cogeneración. En
estos secaderos, el fango es calentado por contacto directo con el fluido, recibiendo el
nombre de secaderos directos. La corriente de fluido actúa de dos formas sobre el
fango: a) suministra al fango por convección el calor necesario para la evaporación,
arrastrando rápidamente el agua evaporada (fluido calefactor) y b) la corriente de
fluido impulsa las partículas de fango a lo largo del proceso (fluido transportador).
b) Secaderos con recirculación de fango seco
El secadero por convección requiere recirculación del fango seco, evitando los
problemas derivados de su etapa plástica (entre 40 y 60% de materia seca), durante la
cual el fango llega a ser muy pegajoso y difícil de manejar, apelmazándose y
bloqueando los sistemas de desplazamiento en el interior del secadero. Por esto, el
fango se acondiciona previamente mezclándose con fango seco recirculado.
c) Secaderos completos
La doble acción del fluido (fluido transportador/calefactor) sobre las partículas de fango
produce una mezcla íntima entre ambos de forma que la evaporación del agua se
produce uniformemente en toda la superficie de las partículas sólidas, alcanzándose
sequedades típicas superiores al 85%.
d) Secaderos de secado/granulación en un solo paso
Mediante un sistema de clasificación del fango seco es posible obtener un producto
final granulado con un tamaño de partícula homogéneo que cumpla los requisitos de
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calidad física exigidos en la vía de valorización escogida, sin necesidad de un sistema
de granulación adicional.
En cuanto a las características geométricas, se utilizan como secaderos directos
tambores rotativos horizontales. El diseño geométrico de estos tambores es muy
variable dependiendo de cada fabricante. No obstante se pueden distinguir dos tipos:
-
De desplazamiento neumático: el fango avanza con el propio fluido del proceso.
De desplazamiento mecánico: el fango avanza con deflectores o por gravedad.
En ambos tipos de secaderos, la corriente de gas facilita el desplazamiento del fango a
lo largo del tambor.
3.3.1 Descripción del sistema
La figura 3.4 muestra el esquema de una planta de secado de fangos por convección.
Como se observa en el diagrama de bloques de la figura, la planta consta de una serie
de elementos y corrientes que se pueden agrupan en los siguientes sistemas:
-
Sistema de alimentación del fango: El sistema de alimentación esta compuesto
por una tolva de fango deshidratado, una tolva de producto recirculado seco y un
mezclador que suministra al secadero la combinación necesaria de cada uno de
los fangos (secos y húmedos).
-
Sistema de producción de fluido caliente: Generalmente el medio calefactor es
directamente los gases de escape de un quemador alimentado de biogas o gas
natural o los gases de escape de un motor de cogeneración.
-
Sistema de secado: Constituido por un tambor rotativo horizontal. Al secadero
llega por un extremo la mezcla de fango junto con los gases calientes y por el otro
extremo sale una corriente de gases que contiene las partículas de fango seco y el
vapor de agua extraído del fango.
-
Sistema de separación del producto: Las partículas sólidas se extraen a la
salida del tambor de la corriente de gases y vapor de agua mediante un ciclón.
-
Sistema de tratamiento de los gases: El agua evaporada del fango se separa en
un condensador de la corriente de gases.
-
Sistema de cribado del producto: El sistema de cribado, compuesto por un
clasificador y un molino, permite separar la corriente de fango seco en función del
tamaño de las partículas. Las partículas que no se encuentran dentro del rango
deseado son recirculadas, mientras que las partículas más gruesas se llevan a un
molino donde se les reduce de tamaño.
-
Sistema de enfriamiento del producto: Las partículas de fango seco deben ser
enfriadas antes de llegar al silo de almacenamiento del producto final. El aire de
enfriamiento, junto con el aire extraído de elementos de almacenamiento y
transporte del fango, se lleva a un filtro de mangas para separar las partículas.
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Figura 3.4 Diagrama de bloques de una planta de secado por convección
3.3.2 Esquema del proceso
En las figura 3.5 y 3.6 se muestra el esquema típico del proceso de una planta de
secado por convección por desplazamiento neumático y mecánico respectivamente. A
continuación se describen los sistemas que componen el esquema básico de la planta.
a) Sistema de alimentación
En la figura 3.7 se muestra en detalle el sistema de alimentación de fangos. Los dos
silos de fango húmedo y fango seco (recirculado) abastecen a través de tornillos sinfín
al mezclador. En todo momento los tornillos sinfín permiten dosificar la cantidad
necesaria de cada uno de los fangos (seco y húmedo). En estos secaderos el fango
húmedo se mezcla previamente con el fango seco hasta alcanzar una mezcla con una
sequedad entre el 65 y el 75%, evitándose la fase pastosa.
El mezclador de paletas está especialmente diseñado para maximizar la eficiencia de
mezclado, lo que permite alimentar el secadero con un fango de tamaño y humedad
constantes. En el interior del mezclador el fango húmedo se agarra al seco formando
una capa fina alrededor de las partículas recirculadas, mejorándose su exposición con
la corriente de aire caliente, y por tanto mejorándose el intercambio térmico.
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Figura 3.5 Esquema de una planta de secado por convección (desplazamiento neumático)
71
Figura 3.6 Esquema de una planta de secado por convección (desplazamiento mecánico)
72
Figura 3.7 Sistema de alimentación de fangos
b) Secadero
La mezcla en forma granulada, se introduce por un extremo del tambor rotativo. El
fango avanza a lo largo del tambor por la rotación de éste, ya que los deflectores
incorporados y la propia corriente del gas facilita su desplazamiento. En la figura 3.8
se representa un esquema de la circulación de la mezcla fluido-partículas por el
interior del tambor. El fango circula impulsado por la corriente de fluido calefactor, por
tanto es preciso una elevada velocidad para evitar la sedimentación. Hay que tener en
cuenta que la forma laberíntica de la cámara de secado obliga a choques constantes y
rozamientos importantes contra las paredes, dando lugar a un elevado tiempo de
residencia del fango en el interior del secadero.
Figura 3.8 Esquema del interior del secadero
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El gas caliente, a temperatura entre 450 y 500 ºC calienta el fango y las paredes. El
sistema actúa por convección pero, en parte, por radiación que emiten las paredes. A
la salida del secadero la corriente de gas a una temperatura entre 100 y 140 ºC se
dirige a un filtro de mangas para separar el polvo. La mezcla aire-vapor no está
saturada (aproximadamente se utiliza entre 8 y 10 kg de aire seco por cada kg de
agua evaporada). La temperatura máxima que puede alcanzar el lodo seco no puede
exceder la temperatura de saturación de la mezcla aire-vapor. Esta temperatura debe
ser controlada manteniéndose entre 65 y 75 ºC. De esta forma se reduce la posibilidad
de que se degrade la materia orgánica y de que se produzca materia orgánica volátil.
Se limita por tanto la posibilidad de emisión de olores y no se requiere un tratamiento
posterior de eliminación de olores. Si fuese necesario, la planta puede incorporar un
sistema biológico o químico de eliminación de olores.
c) Sistema de separación del producto final
A la salida del secadero las partículas sólidas tienen que separarse de la corriente de
aire y vapor de agua. En este tipo de plantas la extracción de las partículas de fango
seco se realiza mediante un filtro de mangas. El producto seco junto con la corriente
de aire y el vapor de agua extraído del fango se dirige impulsado por un ventilador
centrífugo a un filtro de mangas, como el que se muestra en la figura 3.9.
En el filtro existe un compartimiento previo cuyo propósito es separar las partículas
más gruesas para prevenir la sobrecarga del medio filtrante. Otra posibilidad consiste
en colocar entre el secadero y el filtro de mangas un ciclón con el mismo objetivo de
separar previamente las partículas más gruesas. El filtro dispone de un sistema
automático de separación de la torta por medio de aire comprimido y está totalmente
aislado para evitar la condensación del vapor de agua en las superficies del interior
que produciría la obstrucción del mismo.
Figura 3.9 Esquema de un filtro de mangas para la separación del lodo seco.
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El transporte neumático, y la elevada temperatura del aire a la salida del secadero son
factores que complican la seguridad en la zona más critica de la instalación. En primer
lugar debido al escaso margen de temperatura existente entre la temperatura límite de
utilización del tejido de las mangas y la temperatura de trabajo del fluido. En segundo
lugar porque, en caso de producirse un incendio este tipo de filtros favorece la
propagación. Otro punto negativo a destacar es la emisión de polvo debido a la falta
de estanqueidad de las juntas. Por ello estas instalaciones están dotadas de una (o
dos) ducha de agua en el tramo siguiente a la salida del secadero, que se pone en
marcha cuando la temperatura del gas supera cierto valor de consigna.
Figura 3.10 Esquema del Scrubber
d) Sistema de lavado y deshumidificación del aire
Después de atravesar el filtro, el aire se lleva a un scrubber (Figura 3.10) donde se
realiza un lavado y enfriamiento del mismo. Esto permite eliminar del aire las partículas
más pequeñas y condensar el agua extraída del fango en el proceso de secado. El
agua de descarga del scrubber (compuesta por el agua de lavado y el agua extraída
del fango) debe ser devuelta a una EDAR para su tratamiento, al estar contaminada
por las partículas de fango que no pudieron separase en el filtro de mangas.
Finalmente, la corriente de aire se lleva a un separador de niebla y gotas (demister). El
demister (Figura 3.11) permite separar por gravedad las gotas de agua presentes en el
aire. Además, posibilita también la captura de los sólidos (partículas más pequeñas)
que todavía están presentes en el mismo.
Opcionalmente, algunas plantas se pueden complementar incorporando los siguientes
sistemas:
75
-
Sistema de clasificación del fango seco (fracción gruesos/medios/finos): Las
partículas sólidas separadas de la corriente de gases en el filtro de mangas se
pueden conducir a un sistema de clasificación del fango seco en función del
tamaño de las partículas. Generalmente esta división se realiza en tres rangos de
tamaños (finos/medios/gruesos). La fracción de gruesos se lleva a un molino
donde se reduce su tamaño. El fango molido junto con la fracción de finos son
recirculados. La fracción intermedia constituye el producto final de fango seco.
-
Tratamiento (biológico o químico) de olores antes de descargar el aire por
chimenea.
-
Sistema de almacenamiento de fangos.
Figura 3.11 Esquema del demister
3.3.3 Mejoras del proceso
Para reducir las tres desventajas principales de los sistemas por convección pura (alto
contenido en oxígeno en el interior del secadero que representa un riesgo potencial de
incendio y explosión, flujo grande de gas que debe ser conducido a un sistema de
tratamiento, pérdida de energía térmica de los gases expulsados por chimenea),
algunos secaderos incorporan un complejo sistema de recirculación de aire. En este
sistema los gases de escape calientan el aire en un intercambiador de calor antes de
introducirlo en el tambor. Posteriormente, después de atravesar el ciclón y el
condensador, parte del aire se reutiliza (se vuelve a calentar en el intercambiador) y
otra parte se lleva al quemador.
A continuación se detallan algunas alternativas planteadas para la mejora del proceso.
a) Sistema con intercambiador (Figura 3.12)
El aire empleado para el secado del fango se recicla completamente, calentándose en
un intercambiador de tubos en paralelo con el horno. A la salida del sistema de
separación de partículas (ciclón y filtro de mangas), alrededor del 97% del aire se
76
recircula a un intercambiador donde se transfiere el calor necesario por medio de la
corriente de gases de escape del horno. El 3% restante se lleva al horno y se mezcla
con el aire necesario para una perfecta combustión. Los gases de escape después de
atravesar el intercambiador se descargan a la atmósfera a una temperatura de 150 ºC.
Esta solución permite la separación entre el aire caliente de combustión y el aire del
proceso de secado, evitando el contacto del fango con los gases de escape del horno.
Figura 3.12 Esquema de la planta de secado con intercambiador
b) Sistema con recuperación de calor por cogeneración
Esta disposición permite recuperar el calor residual de los gases de escape de otras
plantas (motores de gas, incineradoras, etc.). A continuación se detallan tres
posibilidades de sistemas con recuperación de calor con cogeneración.
En la primera de ellas (Figura 3.13) se sitúa un intercambiador de calor que permite
precalentar el aire a la entrada del horno aprovechando el calor residual de los gases
de escape. En la segunda (Figura 3.14), la corriente de gases de escape de un motor
de cogeneración se lleva directamente al horno y posteriormente al intercambiador
donde se transfiere calor al aire empleado en el proceso de secado. Por último, la
corriente de gases se puede introducir directamente en el horno (Figura 3.15).
Figura 3.13 Esquema de la planta cogeneración. Solución I
77
Figura 3.14 Esquema de la planta cogeneración. Solución II
Figura 3.15 Esquema de la planta cogeneración. Solución III
3.3.4 Ventajas e inconvenientes del secado térmico por convección
Las principales ventajas de los secaderos de convección pura son las siguientes:
-
-
Tecnología ampliamente desarrollada en otras aplicaciones industriales.
No excesiva complejidad técnica.
No existen partes móviles en el interior del molino, por lo que el desgaste y el
riesgo de avería es menor.
Menores costes de mantenimiento.
Tiempos reducidos de puesta en marcha y parada (menor inercia térmica).
Proceso completamente automatizado.
Elevada capacidad de evaporación. La estructura granulada del fango a la entrada
del secadero incrementa la superficie de las partículas expuesta a la corriente de
aire caliente, mejorando la eficiencia del proceso de trasferencia.
Optimiza el tiempo de contacto entre las partículas de fango y el aire caliente
debido a la especial configuración del secadero que permite regular el flujo de aire.
El fango seco tiene estructura granulada con bajo contenido en polvo, lo que
previene problemas en su almacenamiento y transporte.
78
Los principales inconvenientes de los secaderos de convección son los siguientes:
-
-
El gran caudal del fluido de transporte, obliga a una emisión importante a la
atmósfera con los consiguientes problemas de contaminación asociados.
Pérdida de rendimiento energético al evacuar aire caliente por chimenea.
Riesgo potencial de incendio y explosión en la zona más crítica de la instalación
comprendida entre el secadero y el filtro de mangas.
En estos sistemas de secado de fangos hay que tener especial cuidado con los
problemas de seguridad relacionados con el riesgo a que se produzcan incendios o
explosiones. Este riesgo, presente en el interior del secadero y en los equipos
auxiliares de tratamiento del fango seco (ciclones y filtro de mangas), está
motivado principalmente por el alto contenido en oxígeno del fluido calefactor
(alrededor de un 15 y un 17%), por las altas temperaturas del proceso y por el bajo
contenido de humedad del producto seco.
Riesgo de abrasión de los elementos internos del secadero y elementos auxiliares
motivado por el gran trasiego de aire cargado de partículas.
Necesidad de recirculación del fango seco para evitar la fase pastosa,
generándose un trasiego importante de fango seco con los correspondientes
problemas adicionales de desgaste y consumo energético.
