“APLICACIÓN DE LA INCINERACIÓN Y PIRÓLISIS”

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA POZA RICA-TUXPAN
“APLICACIÓN DE LA INCINERACIÓN Y PIRÓLISIS”
TESINA
PARA PRESENTAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO DE LA
EXPERIENCIA EDUCATIVA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL DEL
PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERÍA QUÍMICA
PRESENTA:
EDUARDO SERRANO AGUILAR
ASESOR: DR. ISRAEL HERNÁNDEZ ROMERO
CO-ASESOR: DR. RANULFO OSVALDO GONZÁLEZ PAREDES
POZA RICA, VERACRUZ
INDICE
CONTENIDO
PAGINA
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
CAPÍTULO I: GENERALIDADES
1.1 Residuos ........................................................................................................... 3
1.2 Tipos de residuos .............................................................................................. 4
1.3 El problema de los residuos .............................................................................. 4
1.4 Composición de los RSU................................................................................... 6
1.5 Generación de residuos sólidos municipales .................................................... 7
1.5.1 Manejo y disposición de residuos sólidos municipales ............................ 8
1.6 Residuos Peligrosos .......................................................................................... 9
1.6.1 Gestión .................................................................................................. 10
1.6.2 Sitios con residuos peligrosos ............................................................... 11
1.6.3 Generación de residuos peligrosos en México ...................................... 12
1.7 Biomasa .......................................................................................................... 13
CAPITULO II: INCINERACIÓN
2.1 Metodología de evalucación de los sistemas de incineración ......................... 16
2.2 Criterios de combustión ................................................................................... 17
2.3 Criterios para el tratamiento de gases ............................................................. 18
2.3.1 Otros criterios importantes ..................................................................... 19
2.4 Estudio de caso en plantas de incineración .................................................... 21
2.4.1 Parámetros obsevados .......................................................................... 21
2.4.2 Caracterización de las cenizas .............................................................. 25
2.4.3 Aplicación de la metodología de evaluación .......................................... 28
2.5 Componentes de una planta incineradora de residuos ................................... 29
CAPITULO III: PIRÓLISIS
3.1 Tipo de pirólisis ............................................................................................... 35
3.2 Equipo de procesamiento: Termobalanza ....................................................... 35
3.3 Balance ........................................................................................................... 36
CAPITULO IV: APLICACIÓN
CONCLUSIONES.................................................................................................. 42
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 43
ANEXO .................................................................................................................. 44
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
Las cantidades de residuos sólidos urbanos (RSU) que se generan se han
convertido en un problema debido a la gran cantidad de espacio que ocupan,
esto se ha dado al aumento en la población la cual cada vez ha optado una cultura
por así llamarlo de “usar y tirar”.
Otro problema que se ha encontrado es el de los residuos hospitalarios, ya que
muchos, son de trabajos clínicos o de investigación, los cuales no se les da un
tratamiento adecuado y se tiran al suelo.
Estas grandes cantidades de residuos tanto sólidos urbanos, industriales y
hospitalarios ha hecho que los rellenos sanitarios a los cuales se envían todos
estos algunos hayan llegado a su límite de capacidad por lo que con el siguiente
trabajo se expone como aplicando la incineración y pirolisis llegaría a ser un buen
método para reducir el tamaño ocupado por los residuos.
Las reservas de combustibles fósiles son finitas y su utilización para la generación
de energía ha contribuido al aumento de emisiones gaseosas que contaminan el
medio ambiente y pueden incentivar el calentamiento de la atmósfera terrestre,
Factores de tipo económico, de disposición de los residuos generados y de
seguridad en el funcionamiento de los reactores en algunos países han impedido
el crecimiento de la oferta de la energía atómica. Estos problemas han motivado
las labores de investigación y desarrollo de procesos de producción y
transformación de nuevas fuentes energéticas que permitan suplir la creciente y
elevada demanda de energía en el mundo. La utilización de tecnologías de
energías renovables como la eólica, la geotérmica, la hidráulica, la solar y la
obtenida a partir de la biomasa se presentan como alternativas en el mediano y
largo plazo para el reemplazo de los combustibles fósiles.
En la introducción se da una breve reseña del tema, involucrando cada uno de los
capítulos, así como el objetivo principal del trabajo. En el Capítulo I se
mencionaran las generalidades, conceptos así como las grandes cantidades de
1
INTRODUCCIÓN
residuos que se generan y también el espacio que ocupan. En el Capítulo II se
describe el proceso de la incineración y el funcionamiento del mismo. En el
Capítulo III se describe el proceso de incineración. En el Capítulo IV se mencionan
las aplicaciones de la incineración y pirolisis.
En las conclusiones se dan los objetivos por los cuales se desarrolla este trabajo y
por último se hace mención de la bibliografía consultada para el desarrollo de esta
tesina.
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GENERALIDADES
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1.1 Residuos
Llamamos residuo a cualquier tipo de material que esté generado por la actividad
humana y que está destinado a ser desechado.
Hay objetos o materiales que son residuos en determinadas situaciones, mientras
que en otras se aprovechan. En los países desarrollados se desechan diariamente
a la basura una gran cantidad de cosas que en los países en vías de desarrollo
volverían a ser utilizadas o seguirían siendo bienes valiosos como podemos ver en
la Figura 1.1 en donde los RSU obstaculizan la vialidad por el espacio que ocupan.
Además muchos residuos se pueden reciclar si se dispone de las tecnologías
adecuadas y el proceso es económicamente rentable.