3.3.5 Tecnologías de secado por convección pura
En este apartado se describen las tecnologías comerciales de secado térmico por
convección. En particular se describen las siguientes:
-
Tecnología SERNAGIOTTO.
Tecnología ANDRITZ.
Tecnología SWISS COMBI.
a) Tecnología SERNAGIOTTO
SERNAGIOTTO ha diseñado y construido varios tipos de secaderos para el
tratamiento de fangos, tanto municipales como industriales. Entre ellos el modelo CTD
(rotary drum convective dryer).
El secadero convectivo CTD se caracteriza por un tambor rotativo donde se posibilita
el contacto directo entre la corriente de fluido y el fango. Este tipo de secadero es de
desplazamiento neumático, el fluido transporta las partículas de fango por el interior
del tambor. El fluido calefactor entra en contacto con el fango y le proporciona el calor
necesario para el proceso de evaporación del agua, a la vez que permite evacuar el
vapor de agua generado transportándolo fuera del secadero. Se consigue así que la
evaporación sea uniforme a lo largo de la superficie de las partículas de fango.
El modelo óptimo se selecciona a partir de la cantidad de agua a evaporar y del
contenido de sólidos en el producto final.
SERNAGIOTTO desarrolla y comercializa 10 modelos de secaderos en función de la
capacidad de evaporación. En la tabla 3.1 se resumen los diferentes modelos. Todos
estos modelos consiguen un contenido de sólidos en el producto final superior al 90 %.
79
La planta de secado está completamente automatizada y controlada con PLC’s que
garantizan una correcta puesta en marcha, funcionamiento y parada en caso de
situaciones anómalas o de emergencia. Con un mantenimiento normal, se garantiza
una operación de la planta de 8.000 horas/año. En la figura 3.16 se representa el
esquema de una planta de secado térmico de fangos CTD.
El consumo de energía depende del modelo de secadero elegido y está comprendido
entre 750 - 900 kcal/kg de agua evaporada y 50 - 60 W/kg de agua evaporada.
MODELO
CTD 1000
CTD 2000
CTD 3000
CTD 4000
CTD 5000
CAPACIDAD DE
EVAPORACION (kg/h)
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
MODELO
CTD 6000
CTD 7000
CTD 8000
CTD 9000
CTD 10000
CAPACIDAD DE
EVAPORACION (kg/h)
6.000
7.000
8.000
9.000
10.000
Tabla 3.1 Modelos del secadero CTD
A continuación se comentan brevemente algunos aspectos concretos del proceso de
secado térmico CTD desarrollado por SERNAGIOTT, que hacen referencia al fluido
calefactor, características del secadero, producto final y tiempos de funcionamiento.
Figura 3.16 Esquema de una planta de secado CTD de SERNAGIOTTO
80
- Fluido calefactor
El fluido calefactor utilizado es aire caliente procedente de un quemador.
- Características del secadero
El tambor, constituido por tres cilindros concéntricos, gira a una velocidad del orden de
16 rpm. En el interior no existe ningún elemento en movimiento, ya que los cilindros
giran solidariamente con el tambor y su única función es dirigir el flujo de
aire/partículas. El diseño de triple paso optimiza el tiempo de contacto del fango y el
aire caliente. Las partículas de fango se transportan neumáticamente, y puede
vaciarse fácil y rápidamente.
- Producto final
El fango húmedo se mezcla con fango seco antes de entrar en el secadero y tiene una
forma granular. Como el sistema no dispone de partes móviles en su interior, el
producto final tiene una distribución homogénea con elevada densidad y gran dureza
(tamaño de grano > 1mm). El producto final es un fango granulado y homogéneo con
un contenido de sólidos entre el 85 y 90 %. Al ser un producto granulado y con bajo
contenido de polvo no requiere ningún sistema de granulación posterior.
- Puesta en marcha/parada/mantenimiento
La planta de secado convectivo CTD requiere unos tiempos de parada y puesta en
funcionamiento muy cortos. El tiempo de arranque es del orden de 20 minutos y el de
parada de 15 minutos. El mantenimiento es muy reducido, no requiriéndose personal
especializado para su funcionamiento.
En la tabla 3.2 se resumen las especificaciones técnicas de los secaderos CTD
Producto final
Agua evaporada
Combustible
Consumo especifico por
kg agua evaporada
Potencia instalada
Dimensiones planta
Producto final
Agua evaporada
Combustible
Consumo especifico por
kg agua evaporada
Potencia instalada
Dimensiones planta
%
kg/h
CTD 1000 CTD 2000 CTD 3000 CTD 4000
> 90
1.000
2.000
3.000
4.000
Gas Natural/ Biogás
kcal/kg
CTD 5000
5.000
800
kW
m
100
17,5 x 13
140
19,5 x 14
250
23,5 x 15
295
26,5 x 15
CTD 6000 CTD 7000 CTD 8000 CTD 9000
> 90
6.000
7.000
8.000
9.000
Gas Natural/ Biogás
CTD 10000
%
kg/h
kcal/kg
kW
m
185
20,5 x 14
10.000
800
340
27,5 x 15
390
30 x 15
440
32 x 14
490
35 x 17
540
38 x 17
Tabla 3.2 Especificaciones técnicas de los secaderos CTD
81
Experiencias de SERNAGIOTTO
En la tabla 3.3 se resumen algunas experiencias de SERNAGIOTTO en el secado
térmico de fangos. En la figura 3.17 se muestra la planta de Marzotto (Italia).
Figura 3.17 Planta de secado CTD 2000 en Chio, Marzotto (Italia)
b) Tecnología SWISS COMBI
La tecnología SWISS COMBI desarrollada por BERLIE TECHNOLOGIES INC. puede
tratar el fango proveniente tanto de plantas de tratamiento de aguas municipales como
industriales. El secado térmico permite la máxima reducción de volumen y proporciona
un producto estable, pasterizado, homogéneo y granular, que permite su utilización
posterior en agricultura y como combustible.
BERLIE TECHNOLOGIES INC. fabrica tres tipos de unidades:
-
Unidades estacionarias con una capacidad de evaporación de 1.000 - 6.000 kg/h
Unidades móviles con una capacidad de evaporación de 1.000 kg/h
Unidades semimóviles con una capacidad de 500 – 1.000 kg/h
En la figura 3.18 se representa el esquema de una planta. El fango deshidratado se
mezcla con fango recirculado seco para conseguir un fango con el 55% de materia
seca. La mezcla se lleva al tambor de secado donde los gases entran a una
temperatura de 450 ºC y salen a 130 ºC. La rotación del tambor proporciona un secado
uniforme y permite transportar el lodo granulado, que posteriormente se hace pasar
por un ciclón y un enfriador. Finalmente un tamiz separa los gránulos por tamaños.
Antes de empaquetar los gránulos, se enfrían en un tornillo sinfín refrigerado por agua
hasta una temperatura de 35 °C.
82
Planta
Shio (Marzotto)
Reggio Emilia
Termeno
Arzignano
Reggio Emilia
Primarios + Biológicos
Tipo de fangos
Industria textil
EDAR
EDAR
Industria textil
EDAR (4)
Tipo de secadero
CTD 2000 SD (1)
2 x CTD 4000
CTD 3000 SI (2)
2 x CTD 4000
CTD 2000
Puesta en marcha
1991
1994
1996
1998
2000
12.000
111.000
18.600/9.675 (3)
90.000
34.000
260 (16 h/d)
300 (24 h/d)
300 (16 h/d)
300 (24 h/d)
300 (24 h/d)
320
180
Gas natural
Gas Natural/biogás
3.200.000
1.600.000
Origen de los fangos
Fangos tratados por año (t)
Tiempo de operación (d/año)
800 kcal/kg agua evaporada
Consumo específico de calor
Potencia instalada (kW)
Combustible
Consumo de calor (kcal/h)
(1)
(2)
(3)
(4)
215
Gas natural
1.600.000
270
355
Gas Natural/biogás
3.200.000
2.550.000
SD: Secado directo
SI: Secado Indirecto
18.600 t (seis meses por año) y 9.675 (seis meses por año)
Fracción orgánica de la digestión anaeróbica de una EDAR
Tabla 3.3 Experiencias de SERNAGIOTTO
83
Figura 3.18 Esquema de una planta de secado de Swiss Tecchnologies
El producto final tiene una concentración de sólidos del 92 al 95%, siendo un material
granulado, libre de polvo, homogéneo y de tamaño definido que puede ser
almacenado convenientemente. El proceso estabiliza el lodo por medio de la
pasterización, destruyéndose los agentes patógenos por lo que el producto final se
puede vender como fertilizante.
Los subproductos son gas de combustión y aire de secado. Una vez que los gases de
combustión han transferido el calor al aire de secado a través de los intercambiadores
de calor, son expulsados por chimenea. El aire de secado, después de atravesar el
tambor, pasa a través de un filtro de mangas que retiene el polvo, se calienta de nuevo
en el intercambiador y es recirculado, de forma que circula en circuito cerrado.
El proceso está limitado por un contenido mínimo de materia seca en los lodos
deshidratados del 15 al 40%. El equipo se puede alimentar con cualquier combustible
(gas natural, biogás, propano, aceite o gases calientes).
Las unidades de secado instaladas tienen diferentes tamaños, en función de su
capacidad de evaporación. Por ejemplo, una unidad con una capacidad de
evaporación de 1.000 kg/h tiene unas dimensiones de 11 x 19,5 m.
Los costes de mano de obra son bajos (uno o dos empleados, que también supervisan
la deshidratación mecánica), debido a que la operación de la planta es completamente
automática y la instalación sencilla.
BERLIE TECHNOLOGIES ha instalado seis unidades que están actualmente en
funcionamiento en Canadá y los Estados Unidos (Quebec, Gatineau, Smiths Falls,
Baltimore, Montreal, Laval y Windsor) y otras dos unidades en Francia (Toulouse y
Quimper).
84
c) Tecnología ANDRITZ
La tecnología de secado ANDRITZ se basa en la tecnología de secado por
convección. El consumo de energía térmica se reduce al mínimo mediante un circuito
cerrado para el aire. El producto final tiene un contenido de sólidos secos superior al
92%, es un producto granulado, pasterizado y con un tamaño de partícula definido
dentro de un rango que facilita su manipulación, almacenaje y transporte. El producto
reúne las condiciones necesarias para su posterior valorización en cualquiera de las
siguientes vías: vertido controlado, fertilizante (producto EPA clase A) o combustible
biológico para las centrales eléctricas.
ANDRITZ ha desarrollado el sistema de secado DDS (Drum Drying System) para el
tratamiento del fango procedente de plantas depuradoras municipales. En función de
las necesidades en cada momento, el sistema puede operar intermitentemente. El
sistema DDS utiliza un tambor de triple paso que mejora la eficiencia de secado y
produce partículas granuladas libres de polvo. En el diseño DDS de triple paso el lodo
granulado se transporta neumáticamente impulsado por la corriente del aire caliente,
de esta forma se asegura una calidad elevada de las partículas.
Las dos alternativas disponibles (sistema directo e indirecto) permiten una gran
flexibilidad en cuanto a las fuentes de energía disponibles.
-
Sistema directo (Figura 3.19): este tipo de plantas utilizan directamente los gases
de escape para el secado del fango. Emplean combustibles primarios (aceites
ligeros, keroseno, gas natural) y biogás.
-
Sistema indirecto (Figura 3.20): el fluido calefactor, generalmente aire, se calienta
en un intercambiador. Para ello se emplean gases de escape de turbinas de gas,
de motores o de otras fuentes, aceite y vapor.
ANDRITZ ha instalado más de 80 plantas por todo el mundo.
3.4 SECADERO DE CINTA O BANDA
La mayoría de las tecnologías revisadas en este capítulo se engloban dentro del grupo
de secado térmico de media temperatura. Sin embargo, el sistema de secado de cinta
o banda se basa en el secado de productos a baja temperatura (entre 65 – 70 ºC) en
un túnel continuo, por lo que también es conocido como secado a baja temperatura.
3.4.1 Descripción del sistema
La figura 3.21 muestra el esquema de una planta de secado de fangos a baja
temperatura. En la figura 3.22 se muestra un esquema de una planta con bomba de
calor como fuente energética. Este sistema está diseñado para el secado de lodos
previamente deshidratados por métodos mecánicos y otros residuos que posean una
mínima consistencia.
85
Figura 3.19 Esquema de una planta DDS con sistema directo
86
Figura 3.20 Esquema de una planta DDS con sistema indirecto
87
El túnel de secado basa su funcionamiento en el conformado del fango, previo
desmenuzado si es necesario, para que adquiera una estructura granulada, de baja
densidad, que pueda distribuirse uniformemente a lo largo de la cinta del túnel, de
forma que se facilite su secado al permitir el paso del aire a través del mismo.
La cinta transportadora, de construcción especial, recorre el túnel cargada de
producto, a través del cual circula aire caliente y seco verticalmente a dicha cinta,
extrayendo el exceso de humedad. La descarga de lodo se realiza con la ayuda de
unos cepillos que descargan el lodo seco en el sistema de recogida.
Figura 3.21 Diagrama de bloques de una planta de secado térmico de baja temperatura
Los ventiladores son los encargados de generar el movimiento circular del aire, que
circula perpendicularmente a la cinta de transporte, extrayendo la humedad del fango.
Este sistema de circulación del aire optimiza la transmisión de calor y favorece el
manejo del producto en el interior del túnel.
No se requiere recirculación de producto seco cuando la sequedad inicial es mayor del
25%. Debido al diseño del sistema de conformado y alimentación de la cinta de
secado, se puede secar el fango sin mezclarlo previamente con fango seco. El
proceso de disposición del producto, su manejo dentro del equipo y la transferencia de
calor evitan las manipulaciones durante el proceso de secado, eliminando los
problemas derivados del paso del fango por el estado plástico. Esta medida ayuda a
simplificar las instalaciones auxiliares de necesarias y evita la formación de polvo.
3.4.2 Fuente energética
Las posibilidades de aporte energético de los secaderos de baja temperatura son
diversas: Bomba de calor, agua caliente, cogeneración o sistemas mixtos. El
esquema de funcionamiento del sistema se mantiene, independientemente de la
fuente de calor que se disponga. A continuación se detallan las diferentes opciones de
aporte energético.
88
Figura 3.22 Esquema de una planta de secado térmico a baja temperatura con bomba de calor
89
a) Bomba de calor
Aunque el túnel de secado puede funcionar a temperaturas medias, en el secado de
fangos de EDAR, cuando se optimiza económicamente, el sistema funciona a baja
temperatura y con el aire en circuito cerrado.
En estas instalaciones, el calor necesario para calentar el producto y evaporar el agua
es recuperado del propio aire saturado y caliente de la cámara, al mismo tiempo que
condensa el agua eliminada. La técnica de bomba de calor (Figura 3.23) permite
transferir calor de un foco frío a otro caliente, recuperando la energía residual.
Figura 3.23 Esquema de un bomba de calor
Las dos principales aplicaciones de la bomba de calor son:
1) Como recuperador de energía. Por la capacidad que tiene la bomba de calor de
transferir energía de un foco a baja temperatura a otro de alta temperatura.
2) Como deshumidificador. Por la capacidad de deshumectación que ofrece el foco
frío al enfriar parcialmente el aire saturado de retorno del proceso.
Esta técnica permite controlar una cámara de secado en circuito cerrado sin necesidad
de tomar aire exterior, obteniendo un considerable ahorro energético y evitando las
emisiones gaseosas. Se consigue un secado eficaz y controlado, al eliminar en el
evaporador (foco frío) el agua que en forma de vapor arrastra el aire al circular entre el
producto, absorbiéndose en el propio evaporador el calor de condensación del vapor.
El aire frío y deshidratado circula a través del condensador (foco caliente),
recuperando el calor cedido por el evaporador, alcanzando la temperatura deseada.
Con la impulsión del aire hacia la cámara de secado se logra cerrar el circuito.
La utilización de esta tecnología y la disposición de los elementos de la instalación,
hacen de la misma un conjunto idóneo para el secado de estos productos. Las
principales ventajas de la tecnología de la bomba de calor son las siguientes:
90
-
Recuperación del 100 % del calor residual del aire de la cámara.
Secado en circuito cerrado, sin aportación de aire externo.
Control sobre el total del aire procesado en el sistema.
Bajo consumo energético, con unos valores de 0,35-0,40 kWh/l de agua eliminada.
Alta calidad de secado.
Posibilidad de aplicación de tarifas reducidas.
b) Agua caliente
Para conseguir un aprovechamiento energético máximo, y aumentar la economía de
estas plantas de tratamiento de fangos, el sistema de secado también permite su
adaptación para el aprovechamiento de circuitos de agua caliente a 75/95 ºC, que
pueden proceder de diversos orígenes: calderas de biogás, gas natural, gasóleo,
motores de cogeneración o cualquier otra fuente energética que pueda utilizarse.
El funcionamiento de este equipo es similar al caso anterior, sólo cambia la fuente de
calor. El principio de actuación foco frío- foco caliente no se altera, por lo que se
consiguen las mismas ventajas que con el sistema de bomba de calor. El túnel de
secado no modifica su funcionamiento.
El calor para el secado se obtiene del circuito de agua caliente. El calor del agua es
intercambiado, obteniendo aire caliente, que se utiliza para calentar el producto y
evaporar el agua que contiene. Del mismo modo, se utilizan evaporadores para
absorber el calor del agua evaporada y eliminarla. Para este fin se utilizan
normalmente las torres de refrigeración.
El sistema, caracterizado por su baja temperatura de trabajo (65-70 ºC), permite un
mejor aprovechamiento energético, al trabajar con energías de menor nivel energético.
Puede aprovechar así un mayor rango de temperaturas entre el fluido primario y el
sistema de secado.
La principal diferencia entre los sistemas de baja y alta temperatura, se encuentra en
que si bien estos pueden justificar consumos específicos inferiores, al tratarse de
niveles energéticos de mayor rango, la energía primaria consumida en mayor.
En las calderas de agua caliente (75/95 ºC), con temperaturas de salida de gases del
orden de 150 – 180 ºC, mínima permitida para que no se produzcan condensaciones,
se pueden alcanzar rendimientos en torno al 94-95%. Las calderas de fluido térmico,
con temperaturas del fluido mayores (200 - 250 ºC), la temperatura de los gases de
salida es también mayor, consiguiéndose rendimientos en torno al 70 %.
Con secaderos de gases indirectos a alta temperatura, el rendimiento se encuentra
entre el 60-70 %, debido a la alta temperatura necesaria en los gases secundarios y al
bajo coeficiente de transferencia de calor gases- aire. Hay que destacar la dificultad de
limpieza de los intercambiadores gases- aire y la pérdida de rendimiento con el tiempo.
Por otra parte, las pérdidas en tuberías e intercambiadores son superiores debidos a la
mayor diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el ambiente.
Los consumos específicos de los sistemas comerciales están comprendidas entre 900
y 1.000 kcal/kg de agua evaporada (Tabla 3.4). En términos de energía primaria, el
consumo se encuentra entre 1.325-1.473 kcal/kg de agua evaporada.
91
Con calderas de agua caliente, el consumo en los sistemas de secado de baja
temperatura (Tabla 3.5) se encuentra entre 900 y 1.100 kcal/l de agua evaporada,
equivalente a 964 - 1.182 kcal/kg de agua en términos de energía primaria. Los
consumos anteriores dependen de la sequedad de fango de entrada, sequedad del
fango de salida, consistencia del mismo, tipo de fango, horas de funcionamiento, etc.
Consumo energía
Consumo acumulado con
primaria (kcal/Kg agua) (1) pérdidas en las conducciones (2)
1.178
824
1.268
886
1.325
928
1.473
1.030
Consumo específico
secadero (kcal/kg agua)
800
860
900
1.000
(1) Rendimiento máximo del 70 %
(2) Pérdidas del 3%, Temperatura fluido =250 ºC, Temperatura exterior = 20 ºC
Tabla 3.4 Consumo en un secadero por contacto o gases indirectos
Consumo energía
Consumo acumulado con
primaria (kcal/Kg agua) (1) pérdidas en las conducciones (2)
964
910
1.074
1.010
1.182
1.111
Consumo específico
secadero (kcal/kg agua)
900
1.000
1.100
(1) Rendimiento máximo del 94 %
(2) Pérdidas del 3%, Temperatura fluido =250 ºC, Temperatura exterior = 20 ºC
Tabla 3.5 Consumo en un secadero a baja temperatura
c) Cogeneración
En motores de cogeneración, se puede aprovechar el calor de los gases de escape y
el calor del agua de refrigeración del bloque del motor, que supone un 50 % de la
energía calorífica desprendida por los motores, duplicándose el REe (rendimiento
eléctrico equivalente). Cabe señalar que este máximo aprovechamiento no es
imprescindible, sino que se puede hacer si se considera oportuno.
Para evaporar con un sistema de cogeneración 1 litro de agua, con un sistema de alta
temperatura (Tabla 3.6) se consumen 5.185 kcal/h (860/0,166), mientras que con un
sistema de baja temperatura el consumo es de 3.303 kcal/h (1.100/0,333), si bien
puede utilizarse sólo la cantidad mínima de energía para cumplir con el REe, si se
considera necesario.
Baja Temperatura
Alta Temperatura
KWh
E primaria
3
3
KWh
KWh
Eléctricos Térmicos
1
1
1
1
KWh útiles
secado
1
0,5
Energía
aprovechada
33,3%
16,6%
Tabla 3.6 Relación energía útil y energía primaria consumida en sistemas de cogeneración
92
d) Sistemas mixtos
El sistema de secado a baja temperatura permite la adaptación a sistemas de
cogeneración a partir de EDAR´s de un cierto tamaño, que puede estimarse en unos
100.000 habitantes equivalentes (30.000 m3/día), bien en una sola EDAR o
transportando los fangos a una planta central. Para las EDAR´s industriales del sector
papel, textil, alimentario, etc. es posible disponer de cogeneración con caudales
mucho menores del orden de los 3.000 m3/día o incluso menores, dada la importante
demanda energética en la producción industrial.
Con el desarrollo de una tecnología mixta, se permite el aprovechamiento del calor
generado por el sistema de cogeneración durante las horas de funcionamiento de las
instalaciones, utilizando una bomba de calor el resto de las horas. Incluso el
funcionamiento de los dos sistemas puede realizarse de manera simultánea, con el fin
de compensarse y completar las necesidades caloríficas en cada momento.
En los sistemas mixtos, la opción de funcionamiento recomendada para el sistema de
cogeneración es de 16 h/día y 5 días/semana (días laborables) y un funcionamiento
del sistema de bomba de calor de 8 h/día en días laborables y 24 h/día en fines de
semana y festivos. Así, se aprovecha el bajo coste de la electricidad en horas valle y
se elimina el consumo en horas punta.
Este método de trabajo es posible debido a que se compara la cogeneración con
sistema de aprovechamiento energético muy alto, lo que ofrece un método
funcionamiento muy versátil, que puede adaptarse en función de los cambios que
puedan producir de tarifas eléctricas, lo que no es posible con los demás sistemas
secado térmico existentes.
un
de
se
de
El manejo del producto dentro del sistema, que implica el mínimo movimiento del
mismo, y los sistemas de carga y descarga utilizados permiten que la marcha-parada
de las instalaciones sea instantánea, sin necesidad de operaciones especiales. Esto
es lo que permite la combinación del sistema mixto de un modo fácil y cómodo.
Si el usuario posee alguna fuente que desee utilizar para el secado de fangos, el
sistema mixto se puede simplificar para su utilización como sistema de cogeneración,
eliminando la parte del equipo correspondiente a la bomba de calor.
3.4.3 Tecnologías de secado de cinta o banda
En este apartado se describen las principales tecnologías de secado térmico de baja
temperatura:
-
Tecnología STC
Tecnología HUBER
a) Tecnología STC
Durante los últimos años la empresa española Sistemas de Transferencia de Calor SA
(STC), ha realizado un importante esfuerzo en I+D para adaptar al secado de fangos
proveniente de EDAR, la tecnología de secado en túnel con bomba de calor, que venía
93
utilizando en la construcción de equipos de secado para productos muy variados,
ofreciendo las siguientes ventajas:
-
No se emiten polvos ni gases a la atmósfera.
No se producen olores.
Bajo coste energético.
El único residuo del proceso es agua, con mínimos arrastres.
Optima presentación del producto, que facilita su gestión y valorización.
Nulo riesgo de incendio o explosión de las instalaciones.
Fácil mantenimiento.
Posibilidad de adaptación a los cambios en las tarifas eléctricas.
El equipo está totalmente automatizado ya que mediante PLC´s se realiza el control y
seguimiento de los parámetros del proceso, hasta conseguir el producto final deseado,
en función de las necesidades o aplicaciones finales. Estas operaciones se visualizan
mediante una pantalla operativa, que también posibilita el seguimiento del proceso vía
módem. El consumo derivado de estos equipos se resume en la tabla 3.7.
CONSUMO ENERGETICO
Bomba de calor
Energía calorífica
0,3 kWh/l agua evaporada
Ventilación + auxiliares
0,10-0,17 kWh/l agua evaporada
Aprovechamiento calor
Energía calorífica
1.100 kWh/l agua evaporada
Ventilación + auxiliares
0.10-0.17 kWh/l agua evaporada
Tabla 3.7 Consumo energético del sistema STC
Figura 3.24 Sistema de secado STC
94
Las capacidades de evaporación de los equipos STC se encuentra entre 100 – 300 l/h
para fangos de EDAR y entre 300 – 3.000 l/h/túnel para fangos industriales.
Los componentes del equipo (Figura 3.24) son:
-
Túnel de secado.
Unidades de carga y descarga.
Tolva de recepción de lodo y conformadora.
Tolva de descarga de lodo seco.
Cuadro general de mando.
Experiencias de STC
La primera planta de secado de fangos, con bomba de calor y circuito cerrado de aire,
se ha instalado en la EDAR de Baiña, en Mieres (Asturias). La capacidad de
tratamiento de la planta es de 900 kg/h de fango con un 40% de materia seca, tras la
etapa de secado mecánico (Tabla 3.8).
En la figura 3.25 se muestra el exterior de una planta de secado de fangos mediante
tecnología de cintas.
En las tablas 3.8 a 3.12 se resumen algunas experiencias de STC en el secado
térmico de fangos con bomba de calor y/o cogeneración.
Figura 3.25 Instalación de secado de fangos mediante tecnología de cintas
95
INSTALACION DE SECADO TERMICO DE LODOS CON BOMBA DE CALOR EN LA
EDAR DE BAIÑA (ASTURIAS)
Puesta en marcha
Mayo 1998
Funcionamiento
8 h/día
CARACTERISTICAS TÉCNICAS
Capacidad de secado actual
500 t/mes
Capacidad de secado futura (ampliación)
1.000 t/mes
Potencia máxima actual
200 kW
Potencia máxima futura
400 kW
Tecnología empleada
Bomba de calor
CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO
Tipo de fango
Fango urbano- Estabilizado con cal- Filtro
prensa
Sequedad inicial
40 %
Sequedad final.
88 %
CARACTERISTICAS DEL AGUA EXTRAIDA
Sólidos en suspensión
3.33 mg/l
Conductividad
134 µS
D.Q.O
73 mg/l
Tabla 3.8 Principales características de la instalación en la EDAR de Baiña (Asturias)
INSTALACION DE SECADO TERMICO DE LODOS CON BOMBA DE CALOR y
APROVECHAMIENTO DE COGENERACION EN LA EDAR DE IBI (ALICANTE)
Puesta en marcha
Septiembre de 2000
Funcionamiento
24 h/día- 5 d/semana
CARACTERISTICAS TECNICAS
Capacidad de extracción de agua
600 l/h
Capacidad de secado
76 t/día
Aumento de la capacidad
Hasta 1.500 l/h
Tecnología empleada
Sistema mixto compuesto por:
Bomba de calor + Cogeneración
(100% calor escape + bloque)
CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO
Sequedad inicial
25 %
Sequedad final.
Tipo de fango
85%
45% urbano + 55% industrial
Fango primario – Filtro banda.
Tabla 3.9 Principales características de la instalación en la EDAR de Ibi (Alicante)
96
INSTALACION DE SECADO TERMICO DE LODOS CON APROVECHAMIENTO DE
COGENERACION EN LA PLANTA DE TRATAMIENTOS DE AGUAS DE CURTIDOS EN
LORCA (MURCIA)
Puesta en marcha
Septiembre 2002
Funcionamiento
24 h/día – 7 días/semana
CARACTERISTICAS TECNICAS
Capacidad de extracción de agua
2 Túneles x 2.000 l/h
Aumento de la capacidad
Hasta 2.500 l/h/túnel
Producto a tratar
35.000-40.000 t/año
Aprovechamiento agua caliente 90/80ºC (sólo
Tecnología empleada
calor de bloque de motores de cogeneración)
CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO
Sequedad inicial
22-25%
Sequedad final.
80-90%
Tipo de lodo
Industriales (sector curtidos)
Destino final
Cementera
Tabla 3.10 Principales características de la instalación en Lorca (Murcia)
INSTALACION DE SECADO TERMICO DE SISTEMA MIXTO 33% PARA STEP DE LOUIS
FARQUE EN BORDEAUX (FRANCIA)
Puesta en marcha
Noviembre 2002
Funcionamiento
24 h/día – 7día/semana
CARACTERISTICAS TECNICAS
Capacidad de extracción de agua
1.200-1.350 l/h
Aumento de la capacidad
Hasta 2.500 l/h
Producto a tratar
15.000 t/año
100% bomba de calor + 33%
Tecnología empleada
Aprovechamiento agua de caldera de biogás
CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO
Sequedad inicial
28-30%
Sequedad final.
80-85%
Tipo de lodo
Lodos urbanos con carga industrial
Destino final
Cementera
Tabla 3.11 Principales características de la instalación en Bordeaux (Francia)
97
INSTALACION DE SECADO TERMICO PARA EDAR LA REGUERONA (ASTURIAS)
Puesta en marcha prevista
Funcionamiento
Marzo 2004
7.500 h/año
CARACTERISTICAS TECNICAS
Capacidad de extracción de agua
1.350-1.500 l/h
Posibilidad de aumento de la capacidad
Hasta 2.500 l/h
Producto a tratar
15.000 t/año
Aprovechamiento agua caliente 90-75ºC
Tecnología empleada
procedente de caldera de gas natural
CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO
Sequedad inicial
22-25%
Sequedad final.
80-90%
Tipo de lodo
Lodos EDAR
Tabla 3.12 Principales características de la instalación en la EDAR de La Reguerona (Asturias)
b) Tecnología HUBER
La tecnología HUBER con recirculación de aire consiste en un secadero evaporador,
tecnológicamente simple, que funciona a baja temperatura. No son necesarias etapas
adicionales, como tratamiento del vapor de agua extraído ni del aire de proceso (polvo,
olor y agentes contaminantes).
Como el lodo no se manipula mecánicamente durante el proceso de secado, la
emisión de polvo es muy baja. Por tanto, el sistema no necesita ser equipado de
ningún dispositivo de protección ante el riesgo de explosiones.
Figura 3.26. Esquema planta de secado térmico a baja temperatura HUBER
El secadero de banda HUBER es de diseño modular. Un módulo tiene capacidad
suficiente para la vaporización de hasta 750 kg/h de agua, que se corresponde con
98
unos 120.000 habitantes equivalentes. En la tabla 3.13 se resumen los modelos
existentes. La energía requerida se encuentra entre 0,3 y 1 kWh/kg de agua.
El sistema (Figura 3.26), puede funcionar con diversas fuentes de energía. Las
alternativas que presenta HUBER como fuentes de energía son:
-
Combustible convencional.
Cualquier corriente de aire caliente.
Energía solar.
KULT 20
CAPACIDAD DE
VAPORIZACION (kg/h)
150
220
MATERIA SECA A
LA ENTRADA (%)
25
KULT 40
300
440
25
KULT 60
450
660
25
KULT 80
600
880
25
KULT 100
750
1100
25
TIPO
PRODUCCION (kg/h)
Tabla 3.13 Modelos HUBER de secado de baja temperatura
Las principales ventajas de la tecnología HUBER son:
-
Demanda energética mínima: aproximadamente de 300 W/kg agua evaporada.
Recuperación de energía.
Sistema cerrado.
Ninguna emisión de polvo, olor o agentes contaminantes.
No requiere tratamiento de aire ni del vapor debido a las bajas temperaturas.
Capacidad de la evaporación: hasta 700 kg agua/h.
Unidad de bajo coste y amortización rápida de la planta.
Fácilmente ampliable debido al diseño modular.
El secadero HUBER de baja temperatura (Figura 3.27) consiste en varias cintas
transportadoras, generalmente dos, que se colocan una encima de la otra. Las cintas
están constituidas por correas gruesas a modo de malla. El fango previamente
deshidratado mecánicamente se distribuye sobre el ancho de la correa superior con un
espesor comprendido entre 5 y 15 centímetros. Para reducir las partículas de fango
deshidratado a un tamaño de grano aproximadamente de 5 milímetros, el fango
húmedo debe tener una consistencia mínima y una concentración de materia seca
superior al 30 %. Esta concentración se alcanza generalmente sin ningún problema
con los filtros prensa, filtros banda o mediante centrifugación. En caso de fangos de
poca consistencia es necesario una unidad de granulación donde la torta de fango se
desmenuza y granula previamente.
Una vez depositado sobre la cinta, el material se transporta a través del secadero. En
el extremo opuesto de la cinta, el material parcialmente seco se descarga sobre la
segunda cinta que recorre de nuevo en sentido inverso el secadero.
99
Figura 3.27 Esquema del secadero HUBER
Los ventiladores, situados sobre la cinta superior, absorben el aire ambiente que entra
en el secadero por la parte inferior del mismo. La capa de lodo sobre las cintas se
airea constantemente dando como resultado una rápida evaporación de la humedad
del fango. Dependiendo de las condiciones atmosféricas (humedad y temperatura),
una parte del aire puede ser recirculada. Este modo de operación da lugar a una
disminución considerable de los costes energéticos.
El volumen del lodo se reduce a medida que aumenta el nivel de secado. Para
asegurar una distribución del lodo uniforme sobre las cintas, necesario para el proceso
de secado, cada cinta está provista de un motor impulsor independiente y con
velocidad ajustable.
Si el aire ambiente esté frío o contiene demasiada humedad, no se puede extraer todo
el agua requerida del fango. Por esta razón el sistema de secado se equipa con un
quemador que permite asegurar el grado de secado solicitado. Dependiendo de las
condiciones del aire ambiente y de la capacidad de vaporación fijada, el quemador
suministra la energía térmica necesaria. El aire se calienta a la entrada del secadero
hasta una temperatura máxima de 40 ºC dependiendo del aire ambiente. También es
posible recuperar el calor residual de otras instalaciones o el empleo de energía solar.
En cuanto a las emisiones, destacar que como durante el proceso de secado el lodo
no se manipula mecánicamente, tanto el producto como el aire esta casi libre de polvo.
Debido a la baja temperatura de secado y a la gran corriente de aire introducida, la
concentración de contaminantes del aire a la salida del secadero está por debajo de
los límites legales. Medidas realizadas sobre muestras de aire demuestran que el
contenido de gérmenes no se diferencia del contenido en el aire ambiente. Las
emisiones de olor en el proceso, que alcanzan a menudo un valor crítico en plantas de
100
tratamiento de aguas residuales, muestran valores extraordinario bajos. La emisión de
olor del secadero está por debajo de las emisiones de la mayoría de las otras fuentes.
El sistema de secado se diseña en función de la consistencia y humedad del fango a
la entrada y humedad final requerida. A menudo, para obtener estos parámetros, se
analizan muestras de lodo en el laboratorio, obteniendo información sobre la relación
entre humedad y temperatura del aire, velocidad del aire y altura de la capa de lodo.
En base a estos datos el se dimensiona el secadero, fijando el número de cintas y la
velocidad de transporte de la cinta.
El proceso de secado, como se ha comentado con anterioridad, está influenciado por
las condiciones del aire ambiente. Para asegurar el grado de secado deseado, el
proceso se puede controlar a través de la corriente de aire y de la fuente de energía
térmica. La figura 3.28 muestra esta relación para una temperatura del aire ambiente
de 15 °C. Se observa que, dependiendo de la humedad relativa del aire ambiente, la
demanda de energética térmica aumenta a medida que disminuye el caudal de aire,
pasando por un máximo que depende de la humedad relativa.
Figura 3.28 Relación entre el caudal de aire y la demanda térmica
Durante la operación de la planta, estas relaciones se controlan con un programa a
partir de una base de datos, que adapta la corriente de aire y la demanda térmica en
función del aire ambiente.
Como el proceso de secado es a baja temperatura, se puede acoplar cualquier tipo de
calor residual, como por ejemplo:
-
Agua caliente de centrales térmicas.
Aire y gases calientes de procesos industriales.
Agua y vapor calientes de procesos industriales.
101
3.5 SECADERO DE CAPA FINA O MIXTO
Los secaderos mixtos se caracterizan fundamentalmente porque combinan el secado
por conducción a través de las paredes metálicas interiores del secadero, y por
convección por medio de una corriente de aire. Los secaderos de capa (o película) fina
son: secaderos mixtos, sin recirculación de fangos, parciales con secado de lodo más
allá de la fase pastosa, secado y granulación en un solo paso
a) Secaderos mixtos
En este secadero parte del calor se transfiere por conducción (2/3 del total) y otra
parte por medio de la corriente de aire (1/3 del total). El calor por conducción se
transmite a través de las paredes metálicas que son calentadas a su vez por el fluido
calefactor que circula por el interior de las paredes internas del secadero, no
existiendo contacto directo entre éste y el fango.
b) Secaderos sin recirculación de fangos
Los secaderos de capa fina, a diferencia de otro tipo de secaderos, permiten introducir
el fango con cualquier humedad sin necesidad de mezclarlo con fango recirculado,
evitando de esta forma la fase pastosa. El lodo húmedo (que puede incluso no estar
previamente deshidratado) es introducido en el secadero y obligado a atravesar la fase
pastosa (40 - 60% de sequedad) mientras se seca. Este método genera una elevada
cantidad de polvo si se supera el 80% de sequedad a la salida del secadero.
c) Secaderos parciales con secado de lodo más allá de su fase pastosa
Son sistemas capaces de obtener sequedades en un rango muy amplio, entre el 60 y
el 90%, pudiéndose alcanzar en algunos casos valores límites en torno al 95%.
d) Secado y granulación en un solo paso
El proceso de granulación, aunque sigue siendo posible, es más difícil de controlar.
Durante el proceso se genera una cantidad de polvo que, al no ser muy elevada,
puede ser recirculado evitándose un sistema de granulación posterior.
En cuanto a las características geométricas, se utilizan turbinas como secaderos de
capa fina. El diseño de estos secaderos es muy variable según el fabricante, sin
embargo en todos ellos se puede distinguir dos partes:
-
Estator. Carcasa cilíndrica fija en cuyo interior se encuentra el rotor. La carcasa
está hueca, de forma que permite la circulación del fluido calefactor que calienta
las paredes interiores.
-
Rotor (turbo-agitador). Es una turbina que gira a una gran velocidad de forma
que provoca una acción centrífuga del fango que lo esparce sobre la pared
interna del secadero. Por el interior del rotor también circula fluido calefactor que
calienta sus paredes.
La turbina tiene un diseño muy especial, y debido a ello, este secadero también recibe
el nombre de "turbosecadero"
102
3.5.1 Descripción del sistema
La figura 3.29 muestra el esquema principal de implantación de una planta de secado
de fangos de capa fina. Como se observa en el diagrama de bloques de la figura, los
elementos de la planta se pueden agrupar en los siguientes sistemas:
-
Sistema de alimentación del fango: El sistema de alimentación está compuesto
por una tolva dosificador de fango húmedo. En los secaderos de capa fina se
puede introducir el fango húmedo sin necesidad de mezclarlo previamente.
-
Sistema de producción de fluido caliente: Generalmente el fluido calefactor
empleado es aceite que se calienta en una caldera mediante los gases de escape
de un quemador alimentado de biogás o gas natural, o utilizando directamente los
gases de escape de un motor de cogeneración. El fluido calefactor calienta las
paredes del secadero circulando por su interior, y una parte se utiliza para calentar
el aire en un intercambiador.
Figura 3.29 Principio de funcionamiento de un secadero de capa fina
103
-
Sistema de secado: El secadero está constituido por el turbosecadero. Por un
extremo del secadero se introduce el fango húmedo, saliendo seco por el otro
extremo. En el secadero se introduce también aire de proceso que sale arrastrando
el vapor de agua extraído del fango durante el proceso de secado. Por el interior
de las paredes metálicas del secadero circula aceite térmico proveniente de la
caldera, transfiriendo calor por el interior de las paredes metálicas del rotor y el
estator, conduciéndose a la salida de nuevo a la caldera para su calentamiento.
-
Sistema de separación del producto: El sistema de separación elimina de la
corriente de fango seco las partículas más pequeñas. De esta forma, las partículas
de polvo son recirculadas y mezcladas con el fango húmedo.
-
Sistema de tratamiento del aire de proceso: El aire de proceso circula en circuito
cerrado. A la salida del ciclón, junto con el vapor de agua extraído del fango en el
secadero se conduce a un condensador. La corriente se enfría produciéndose la
condensación del vapor de agua. El agua arrastra las partículas de fango más
pequeñas que no habían sido retenidas en el ciclón. El aire de proceso antes de
volver al secadero es calentado en un intercambiador aprovechando el calor del
fluido calefactor. Por otro lado, el vapor de agua condensado junto con el agua de
enfriamiento se conduce a un hidrociclón donde se separan las partículas de fango
más compactas.
-
Sistema de granulación del producto: Si el producto seco contiene una elevada
cantidad de polvo se conduce a un pelletizador donde se alcanza la distribución de
tamaño de fango requerido.
-
Sistema de enfriamiento del producto: Las partículas de fango seco deben
enfriarse antes de llegar al silo de almacenamiento del producto final. El aire de
enfriamiento pasa a través de un filtro de mangas para separar las partículas que
pudieran portar.
3.5.2 Esquema del proceso
En la figura 3.30 se muestra el esquema típico del proceso de una planta de secado
de fangos de capa fina. El fango húmedo se introduce directamente en el secadero
(este sistema permite introducir el fango con cualquier humedad sin necesidad de
recircular ni mezclar previamente con fango seco). El fango atraviesa la fase pastosa
en el interior del secadero durante el proceso de secado.
El estátor, con forma cilíndrica, es fijo, mientras que el rotor es una turbina que gira a
una velocidad de 350 rpm. En la figura 3.31 aparece en detalle el turbosecadero. La
misión de la turbina es centrifugar el fango sobre la pared interna del secadero de
manera que forme una capa (o película) fina, potenciando la eficacia de la transmisión
de calor por conducción. La súbita generación de vapor desintegra rápidamente la
capa y se forman gránulos más pequeños que son transportados por la corriente de
aire y por la acción de la propia turbina, lo que genera una turbulencia que potencia la
tasa de transferencia de calor por convección.
104
Figura 3.30. Esquema de principio del turbosecadero
105
A la salida del secadero, el gas cargado de polvo y de vapor de agua, se dirige a un
ciclón donde es descargado el polvo. Estos secaderos pueden sufrir un gran desgaste
cuando el lodo está por encima del 80% del porcentaje de sólidos. El conjunto se
conduce hasta un lavador venturi y finalmente a una torre de enfriamiento donde se
condensa el vapor.
La línea de lavado de gases, al igual que en otras instalaciones, suele diseñarse en
función de la caracterización del fango a tratar. El gas una vez frío, tras abandonar el
condensador, se dirige a un intercambiador de calor para su calentamiento e
introducción de nuevo en el secadero.
La relación convección/conducción es variable y permite optimizar la transferencia de
calor y el secado de un tipo de fango en particular. Se puede objetar que el sistema,
como la mayoría de las instalaciones de secado, es poco sensible a la humedad de
entrada del fango. Pero en este caso hay que resaltar que el sistema tiene la ventaja
de poder admitir fango de cualquier tipo de humedad, incluso líquido.
Figura 3.31. Turbosecadero
El sistema cerrado de aire es una pieza fundamental ya que permite mantener
sistema con un bajo contenido de oxígeno además de eliminar las emisiones a
atmósfera. La formación de incondensables es, obviamente, inevitable. Por ello
sistema dispone de un drenaje en continuo que conduce estos compuestos hacia
caldera de aceite térmico para su destrucción térmica.
el
la
el
la
El funcionamiento del sistema es seguro y de fácil control, aunque está considerado un
sistema poco automatizado. La puesta en marcha y las paradas no son problemáticas
y el consumo energético es bajo.
106
3.5.3 Tecnologías de secado de capa fina
La principal tecnología de secado térmico de capa fina es la Tecnología VOMM
aplicada en varios sectores industriales. La tecnología está basada en la suspensión
del material húmedo en un flujo de aire caliente altamente turbulento. La suspensión
se crea mecánicamente en dirección horizontal. El producto a secar se alimenta por un
extremo del cilíndrico horizontal y, una vez introducido, se mantiene contra las paredes
del tambor por la acción de centrifugado. El calentamiento de las paredes se realiza
por medio de vapor, aceite sobrecalentado o cualquier otro fluido térmico que circula
por el interior de una carcasa coaxial que envuelve el cilindro horizontal.
El aire utilizado en el proceso se filtra para eliminar las partículas en suspensión y
posteriormente se calienta en un intercambiador antes de ser inyectado nuevamente
en el secadero junto con el material húmedo. A medida que se genera vapor de agua
alrededor del material, es evacuado rápidamente arrastrado por la corriente de aire. La
separación de las partículas secas de la corriente de aire se realiza en un ciclón.
En circunstancias específicas, el vapor extraído del material se puede evacuar del
interior del tambor por aspiración a través del centro del eje del turbo-agitador,
descargándose el material seco y libre de vapor directamente por el extremo.
El turbosecadero es por tanto un sistema de secado continuo que opera combinando
los efectos térmicos de conducción y convección con resultados tecnológicos
excelentes. En la tabla 3.14 se recogen los diferentes modelos desarrollados por
VOMM para el secado de todo tipo de productos.
MODELOS
TD ES 350
TD ES 450
TD ES 600
TD ES 900
TD ES 1100
TD ES 1500
TD ES 1700
(1)
(2)
DIAMETRO
TURBINAS
355 mm 14"
457 mm 18"
609 mm 24"
914 mm 36"
1.100 mm 43"
1.500 mm 59"
1.700 mm 68"
CAPACIDAD (1)
DIMENSIONES (2)
PESO (kg)
50-150
75-200
150-500
400-1.000
1.200-2.000
1.800-3.500
2.500-4.500
4.500 x 1.500 x 1.800
5.000 x 1.800 x 2.000
6.000 x 2.000 x 2.100
7.500 x 2.200 x 2.200
8.500 x 2.500 x 2.500
10.500 x 3.000 x 2.800
12.000 x 3.500 x 3.500
2.800
4.500
7.500
12.500
14.000
22.000
25.000
l/h agua evaporada (función características reológicas y estabilidad térmica del producto)
largo x ancho x alto. Referencias exclusivas al secadero excluyendo el sistema de transporte de polvo
Tabla 3.14 Modelos de secaderos VOMM
El turbosecadero se ajusta perfectamente en función las características del material a
secar y del producto final deseado. El desarrollo tecnológico del secadero, así como su
construcción, permite una entrada continua y constante de cualquier tipo de material,
independientemente de su consistencia y contenido en agua inicial. La regulación de la
velocidad de rotación del agitador, de la temperatura del aire y de las paredes del
turbosecadero permite una determinación precisa del tiempo de residencia,
temperatura del proceso y humedad del producto final.
VOMM ha desarrollado varios modos de operación en función de la aplicación:
107
-
Versión Turbo-aglomerado: Muchos productos secos requieren una granulación
uniforme. El movimiento circular de rotación al que se somete el producto durante
el proceso de secado tiende a formar gránulos relativamente uniformes, esféricos
con una distribución granulométrica ajustable.
-
Versión de baja temperatura: Se utiliza en productos orgánicos sensibles al calor.
Un tiempo de contacto corto, combinado con el control de temperatura de las
paredes del secadero y del aire hacen esta tecnología idónea para el secado de
productos sensibles al calor y que se deben secar a bajas temperaturas. El
turbosecadero descarga el producto seco a una temperatura inferior a 400 ºC,
manteniendo todas sus características. Tiene un gran campo de aplicación en la
industria química farmacéutica y en el sector alimenticio en general.
-
Versión de Turbo-pulverizador: Cuando es necesario una partición del material
en partículas muy finas el turbosecadero se equipa y se regula para reducir los
gránulos al tamaño de partícula deseado. La modificación de parámetros del
proceso como perfil y velocidad el turbo-agitador y la instalación de clasificadores
permite obtener un producto final pulverizado. No se requiere ningún sistema de
molienda adicional, eliminándose los costes y riesgos que esto conlleva.
-
Versión de alta temperatura: Muchos procesos industriales requieren una alta
temperatura del contacto para realizar operaciones específicas como oxidación,
calcinación, esterilización, etc. La obtención de altas temperaturas es debido al
contacto directo de la película fina de material y la pared interna del secadero.
-
Versión de Turbo-concentración: Muchas aplicaciones requieren concentración
inicial de productos más o menos viscosos sin necesidad de un secado completo.
-
Versión con atmósfera inerte: El secado en ausencia de aire es muy común en la
industria química y farmacéutica, especialmente cuando se trabaja con productos
inflamables o fácilmente oxidables. Las adaptaciones del turbosecadero permiten
la operación con atmósfera inerte (nitrógeno u otros gases), eliminando cualquier
contacto con el aire. El gas usado se puede recuperar y reutilizar en el proceso.
El turbosecadero VOMM TDE funciona de forma continua debido a la capacidad de
realizar un secado ultrarrápido de muy diversos materiales, tales como, soluciones
concentradas, sólidos húmedos y lodos.
VOMM ha diseñado y construido un modelo de secadero de capa o película fina para
el tratamiento específico de fango, denominado Turbo-Dryer Ecologist (TDE). En la
tabla 3.15 se recogen los diferentes modelos disponibles.
(1)
(2)
MODELOS
DIAMETRO TURBINAS
CAPACIDAD (1)
DIMENSIONES (2)
TDE 450
TDE 600
TDE 900
TDE 2/900
450 mm
600 mm
900 mm
2x900 mm
100-200
200-500
700-1.500
1.500-3.000
5.000x1.800x2.000
6.000x2.000x2.100
7.500x2.200x2.200
7.500x5.000x2.200
l/h agua evaporada.
Referencias exclusivas al secadero excluyendo el sistema de separación de polvo.
Tabla 3.15 Modelos y características técnicas del secadero TDE
108
Una de las características del secadero (Figura 3.32) es la gran fluidificación del
material introducido en el secadero. Se consigue así un área superficial máxima para
la evaporación y una gran agitación del producto, dando como resultado un tiempo de
residencia muy pequeño en el proceso de secado.
Consumo energético
El consumo de energía de esta tecnología está comprendido entre 750 y 1.000 kcal
por litro de agua evaporada. La cantidad exacta depende de las características del
producto a secar, del contenido y la concentración inicial.
Secado y granulación de fangos
La flexibilidad del proceso TDE permite tratar lodos de naturaleza muy diversa. Debido
al movimiento rotatorio y alta intensidad a la que es sometido el fango, el producto final
se descarga en forma de gránulos esféricos regulares, compactos, resistentes y no
porosos, que se transportan y manipulan fácilmente sin crear contaminación de polvo.
Figura 3.32: Turbosecadero VOMM
3.6 SECADERO DE CONDUCCION PURA O DE BANDEJAS
En estos secaderos el calor para evaporar la humedad del fango es transferido por
conducción. La transferencia de calor es en realidad por conducción y radiación ya que
las bandejas, a elevada temperatura, emiten calor radiante sobre el material. Los
secaderos por conducción pura, se caracterizan porque son: secaderos indirectos, con
recirculación de fango seco, completo y de secado/granulación de un solo paso.
109
Figura 3.33. Detalle de una instalación con tecnología VOMM
a) Secaderos indirectos
En los sistemas por conducción pura el calor se transfiere por contacto del fango con
las paredes metálicas del interior del secadero, que a su vez son calentadas por un
fluido calefactor que circula por su interior. El fluido calefactor es un aceite térmico o
vapor, calentado en una caldera de recuperación alimentada con los gases escape de
un quemador de gas o con los gases de escape de un motor de cogeneración.
b) Secaderos con recirculación de fango seco
En estos secaderos es muy importante el tipo de movimiento que se ejerce sobre las
partículas de fango en el interior del secadero. Por este motivo, el secadero requiere
recirculación del fango seco, evitando los problemas de la etapa plástica o pastosa
(entre 40 y 60% de materia seca). Por tanto es necesario que el fango deshidratado se
acondicione previamente mezclándose con fango seco recirculado.
c) Secaderos completos
El proceso de granulación que tiene lugar en el mezclador-recubridor cada vez que la
partícula de fango es recirculado (capa de lodo húmedo sobre núcleo de lodo seco),
unido al movimiento suave y continuo que se ejerce sobre las partículas en el interior
del secadero, hace que el proceso de transferencia de calor sea muy eficaz
alcanzándose sequedades típicas superiores al 95%.
110
d) Secaderos de secado/granulación en un solo paso
El sistema mezclador-recubridor de fango permite obtener en un solo paso un
producto final granulado con un tamaño de partícula homogéneo que cumple los
requisitos de calidad física exigidos según la vía de valorización escogida.
En cuanto a las características geométricas, se utilizan como secaderos indirectos de
conducción pura una carcasa vertical cerrada en cuyo interior se localizan un conjunto
de bandejas horizontales que recuerdan los platos de un destilador.
3.6.1 Descripción del sistema
La figura 3.34 muestra el esquema principal de implantación de una planta de secado
de fangos por conducción pura. En el diagrama de bloques de la figura se observa que
la planta consta de una serie de elementos y corrientes que se pueden agrupan en los
siguientes sistemas:
-
Sistema de alimentación del fango: Constituido por una tolva de fango
deshidratado y un mezclador-recubridor al que llega el fango húmedo y las
partículas de fango seco. Se produce así una mezcla en la que el fango húmedo
recubre al fango seco formando una capa delgada alrededor de la partícula.
-
Sistema de producción de fluido caliente: El medio calefactor, aceite térmico o
vapor, es calentado en una caldera de recuperación alimentada por los gases de
escape de un quemador de biogás o gas natural o bien aprovechando los gases de
escape de un motor de cogeneración. El fluido calefactor a la salida de la caldera
se conduce al secadero donde se enfría al ceder calor en el interior y es devuelto
de nuevo a la caldera en circuito cerrado.
-
Sistema de secado: El secadero está constituido por una carcasa vertical cerrada,
con un conjunto de bandejas horizontales alimentadas con fluido calefactor que
circula por su interior. Al secadero llega por la parte superior la mezcla de fango
que va secándose en su recorrido por el interior recogiéndose las partículas una
vez secas por su parte inferior. Al secadero se introduce una débil corriente de aire
para arrastrar el vapor de agua extraído del fango.
-
Sistema de separación del producto: Las partículas sólidas de fango seco a la
salida del secadero son conducidas al silo de separación, donde las partículas más
pequeñas son recirculadas, pasando previamente por el mezclador-recubridor, y el
resto se conducen al enfriador de gránulos.
-
Sistema de enfriamiento del producto: Las partículas de fango seco se enfrían
antes de llegar al silo de almacenamiento del producto final. El aire de enfriamiento
se conduce a un filtro de mangas que separa las partículas que pudieran arrastrar.
-
Sistema de tratamiento de los gases: El agua evaporada y el aire se llevan a un
condensador donde se separan. El agua de enfriamiento y la extraída del fango
son conducidas a la EDAR para su depuración, mientras que el aire se lleva al
sistema de tratamiento de olores.
111
Figura 3.34 Principio de funcionamiento del secadero de bandejas
3.6.2 Esquema del proceso
El fango húmedo (Figura 3.35) mezclado con el seco en un mezclador-recubridor, se
introduce en el interior de unas bandejas (Figura 3.36) que recuerdan los platos de un
destilador. Un fluido calefactor (aceite térmico o vapor) calienta el plato o bandeja, que
a su vez calienta el material a secar. El secadero se asemeja más a un evaporador, o
destilador, o tostador que a un secadero.
112
Figura 3.35 Esquema de principio de un secadero de bandejas
113
Figura 3.36. Plato o bandeja
Figura 3.37 Secadero de bandejas
La unidad (Figura 3.37) consiste en una carcasa vertical cerrada con una gran
cantidad de bandejas horizontales, colocadas una encima de otra. El fango se
deposita en la bandeja superior y se mueve gracias a la acción de una rasqueta radial
accionada por el eje vertical que va mezclando el fango. El fango va pasando así de
una bandeja a otra, desde la superior hasta la inferior donde ya llega seco. El
secadero produce un producto granulado con un contenido en sólidos superior al 90%.
La clave del proceso de secado de conducción es el mezclador-recubridor de lodo
situado encima del secadero. En el mezclador-recubridor las partículas de fango seco
se recubren con una capa delgada de fango húmedo previamente deshidratado
mecánicamente. El fango seco proporciona un núcleo alrededor del cual el fango
húmedo comienza a adherirse. Este proceso (Figura 3.38) de formación de gránulos,
fango seco en el interior y húmedo en el exterior, es extremadamente importante.
Figura 3.38 Proceso de revestimiento
Figura 3.39 Mecanismo de evaporación
114
Los gránulos revestidos se llevan directamente al secadero, donde caen sobre el cono
de distribución en la sección superior del secadero, que los extiende uniformemente en
la bandeja superior. Una vez dentro, el lodo se mueve sobre la bandeja superior en un
movimiento circular gracias a la acción de los brazos de un rastrillo o rasqueta radial
que rota solidariamente al eje central (velocidad de rotación alrededor de 6 rpm). El
lodo se barre a lo largo de la bandeja, cayendo en la segunda bandeja al llegar al
borde de la misma. El lodo se barre hacia dentro de forma que al llegar al centro (en
este caso la apertura se localiza en el centro) cae a la tercera bandeja. Y así,
sucesivamente, el lodo se transporta de una bandeja a la inmediatamente inferior
cayendo alternativamente a través del hueco interior o exterior hasta alcanzar el fondo.
Al moverse el lodo sobre la superficie de las bandejas se va secando por contacto con
la superficie metálica caliente. El mecanismo de evaporación, (Figura 3.39), se
produce por diferencia de temperaturas y de presión parcial del vapor de agua.
La atmósfera en el interior del secadero es prácticamente inerte ya que consiste
únicamente en vapor de agua (la concentración de O2 < 1%). Solamente se introduce
una débil corriente para arrastrar el vapor generado.
Debido a la acción de arado de los brazos del rastrillo, las partículas de lodo se
mezclan y voltean continuamente, resultando una alta eficacia de evaporación y
evitando el recalentamiento del lodo. Con este movimiento suave se evita la formación
de polvo. Los gránulos que se forman tienen forma redonda, regular, con un rango de
diámetros medios comprendido entre 2 y 5 mm y un contenido de sólidos superior al
90 %. El tamaño de partícula depende levemente del tipo de lodo y de la recirculación.
En la figura 3.40 se representa la distribución de tamaños de los gránulos para tres
tipos de lodos y en la figura 3.41 el aspecto de una muestra de lodo seco.
Los gránulos de lodo seco se recogen en un transportador del tornillo sinfín en el fondo
del secadero y se transportan a la tolva de separación por medio de un elevador. La
figura 3.42 muestra el esquema de una instalación de secado por conducción pura.
Figura 3.40 Distribución granulométrica acumulada para tres diferentes tipos de lodos
115
Figura 3.41 Muestra de lodo seco
La función de la tolva es separar el flujo de gránulos a reciclar del flujo de gránulos
producto. El elevador alimenta el primer compartimiento de la tolva de separación,
asegurando que siempre habrá gránulos disponibles para reciclar. De este
compartimiento se extrae el flujo para reciclar transportándose al mezclador-revestidor
por medio de un transportador de tornillo sinfín. Cuando el primer compartimiento está
lleno, los gránulos rebosan y caen al segundo compartimiento, de donde se alimenta a
un enfriador de gránulos.
Figura 3.42 Esquema del secadero de bandejas
116
Figura 3.43. Crecimiento de las partículas en el proceso de granulación.
Los gránulos se reciclan típicamente de unas 5 a 7 veces. En cada una de las etapas
el lodo se seca con una capa nueva de lodo húmedo que lo recubre aumentando cada
vez su tamaño, tal y como se representa en la figura 3.43.
Los gránulos salientes se enfrían a una temperatura inferior a 40 °C en un lecho fluido.
El aire usado para la fluidificación se hace pasar por un filtro de mangas para eliminar
el polvo que pudiera arrastrar. Este enfriamiento previene la autoignición de los
gránulos y evita la absorción de humedad del aire por los gránulos calientes. Para
cada problema, o tipo de secado, se adopta una configuración de lavado de gases
diferente pero, por lo general, la línea para los tratamientos de EDAR`s es la indicada.
Al funcionar como evaporador, es preciso tomar las precauciones que deben tenerse
en cuenta en este tipo de instalaciones. La temperatura de trabajo de las bandejas es
elevada y el material a secar está directamente en contacto con ella. El material se
trata, como se ha indicado, de una mezcla de fangos, una parte del fango es seco, en
forma de gránulos, y otra parte es fango húmedo que al mezclarse forma una capa
delgada alrededor del grano seco. Esta capa delgada se va endureciendo a lo largo
del proceso de secado hasta formar un gránulo duro al final del proceso. Si la mezcla
no se realiza correctamente y un grano seco permanece mucho tiempo en contacto
con la bandeja, el calentamiento puede ser tan intenso que provoque una importante
volatilización de COV`s con el subsiguiente peligro de incendios.
El tamaño de la instalación es grande debido al tiempo de retención del sólid. Una
graduación en el material de entrada más fina requeriría una altura menor.
Un problema detectado es el pegado (costra) de algunos pedazos de fangos en la
superficie de la bandeja. A parte de un problema mecánico que impide el transporte el
sistema, provoca un recalentamiento que puede originar problemas de seguridad. Las
grandes dimensiones de la instalación suponen una inversión suplementaria
importante. Además tiene una gran inercia térmica, lo que se traduce en baja
flexibilidad y en tiempos importantes de parada y puesta en marcha.
3.6.3 Tecnologías de secado de bandeja
La tecnología se secado de bandejas ha sido desarrollada por compañías como
SEGHERS. Esta tecnología de secado térmico de fangos, como se ha visto en los
apartados anteriores, consiste en un secadero vertical de secado indirecto de
bandejas con recirculación de fango seco, en el cual el lodo se seca y granula en un
solo paso. La figura 3.44 muestra una planta diseñada por SEGHERS.
117
Figura 3.44 Planta de secado térmico de bandejas de tecnología SEGHERS
La capacidad de evaporación de las plantas de secado de tecnología SEGHERS
abarca desde los 100 a los 10.000 kg agua evaporada/h. La capacidad de la unidad
viene definida por la superficie de intercambio del secadero, es decir, por el diámetro y
el número de bandejas. La gama de secaderos de la tecnología desarrollada por
SEGHERS se recoge en la tabla 3.16.
La información necesaria para diseñar un secadero de bandejas SEGHERS debe
incluir los siguientes datos:
-
Cantidad de fangos húmedos a tratar (t/a)
Régimen de trabajo: típicamente 8.000 h/año (2x2 semanas de mantenimiento)
Cantidad horaria de lodo seco (kg M.S./h)
Contenido en sólidos del lodo a tratar (%)
Contenido en sólidos requerido del lodo seco (%)
Temperatura del lodo a la entrada
Tipo de lodo
118
Tipo
Capacidad evaporación
(kg agua/h)
Capacidad de granulado
(kg gránulos/h) (1)
Habitantes
Equivalentes (HE) (2)
2.000
100 - 500
56 – 149
14.000 - 38.000
3.000
500 - 1.300
187 - 485
47.000 - 122.000
5.200
1.000 - 6.000
597 - 2.239
150.000 - 564.000
6.200
6.000 - 10.000
2.239 - 3.731
564.000 - 940.000
(1) de 25% M.S. a 92% M.S.
(2) para 75 g M.S./HE día y 7.500 h/a de operación
Tabla 3.16 Capacidades de los modelos desarrollado por SEGEHRS
El diseño del secadero de bandejas asegura las siguientes ventajas tecnológicas:
-
El lodo se seca por contacto con las bandejas calientes. El lodo no se expone, en
ningún momento, al medio de calefacción (aceite térmico) que circula por el interior
de las bandejas. Por tanto no es necesario introducir aire dentro del secadero
(estrictamente secado indirecto).
-
La atmósfera en el secadero consiste únicamente en vapor de agua, evitándose de
esta forma el riesgo de incendios o explosiones.
-
El vapor extraído del fango se arrastra sobre las bandejas hacia la abertura y va
ascendiendo hacia la bandeja superior, abandonando el secadero en la parte
superior. El calor radiante de las bandejas sobrecalienta levemente el vapor de
agua, evitándose la condensación y por tanto los problemas de corrosión.
-
El proceso de revestimiento que tiene lugar en el mezclador-recubridor cada vez
que la partícula de fango es recirculado (capa de lodo húmedo sobre núcleo de
lodo seco) da lugar a un producto final duro y fácil de manipular.
-
Los brazos del rastrillo inducen al lodo un "movimiento circula" dando lugar a
gránulos regulares de forma esférica.
-
El lodo se mueve a través del pelletizador de una manera suave y continua,
evitándose de esta forma la formación del polvo.
-
Debido al movimiento suave y continuo de las partículas a lo largo del secadero, la
abrasión es muy baja. La recirculación del lodo seco evita que tenga que atravesar
la fase pastosa en el interior del secadero. Por tanto, el consumo de energía es
mínimo (40-50 kWh/ton agua evaporada).
-
Debido a la acción de arado que ejercen los brazos del rastrillo sobre las partículas
de fango, éstas se mezclan y remueven continuamente, dando lugar a una elevada
eficacia de secado, evitando el recalentamiento local del lodo.
-
Debido a esta elevada eficacia de secado y al hecho de que el proceso de secado
es indirecto, el consumo de energía térmica es bajo. El consumo de energía típico
del secadero de bandejas es de 2.900 kJ/kg de agua evaporada.
119
-
Los gránulos producidos tienen un contenido en sólidos seco superiores al 95%,
un diámetro medio entre 2 y 5 mm y una distribución de tamaño muy estrecha.
-
El elevado tiempo de residencia de cada partícula en el secadero reduce el
contenido en patógenos del lodo por debajo de los niveles permitidos, incluso
después de 1 año de almacenaje no se encontró ningún nuevo crecimiento
significativo. Los gránulos obtenidos se reconocen como "clase A" de acuerdo con
USA EPA 503 y se pueden utilizar en terrenos sin restricciones adicionales (con
concentraciones aceptables de metales).
-
Las instalaciones de secado por conducción pura son plantas que no contaminan
el medio ambiente. El proceso de secado indirecto produce:
•
•
•
•
-
Un flujo muy pequeño de aire de enfriamiento que puede ser tratado.
Una fracción pequeña de incondensables que se destruyen en la caldera de
aceite térmico.
Condensados que son enviados de nuevo a la EDAR.
Las partículas finas separadas del aire de enfriamiento se devuelven al proceso
en el mezclador-revestidor. Como el pelletizador trabaja a una presión
ligeramente inferior a la atmosférica, ninguna partícula de polvo se escapa al
ambiente.
La planta de secado de convección pura es bastante segura: no se permite la
entrada de aire dentro del pelletizador de modo que el contenido en oxígeno es
muy bajo, el proceso de secado suave y lento, y el control de la temperatura de
operación evita la autoignición de las partículas. Las partículas libres del polvo son
enfriadas a una temperatura inferior a 40 ºC asegurándose una manipulación y
almacenaje seguro del producto. En la tabla 3.17 se comparan las condiciones de
operación del proceso SEGHERS frente a los valores límites de explosión.
<2%
Limite típico de
explosión
5%
< 0,5 g/m2
50 g/m2
< 100 ºC
120 ºC
SEGHERS
Oxigeno
Polvo
Temperatura del producto
Tabla 3.17 Condiciones de operación del secadero SEGHERS
3.7 SECADERO POR CONDUCCIÓN ROTATIVO
En este sistema el calor se transfiere al fango a través de una superficie metálica que
impide el contacto directo del fango con el fluido calefactor. Es un sistema de
conducción de calor ayudado por una ligera entrada de aire, suficiente para eliminar el
vapor de agua extraído del fango. Los secaderos por conducción rotativo se
caracterizan porque son: secaderos indirectos, completos y parciales y de
secado/granulación de un solo paso.
120
a) Secaderos indirectos
En los sistemas por conducción rotativa el calor para secar el fango se transfiere por
contacto del fango con las paredes metálicas del interior del secadero. Estas paredes
son a su vez calentadas por medio de un fluido calefactor que circula por su interior.
Generalmente el fluido calefactor se trata de aire caliente, aceite térmico o vapor
calentado en una caldera alimentada con los gases escape de un quemador de gas o
bien a través de los gases de escape de un motor de cogeneración.
b) Secaderos con y sin recirculación de fango seco
En función del contenido en materia seca que se quiera obtener en el producto final,
es posible realizar el secado con las dos configuraciones: con y sin recirculación del
lodo seco.
c) Secaderos completos y parciales
El proceso con recirculación de fango seco es un proceso de secado completo,
alcanzándose sequedades típicas superiores al 95%. Cuando el sistema trabaja sin
recirculación sólo es posible secar el fango hasta un 40-50% (se seca hasta llegar a la
fase pastosa). En ambos casos el fango no atraviesa la etapa plástica o pastosa (entre
el 40 y el 60% de materia seca) en el interior del secadero, evitándose los problemas
derivados (durante esta etapa el fango llega a ser muy pegajoso y difícil de manejar,
apelmazándose y bloqueando los sistemas de desplazamiento en el secadero).
d) Secaderos de secado/granulación en un solo paso
Mediante un sistema de clasificación del fango seco es posible obtener un producto
final granulado con un tamaño de partícula homogéneo que cumple los requisitos de
calidad física exigidos según la vía de valorización escogida, sin necesidad de un
sistema de granulación adicional.
En cuanto a las características geométricas, se utiliza como secadero rotativo una
carcasa cilíndrica horizontal (estator) en el interior de la cual gira un rotor. El diseño
geométrico del secadero es muy variable dependiendo de cada fabricante. El diseño
de rotor más extendido es el compuesto por un eje tubular (por cuyo interior circula el
fluido calefactor), sobre el que van montados perpendicularmente una serie de discos
(superficies calefactores) que hacen de superficies extendidas transmitiendo el calor al
fango por conducción.
3.7.1 Descripción del sistema
La figura 3.45 muestra el esquema de una planta de secado de fangos por conducción
rotativo. Los elementos y corrientes del diagrama se pueden agrupan en los siguientes
sistemas:
-
Sistema de alimentación del fango: El sistema de alimentación (en el caso de
secado con recirculación) está compuesto por una tolva de fango deshidratado,
una tolva de producto recirculado seco y un mezclador que suministra al secadero
la combinación necesaria de cada uno de los fangos (secos y húmedos).
121
Figura 3.45 Principio de funcionamiento del secadero por conducción rotativo
-
Sistema de producción de fluido caliente: El medio calefactor puede ser aire
sobrecalentado, aceite térmico o vapor que es calentado previamente en una
caldera alimentada por los gases de escape de un quemador de biogás o gas
natural o bien aprovechando los gases de escape de un motor de cogeneración. El
fluido calefactor a la salida de la caldera se conduce al secadero donde se enfría al
ceder calor en el interior y es devuelto de nuevo a la caldera en un circuito cerrado.
-
Sistema de secado: El secadero está constituido por una carcasa horizontal
cerrada que contiene un rotor que gira en su interior. El rotor se alimentada con
fluido calefactor que circula por su interior. Al secadero llega por un extremo la
mezcla de fango que va secándose en su recorrido por el interior, recogiéndose las
partículas una vez secas por el otro extremo. También se introduce una débil
corriente de aire para arrastrar el vapor de agua extraído del fango.
-
Sistema de tratamiento del aire de proceso: Las partículas sólidas de fango
seco que pudiera arrastrar la corriente de aire y vapor son extraídas a la salida del
122
tambor mediante un ciclón. Posteriormente, el agua evaporada del fango se separa
en un condensador de la corriente de aire.
-
Sistema de cribado del producto: El sistema de cribado, compuesto por un
clasificador y un molino, permite separar la corriente de fango seco en función del
tamaño de las partículas, de forma que las partículas que no se encuentran dentro
del rango deseado son recirculadas.
-
Sistema de enfriamiento del producto: Las partículas de fango seco deben ser
enfriadas antes de llegar al silo de almacenamiento del producto final. El aire de
enfriamiento, junto con el aire extraído de elementos de almacenamiento y
transporte del fango, es llevado a un filtro de mangas para separar las partículas
que pudieran portar, siendo conducidas a la tolva de fango recirculado.
3.7.2 Esquema del proceso
El fango deshidratado se mezcla con fango seco y se introduce en el interior de un
tambor rotativo junto con un poco de aire caliente (Figura 3.46). La estructura del
secadero está compuesta por un estator con raquetas que penetran en el interior de
los discos del rotor. El rotor es el elemento giratorio compuesto por un eje tubular
sobre el que van montados una serie de discos (superficies calefactores). La especial
configuración de los discos en el interior del estator permite alcanzar elevados
coeficientes de transferencia de calor. La calefacción se lleva a cabo por vapor de
agua a media presión, aceite térmico o aire precalentado.
La velocidad de rotación es muy lenta y la mezcla con fango seco hace que el
secadero funcione lleno por lo que la circulación de aire es puramente simbólica o sea,
tan solo la necesaria para arrastrar el vapor de agua.
El sistema actúa como secadero completo, incorporando una recirculación de lodos
secos. El producto final que sale del secadero es muy polvoriento y se requiere una
granulación posterior. Además, debido a esto en el interior del secadero se produce un
gran desgaste. En algunas aplicaciones, pueden actuar como sistema de secado
parcial, en cuyo caso el lodo se introduce sin ningún tipo de acondicionamiento previo.
El movimiento del fango se lleva a cabo exclusivamente por la rotación del rotor, por
tanto el desplazamiento es dependiente de las condiciones reológicas del fango (la
fase pastosa del fango es difícil de ajustar). Por ello es un secadero robusto y
compacto que requiere menos espacio.
Como inconveniente se puede citar la abrasión, que en este tipo de secaderos es muy
alta. Además, la gran cantidad de material en el interior, el largo periodo de
permanencia y la robustez del sistema conducen a una elevada inercia térmica, que
es negativa para el control general de la instalación. Por todo ello, un secado más allá
del 80% de sequedad puede comportar riesgo de incendio. La puesta en marcha suele
ser complicada y larga, y una parada brusca puede bloquear el sistema de transporte.
En paradas no programadas, las palas se enfrían y el vapor puede condensar en el
interior creándose un fango muy húmedo en el interior.
123
Figura 3.46 Esquema de principio del secadero por conducción rotativo
124
3.7.3 Tecnologías de secado por conducción rotativo
Las principales tecnologías de secado térmico por conducción rotativo son:
-
Tecnología ATLAS-STORD
Tecnología SERNAGIOTTO
Tecnología TSIKISHIMA KIKI.
a) Tecnología ATLAS-STORD
ATLAS-STORD tiene más de 20 años de experiencia relacionada en la resolución de
problemas de residuos, teniendo en su haber más de 100 instalaciones de secado de
lodos. El secadero ROTADISC de ATLAS-STORD desempeña un papel importante en
el secado de lodos procedentes de estaciones depuradoras de aguas residuales
urbanas e industriales. Dependiendo de las características del fango en cuanto a su
fase pastosa (suele aparecer con un contenido de materia seca entre el 45 y el 65%)
se puede obtener:
- Secado parcial.
El lodo se seca en un secadero indirecto sin recirculación hasta que el producto
alcanza un contenido de materia seca en torno al 43%. La figura 3.47 muestra el
esquema del secadero parcial ROTADISC sin recirculación.
- Secado completo.
El lodo se seca hasta alcanzar un contenido de materia seca aproximadamente entre
el 90 y el 95%. En este proceso de secado, a diferencia del secado parcial, una parte
del lodo seco a la salida del secadero se mezcla con fango húmedo. Esto permite
obtener un producto mezclado con un contenido en materia seca por encima de la fase
pastosa, sin ningún mezclador adicional. La figura 3.48 muestra el esquema del
secadero completo ROTADISC con recirculación de fango seco. En este caso la
recirculación se hace directamente sin necesidad de incorporar ningún sistema
adicional de mezclado de fangos.
Figura 3.47 Secadero parcial ROTADISC sin recirculación
125
Figura 3.48 Secadero completo ROTADISC con recirculación de fango seco
Tanto si es secado parcial (sin recirculación), como si es secado completo (con
recirculación), el material a secar se introduce por un extremo del secadero y es
transportado al otro extremo, mientras se agita, ayudado por la rotación del rotor. La
velocidad de transporte del fango por el interior variará de un producto a otro y puede
ajustarse. El vapor generado en el interior, es extraído continuamente por la parte
superior del secadero ayudado por una ligera corriente de aire que lo arrastra. En la
figura 3.49 se muestra el aspecto exterior del secadero ROTADISC.
El secadero ROTADISC está constituido por una carcasa en cuyo interior gira un rotor.
El rotor está constituido por un eje tubular por cuyo interior circula el fluido calefactor.
Perpendicular al eje del rotor se colocan una serie de discos que transmiten el calor
por conducción a modo de superficies extendidas. Los discos aparte de transportar el
fango a lo largo del secadero actúan como agitadores del producto, mejorando la
transferencia de calor. ROTADISC ha desarrollado tres diseños diferentes de discos:
-
Secadero TST (Figura 3.50)
Secadero TSD (Figura 3.51)
Secadero RCD (Figura 3.52)
Figura 3.49 Aspecto exterior del secadero ROTADISC
126
Figura 3.50 Rotor TST
Figura 3.51 Rotor TSD
Figura 3.52 Rotor RCD
b) Tecnología SERNAGIOTTO
SERNAGIOTTO ha diseñado y construido dos tipos de secaderos térmicos por
conducción rotativo, trabajando con recirculación de fango seco, garantizando un
producto final con un contenido en sólidos entre el 85-95%:
-
Secadero CSD
Secadero MCL
- Sistema CSD
El sistema de secado conductivo CSD consiste en un tambor rotatorio de doble paso
con tres cilindros coaxiales. Una corriente de aire caliente circula en el espacio entre el
cilindro interno y el intermedio. El fango entra por un extremo del cilindro interno,
atraviesa el secadero y al llegar al otro extremo vuelve por el cilindro externo, de forma
que el fango seco sale por el mismo extremo por donde se alimenta. Los gases de
salida del secadero, que contienen una ligera corriente de aire, vapor de agua y
partículas de polvo, se hacen pasar por un ciclón y un scrubber antes de recircularlos
al quemador para su desodorización térmica.
El secadero CSD presenta para cada modelo dos configuraciones posibles: con
recirculación del fango seco (Opción A) y sin recirculación de fango seco (Opción B).
Si se requiere un contenido en sólidos menor (65-70%), o la cantidad de agua a
evaporar está limitada, el secadero conductivo CSD puede trabajar sin recirculación de
fango seco. Para ello se varia la velocidad de rotación del tambor de forma que se
modifica el tiempo de residencia del fango en el interior del secadero, controlándose el
contenido en sólidos del fango a la salida. En las figuras 3.53 y 3.54 se muestran
respectivamente el esquema y el aspecto exterior de una planta de secado por
conducción rotativo CSD de SERNAGIOTTO.
127
Figura 3.53 Esquema de una planta de secado por conducción rotativo CSD
Figura 3.54 Planta de secado CSD
128
En la tabla 3.18 se resumen los diferentes modelos CSD.
MODELO
CSD 3A/3B
CSD 6A/6B
CSD 9A/9B
CSD 12A/12B
CSD 15A/15B
CAPACIDAD EVAPORACIÓN
(kg/h)
350
700
1.000
1.500
2.000
Tabla 3.18 Modelos del secadero CSD
El fluido calefactor utilizado en el secadero CSD desarrollado por SERNAGIOTTO es
aire caliente procedente de un quemador de gas natural o biogás.
El tambor está constituido por tres cilindros concéntricos, girando a una velocidad del
orden de 10 rpm. En el interior no existen componentes en movimiento, al girar los
cilindros solidariamente con el tambor. El fango fluye por el cilindro interno y externo
(empujado por la rotación del tambor sin ayuda de partes móviles, lo que disminuye el
riesgo de desgaste), mientras que el fluido calefactor circula por el hueco intermedio.
El producto final es un fango granulado y homogéneo con un contenido de sólidos
entre el 85 y 90 % si se trabaja con recirculación de fangos seco. Al ser un producto
granulado y con bajo contenido de polvo no requiere ningún sistema de granulación
posterior. El fango húmedo se mezcla con fango seco antes de entrar en el secadero y
tiene una forma granular. Como el sistema no dispone de partes móviles en su interior,
el producto final tiene una distribución homogénea con una elevada densidad y de
gran dureza (tamaño de grano > 1mm).
La planta de secado conductivo CSD requiere un tiempo de parada de 30 minutos y un
tiempo de puesta en funcionamiento de 45 minutos. El mantenimiento necesario es
muy reducido, no requiriéndose personal especializado para su funcionamiento.
En la tabla 3.19 se resumen las especificaciones técnicas más importantes de los
modelos CSD 3, 6 y 9 con recirculación de fango seco. El esquema sin recirculación
de fango seco sólo es posible si la concentración del fango final es inferior al 70%.
CSD 3A
Producto final
Agua evaporada
Consumo agua enfriamiento y lavado de gases
Combustible
Consumo especifico por kg de agua evaporada
Potencia instalada
Dimensiones de la planta
%
kg/h
m3/h
kcal/kg
KW
M
CSD 6A
CSD 9A
>90
350
700
1.000
10
20
30
Gas natural/biogás
950
33
58
80
10x6
17x10
20x10
Tabla 3.19 Especificaciones técnicas de los secaderos CSD
129
Figura 3.55 Detalle del rotor del sistema MCL
- Sistema MCL
El sistema de secado MLC está constituido por una carcasa en cuyo interior gira un
rotor (Figura 3.55) cuya superficie transmite el calor al fango por contacto con el
producto a secar. El rotor está constituido por una serie de tubos en espiral,
perpendiculares al eje central del rotor. El fluido calefactor (aceite térmico o vapor)
transfiere el calor circulando por el interior de las espirales.
El transporte del fango por el interior del secadero se realiza ayudado por el
movimiento del rotor. El tiempo de residencia del fango en el interior del secadero se
controla regulando el nivel de rebose en el extremo de descarga. El producto seco se
lleva a un sistema de cribado para producir un tamaño constante de partícula. Los
gases de salida del secadero (que contienen una ligera corriente de aire, el vapor de
agua extraído del fango y partículas de polvo) se hacen pasar por un ciclón y un
scrubber antes de llevarlos a tratamiento. Este tipo de secadero es particularmente
conveniente en el caso de disponer de una corriente de gases de escape de una
cogeneración o de una planta de incineración. En la tabla 3.23 aparecen los diferentes
modelos CSD en función de su capacidad de evaporación.
MODELO
MCL 2
MCL 3
MCL 4
MCL 6
MCL 8
CAPACIDAD EVAPORACIÓN
(kg/h)
2.000
3.000
4.000
6.000
8.000
Tabla 3.23. Diferentes modelos del secadero CSD
c) Tecnología TSIKISHIMA KIKAI
TSIKISHIMA KIKAI ha desarrollado un secadero de discos con un diseño particular. La
estructura el secadero (Figura 3.56), consiste en una cubierta inmóvil (estator) hueca
por la que circula el fluido calefactor (generalmente vapor) a modo de chaqueta
130
exterior en cuyo interior se disponen de dos a cuatro ejes rotatorios con discos
inclinados. Por el interior de los discos inclinados también circula el fluido calefactor.
Generalmente son secaderos muy compactos que requiere poco espacio.
La alimentación de lodo se realiza continuamente a través de la entrada situada en el
extremo izquierdo. El lodo circula por el interior del secadero debido a la agitación
producida por los discos inclinados en su movimiento rotatorio. El calor se transmite
desde los discos y la carcasa. La disposición de los discos permite un coeficiente
elevado de transferencia de calor. El fango seco se descarga por el otro extremo.
El sistema de control del flujo de lodo a la salida (control de la altura de rebosado)
permite regular el tiempo de residencia del material en el secadero. Ajustando la altura
de rebosado y la presión de vapor, se puede controlar el contenido final de humedad
en el lodo. El vapor generado en el secado del lodo se descarga arrastrado por una
corriente pequeña de gas (aire o N2) introducido a la entrada con esta finalidad.
Consiguen un secado parcial del lodo superior al 65%, trabajando sin recirculación.
La configuración general de proceso permite su aplicación como sistema de secado
previo para facilitar la incineración. Los gases de escape del incinerador se pueden
recuperar como fuente térmica para calentar el fluido calefactor del secadero. Este
sistema conjunto secadero-incinerador permite recircular el aire de arrastre del vapor,
ya que después de ser enfriado y deshumidificado, parte es reciclado al secadero y
otra parte se emplea como aire de combustión para el incinerador.
Figura 3.56 Esquema del secadero de paletas
131
3.8 SECADERO DE LECHO FLUIDO
Es una nueva generación de secaderos, al menos para los fangos de depuradoras,
donde el secado se lleva a cabo por convección, pero la propia corriente de aire hace
las veces de contenedor o recipiente de secado. Los secaderos de lecho fluido se
caracterizan porque son: secaderos de contacto, con recirculación de fango seco,
completo y con acondicionamiento previo del lodo.
a) Secaderos de contacto
En un sistema de convección puesto que el calor necesario para secar el fango se
transfiere por medio de una potente corriente de fluido, normalmente aire precalentado
en un intercambiador situado en el propio seno del lecho fluido. Para calentar el aire se
utilizan los gases de escape de un quemador de biogás o gas natural o bien
directamente los gases de escape de un motor de cogeneración. En estos secaderos,
el fango es calentado por contacto directo con el fluido. La corriente de fluido actúa de
dos formas sobre el fango: suministra al fango por convección el calor necesario para
la evaporación, arrastrando rápidamente el agua evaporada (fluido calefactor), y
mantiene las partículas de fango en suspensión dentro del secadero (lecho fluido).
b) Secaderos con recirculación de fango seco.
En los secaderos de lecho fluido es importante que el fango se introduzca
desmenuzado. Por ello se requiere recirculación de fango seco. El fango deshidratado
se acondiciona previamente mezclándose con fango seco recirculado. Se evitan así
los problemas de su etapa plástica (comprendida entre el 40 y el 60% de materia seca)
durante la cual el fango llega a ser muy pegajoso y difícil de manejar, apelmazándose
y bloqueando los sistemas de desplazamiento por el interior del secadero.
c) Secaderos completos
La doble acción del fluido (fluido calefactor/agitador) sobre las partículas de fango
produce una mezcla íntima entre ambos, de forma que la evaporación del agua se
produce uniformemente en toda la superficie de las partículas sólidas, alcanzándose
sequedades típicas superiores al 95%.
d) Con acondicionamiento previo del lodo
Mediante un sistema adicional de granulación del fango que alimenta al secadero es
posible obtener un producto final granulado con un tamaño de partícula homogéneo
que cumple los requisitos de calidad física exigidos por la vía de valorización escogida.
En cuanto a las características geométricas, se utilizan como secaderos de lecho
fluido una cámara con un intercambiador de calor situado en la parte inferior. El diseño
geométrico de estos secaderos es muy variable dependiendo del fabricante.
3.8.1 Descripción del sistema
La figura 3.57 muestra el esquema principal de implantación de una planta de secado
de fangos de capa fina. Como se observa en el diagrama de bloques la planta los
elementos y corrientes se pueden agrupar en los siguientes sistemas.
132
Figura 3.57. Diagrama de bloques de una planta de secado de lecho fluido
-
Sistema de alimentación del fango: El fango húmedo se mezcla con fango seco
y previamente desmenuzado se introduce en el secadero.
-
Sistema de producción de fluido caliente: El fluido calefactor puede ser aceite
calentado en una caldera, mediante los gases de escape de un quemador
alimentado de biogás, gas natural o gases de escape de motor de cogeneración. El
fluido calefactor alimenta el intercambiador sumergido en el seno del lecho fluido.
-
Sistema de secado: El secadero está constituido por una cámara en cuya parte
inferior se encuentra el intercambiador de calor sumergido en el lecho fluido, que
calienta el aire de proceso. El lodo recirculado mezclado con lodo húmedo, se
alimenta sobre el lecho donde cae inmediatamente al fondo. Mientras que el lodo
se seca, asciende hacia la superficie debido a que la densidad del producto
disminuye por la pérdida de agua, permitiendo la descarga del producto por la
parte superior. Por la parte inferior se introduce el aire de proceso. En estos
secaderos las partículas de lodo son llevadas a fluidificación por el movimiento
ascendente del aire caliente. El aire abandona la cámara por la parte superior,
arrastrando partículas de polvo y el vapor de agua extraído durante el secado.
-
Sistema de separación del producto: El sistema de separación compuesto por
un ciclón separa a la salida del secadero las partículas de fango seco que pudiera
arrastrar la corriente de aire y vapor, recirculando las partículas de fango secas.
133
-
Sistema de tratamiento del aire de proceso: El aire de proceso, a la salida del
ciclón, junto con el vapor de agua extraído del fango en el secadero se conduce a
un condensador. La corriente se enfría, condensándose el vapor de agua. El aire
de proceso se recircula y se vuelve a introducir en el secadero. Una parte del aire
se va renovando continuamente para evitar que se vicie. Por otro lado el agua
condensada se lleva a depuración.
-
Sistema de enfriamiento del producto: Las partículas de fango seco deben ser
enfriadas antes de llegar al silo de almacenamiento del producto final. El aire de
enfriamiento utilizado es extraído del circuito que alimenta al secadero y
previamente enfriado es conducido a un enfriador de gránulos.
3.8.2 Esquema del proceso
El fango húmedo se mezcla con fango seco (del orden del 20%) y debidamente
desmenuzado (aspecto primordial del sistema) se introduce en el interior del lecho
fluido (Figuras 3.58 y 3.59). La cámara de secado consta de un intercambiador de
calor situado en la parte inferior que calienta el aire en circuito cerrado.
Figura 3.58 Esquema típico de una planta de secado de lecho fluido
134
Figura 3.59 Esquema típico de una planta de secado de lecho fluido
135
El aire, gracias a la forma de la parrilla de salida (parte del propio intercambiador de
calor), y a la velocidad de salida mantiene en suspensión la mezcla de fango: la
gravedad lo arrastra al fondo, mientras que la corriente de aire lo mantiene en
suspensión. El resultado del movimiento es el denominado lecho fluido.
El gránulo a medida que evoluciona en el aire se seca y reduce su tamaño. El propio
aire lo arrastra fuera del secadero hacia una criba. El aire, todavía con polvo y cargado
con vapor de agua se dirige a un ciclón y, más tarde a un sistema de lavado de gases.
Debido al desgaste de las partículas por la fluidificación, el gas arrastra una gran
cantidad de polvo, que es capturado por un ciclón y se devuelve al mezclador.
Es importante destacar que el circuito cerrado de gas y la buena estanqueidad del
sistema permite el mantenimiento de una atmósfera con bajo nivel de O2, si se ha
introducido previamente una cantidad de CO2 o N2.
La granulación se lleva a cabo en el interior del propio lecho, La uniformidad es muy
elevada y la potenciación de la tasa de transferencia de calor supone una
homogeneidad muy buena del material seco. En contrapartida el mantenimiento del
lecho supone un consumo eléctrico importante por parte de las soplantes.
No existen partes móviles en la instalación y las operaciones de mantenimiento son
reducidas. El sistema es muy estanco y egarantiza una regularidad de mantenimiento.
La alimentación y, sobre todo, la caracterización del fango son puntos básicos para el
correcto funcionamiento del sistema. Si se mantiene dentro de unos límites razonables
la instalación es muy fiable. El sistema puede ser muy sensible a las variaciones en la
composición del lodo, ya que puede modificar la fluidificación y por tanto obstruir
eventualmente el intercambiador de calor sumergido en la lecho. El intercambiador de
calor sufre por ello una fuerte abrasión.
Como todo sistema sofisticado dispone de una gran cantidad de maquinaria y equipos
auxiliares. Esto, aparte de una inversión suplementaria mayor (el tamaño de la planta
es de gran dimensión), supone un gasto extra en energía y mantenimiento. Este
sistema se caracteriza por su consumo alto de energía.
El control del proceso se lleva a cabo, como en la mayoría de los sistemas, por medio
de la temperatura del fluido calefactor y del caudal de entrada.
3.8.3 Tecnologías de secado de lecho fluido
Las diferentes tecnologías de secado térmico por convección son:
-
Tecnología VA TECH WABAG.
Tecnología ANDRITZ.
a) Tecnología VA TECH WABAG
Un lecho fluido (Figura 3.60) se caracteriza por el movimiento ascendente de las
partículas sólidas en suspensión, arrastradas por una corriente del gas que lo
atraviesa. La velocidad del gas se elige de forma que se mantenga el producto en
136
suspensión sin llegar a transportarlo reumáticamente. En estas circunstancias el lecho
(partículas de fango en suspensión) se comporta como un fluido.
El fango húmedo, previamente mezclado con fango seco recirculado, se introduce
continuamente por un extremo manteniéndose un nivel constante del lecho en el
interior que permite la descarga del producto seco por desbordamiento.
En todos los tipos de secaderos de lecho fluido el gas se incorpora por la parte inferior
del secadero a través de la placa de la distribución de gas, de forma que el producto y
el gas fluyen en contracorriente. Además de mantener el fango en suspensión, el gas
es el medio calefactor que intercambia calor con la masa de partículas,
consiguiéndose una elevada eficacia de intercambio. Además del calor proporcionado
por el gas, se puede aportar una cantidad significativa de calor por medio de
intercambiadores de calor sumergidos en el lecho, lo que reduce enormemente el flujo
de gas requerido para el secado.
Todas las partículas están continuamente en movimiento, exponiendo toda su
superficie al proceso de intercambio. La eficacia térmica es muy alta debido también a
que la temperatura del gas de escape está generalmente por debajo de la temperatura
máxima del producto. La figura 3.61 muestra la cámara de secado.
b) Tecnología ANDRITZ
La tecnología de secado ANDRITZ se basa en el secado por convección. El consumo
de energía térmica se reduce al mínimo mediante un circuito cerrado para el aire. El
producto final tiene un contenido de sólidos secos superior al 95%, es un producto
granulado, pasterizado y con un tamaño de partícula definido dentro de un rango
(tamaño medio de partícula de 2mm) que facilita su manipulación, almacenaje y
transporte. El producto reúne las condiciones necesarias para su posterior valorización
en cualquiera de las siguientes vías: vertido controlado, fertilizante (producto EPA
clase A), combustible biológico para las centrales eléctricas.
Figura 3.60 Detalle de la cámara de secado de lecho fluido
137
Figura 3.61 Aspecto exterior de la cámara de secado de lecho fluido
ANDRITZ ha desarrollado el sistema de secado CDS (Convection Drying System) para
el tratamiento del fangos procedentes de EDAR`s. El sistema opera de manera
continua utilizando un secadero de lecho fluido (Figura 3.62). Es la solución más
compacta que ofrece ANDRITZ para el secado de fangos. La fuente de energía puede
ser vapor, gases de escape o aceite térmico.
Figura 3.62 Esquema de una planta ANDRTIZ de secado de lecho fluido
138
3.9 ANÁLISIS COMPARATIVO DE SISTEMAS DE SECADO TÉRMICO
En la tabla 3.24 se resumen las características fundamentales de los secaderos
analizados anteriormente. En particular, para cada secadero se indica:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Características principales.
Temperatura de trabajo.
Contenido en materia sólida (MS) a la entrada.
Contenido en materia sólida (MS) a la salida.
Consumo energético medio.
Ventajas.
Inconvenientes.
Valorización.
El consumo de energía está en todos los casos en torno a 750 kcal/kg agua
evaporada, salvo en el caso del secadero de cinta o banda, donde la incorporación de
una bomba de calor puede llegar a reducir el consumo de energía casi al 50%.
La temperatura de trabajo en el secadero es muy variable, según el mecanismo físico
que controla el proceso de secado. Se encuentra entre 55 y 500 ºC según el tipo de
secadero. La temperatura de trabajo es una de las variables fundamentales para
estudiar la incorporación de energías residuales o energías alternativas como la
energía solar. En el capítulo siguiente se analizará la compatibilidad de los sistemas
activos de energía solar con los diferentes tipos de secado de fangos a través de la
temperatura de trabajo correspondiente. En la figura 3.63 se representan los diferentes
tipos de secaderos en función del rango de temperaturas de trabajo.
500 ºC
CONVECCIÓN PURA
400 ºC
300 ºC
CAPA FINA
200 ºC
BANDEJAS / DISCOS
LECHO FLUIDO
BANDAS
100 ºC
Figura 3.63 Tipos de secaderos de fangos en función de la temperatura de trabajo
139
Secador de tambor por
convección
Secador por conducción
rotativo
Secador vertical de
bandejas
Secador de cinta o banda
Secador de capa fina o
mixto
Principales
Características
Calor transferido por una
corriente de aire precalentado, en contacto directo
con el fango
Tambor horizontal en cuyo
interior giran discos calentados interiormente por fluido
caloportador. Avance del
fango gracias a deflectores en
discos y tambor.
El fango cae por sucesivas bandejas metálicas
calentadas interiormente,
Se calienta sólo por
conducción.
El fango se extrusiona y
deposita sobre una cinta
perforada, expuesta a una
corriente de gases calentados que inciden perpendicularmente.
Secado parcial (2/3) por
contacto con una camisa
calefactada, y parcial (1/3)
por convección con aire
precalentado que circula por
el interior del tambor
Secado por convección,
donde la corriente de gas
caliente es el recipiente de
secado, manteniendo el fango
en suspensión en su seno.
Temperaturas (ºC)
300 - 500
100 - 130
100 - 130
55 - 70
200 - 270
80 - 100
Secador de lecho fluido
MS entrada (%)
> 20
> 20
> 20
> 25
>5
> 25
MS salida (%)
90 -95
90 - 95
90 - 95
85
90 - 95
95
Consumo energético
medio (1) (kcal/kg H2O)
750
750
750
350
700 - 1000
750
Ventajas
No excesiva complejidad
técnica
Menor generación de aire
contaminado a tratar.
Tecnología desarrollada,
en otras aplicaciones
industriales
Menos problemas de
seguridad que en convección.
Paradas y arranques
rápidos
Inconvenientes
(2)
Seguro y de fácil control.
Fango seco muy homogéneo.
Bajos costes.
Arranque y parada rápidas.
Reducido mantenimiento.
No existen partes móviles.
Mayor complejidad por
circuito de fluido y el
mecanismo de limpieza.
Generación de gran
cantidad de aire
contaminado a tratar.
Poco sensible a la variación
de humedad de entrada.
Alto consumo eléctrico de
soplantes.
Poco automatizado.
riesgo de incendios y
explosiones.
Necesidad de recircular
fango seco (2)
Uso poco extendido
Problema de desgaste de
materiales.
Necesidad alta uniformidad
en alimentación.
Desgaste de materiales.
Necesidad de recircular fango
seco (2)
Arranque complicado y largo.
Pérdida rendimiento ener- Depende condiciones reológético al evacuar aire
gicas fango para transporte.
caliente.
(1)
No necesita recirculación de
fango seco (2)
Generación de mucho aire Más complejo por el circuito
contaminado a tratar.
de fluido caloportador y el
Problemas de seguridad y mecanismo de limpieza.
Necesidad de recircular
fango seco (2)
Valorización
Tiempo de residencia
secadero corto (2-3 min).
Se puede trabajar con un
circuito cerrado de aire
(menos problemas de
emisiones y de seguridad).
Menor generación de
Poca complejidad técnica.
aire contaminado a tratar. Menor consumo energía.
Menos problemas de
No necesita recirculación
seguridad que en
de fango seco (2)
convección.
Intrínsecamente seguro.
Riesgo de pegado en
superficie de bandejas.
Gran inercia térmica:
poco flexible.
Sistema muy sofisticado
(costes elevados)
Necesario recircular fango
seco en algunos casos (2)
Problemas de abrasión.
Gran tamaño.
Agronómica o Energética
Consumo eléctrico y térmico convencional
En ocasiones, es necesario salvar la fase pastosa del fango (50% MS), por lo que en el secador ha de introducirse un fango más seco que el deshidratado
Tabla 3.24 Análisis comparativo de los diferentes tipos de secado de fangos
140
De acuerdo con la escala de temperaturas de la figura 3.63, los sistemas más
favorables para la incorporación de energías residuales a baja temperatura o de
energías renovables competitivas (con temperaturas de trabajo inferiores a 100 ºC),
son los secaderos de cinta o banda y los secaderos de lecho fluido.
En la tabla 3.24 se observa así mismo como el secado térmico permite alcanzar un
contenido en materia seca (MS) superior al 85% en todos los casos, pudiendo llegar a
porcentajes del 95%.
En la tabla 3.25 se resumen los costes de inversión y de explotación de las
tecnologías de secado térmico con la energía térmica aportada en un generador
convencional (secado térmico + quemador) o en combinación con diferentes
tecnologías como la cogeneración, la gasificación o la incineración de los residuos con
o sin turbina de vapor.
La inversión inicial es muy variable, entre 290 y 2.180 euros por tonelada de MS anual.
Las tecnologías de secado térmico convencional presentan una menor inversión (entre
290 y 410 €/t MS año). La mayor inversión corresponde a la combinación de
presecado térmico e incineración con turbina de vapor (entre 1.590 y 2.180 €/t MS
año).
Los costes de explotación mínimos corresponden a la combinación de secado térmico
con cogeneración y gasificación (entre 30 y 110 €/t MS año) y secado térmico con
cogeneración a alta/media temperatura (entre 40 y 110 €/t MS año). El coste de
explotación de las tecnologías convencionales de secado térmico se encuentra entre
105 y 130 €/t MS año.
Secado térmico + quemador
Secado térmico + cogeneración Alta/Media temperatura
Secado térmico + cogeneración Baja temperatura (< 90ºC)
Secado eléctrico con bomba de calor
Secado térmico + cogeneración + gasificación
Presecado térmico + incineración + turbina vapor
Presecado térmico + incineración
Coste Inversión
(€/t MS año)
290 – 410
590 – 830
730 – 1.120
360 -610
850 – 1.250
1.590 – 2.180
1.400
Coste Explotación
(€/t MS año)
105 – 130
40 – 110
60 – 140
150 -220
30 – 110
220 – 320
250
Tabla 3.25 Resumen de costes de sistemas de secado
141