Figura 1.1 RSU obstaculizando la vialidad
Fuente: Transeúnte, Movilidad y espacio publico
3
GENERALIDADES
1.2 Tipos de residuos
Para poder disponer de los residuos eficazmente es importante distinguir los
distintos tipos que hay. Es muy distinto el residuo industrial que el agrícola o que el
doméstico y también son totalmente diferentes los residuos gaseosos o líquidos
que los sólidos, o los radiactivos y los que no lo son.
1.3 El problema de los residuos
El continuo aumento de la cantidad de residuos que generamos está provocando
importantes problemas. Entre los bienes que usamos cada vez hay más objetos
que están fabricados para durar unos pocos años y después ser sustituidos por
otros y que no compensa arreglar porque resulta más caro que comprar uno
nuevo. Muchos productos, desde los pañuelos o servilletas de papel, hasta las
maquinillas de afeitar, los pañales, o las latas de bebidas, están diseñados para
ser usados una vez y luego desechados. Se usan las cosas y se desechan en
grandes cantidades, sin que haya conciencia clara, en muchos casos, de que
luego algo hay que hacer con todos estos residuos.
El problema se agrava porque la creciente actividad industrial genera muchos
productos que son tóxicos o muy difíciles de incorporar a los ciclos de los
elementos naturales. En varias ocasiones los productos químicos acumulados en
vertederos que después han sido recubiertos de tierra y utilizados para construir
viviendas sobre ellos han causado serios problemas, incluso dañando la salud de
las personas.
No hay solución única y clara a este problema. El reciclaje es la opción mejor
desde el punto de vista ambiental pero tiene sus límites. En el momento actual se
combina con plantas de tratamiento, vertederos e incineradoras, aunque no se
debe olvidar que una actuación imprescindible es la de reducir las cantidades de
residuos producidos.
4
GENERALIDADES
Es muy optimista el pensar que en unos pocos años se podrán procesar la
inmensa cantidad de residuos que se han generado durante generaciones y los
cuales no se ha tenido la cultura de separar es por eso que en este documento se
plantea la aplicación de la incineración y pirolisis como método para reducir en
gran cantidad el espacio que estos ocupan al mismo tiempo como método para el
tratado de residuos hospitalarios e industriales.
De acuerdo con el Programa para la Prevención y Gestión Integral de Residuos
2008-2012 elaborado por la Semarnat, en el país se generan alrededor de 94 mil
800 toneladas diarias de residuos sólidos urbanos, equivalentes a 34.6 millones de
toneladas anuales: 53% son de tipo orgánico, en tanto que 28% son
potencialmente reciclables como papel y cartón (14%), vidrio (6%), plásticos (4%),
hojalata (3%) y textiles (1%), mientras que 19% restante corresponde a la madera,
cuero, hule, trapo y fibras diversas.
Se estima que se recolecta 87% de los residuos generados, de los cuales poco
más de la mitad se envía a 88 rellenos sanitarios y a 21 sitios controlados. El
resto, unas 11 millones de toneladas se depositan en tiraderos (rellenos sanitarios)
a cielo abierto o sitios sin control.Ver Figura 1.2
Figura 1.2 Vertedero de basura
Fuente:www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia
5
GENERALIDADES
Los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) son los que se originan en la actividad
doméstica y comercial de ciudades y pueblos.
1.4 Composición de los RSU
Los residuos producidos por los habitantes urbanos comprenden basura, muebles
y electrodomésticos viejos, embalajes y desperdicios de la actividad comercial,
restos del cuidado de los jardines, la limpieza de las calles, etc. El grupo más
voluminoso es el de las basuras domésticas.
La basura suele estar compuesta por:
Materia orgánica.- Son los restos procedentes de la limpieza o la
preparación de los alimentos junto la comida que sobra.
Papel y cartón.- Periódicos, revistas, publicidad, cajas y embalajes, etc.
Plásticos.- Botellas, bolsas, embalajes, platos, vasos y cubiertos
desechables, etc.
Vidrio.- Botellas, frascos diversos, vajilla rota, etc.
Metales.- Latas, botes, etc.
Otros
En las zonas más desarrolladas la cantidad de papel y cartón es más alta,
constituyendo alrededor de un tercio de la basura, seguida por la materia orgánica
y el resto. En cambio si el país está menos desarrollado la cantidad de materia
orgánica es mayor (hasta las tres cuartas partes en los países en vías de
desarrollo) y mucho menor la de papeles, plásticos, vidrio y metales. (Ver Figura
1.3)
6
GENERALIDADES
Figura 1.3 RSU llevados a un tiradero a cielo abierto
Fuente: http://www.tecnun.es
1.5Generación de residuos sólidos municipales
Como resultado de las diferentes actividades productivas que desarrollan las
sociedades, se generan una serie de desechos sólidos, líquidos o gaseosos que
pueden tener efectos negativos sobre el ambiente y la salud humana. Ejemplo de
ellos son los residuos sólidos municipales (RSM). Éstos son generados en las
casas
habitación
y
provienen
de
cualquier
otra
actividad
dentro
de
establecimientos o en la vía pública que genere residuos con características
domiciliarias, y los resultantes de la limpieza de las vías y lugares públicos,
siempre que no sean considerados por la Ley General para la Prevención y
Gestión Integral de los Residuos como residuos de otra índole. En los últimos
años, la generación total de RSM se incrementó, alcanzando 34.6 millones de
toneladas en el año 2004. Los RSM se producen mayormente en la región Centro
(50%), siguiéndole la región Norte (18%) y el Distrito Federal (13%). Durante el
periodo 1997-2004, la zona Centro, la Frontera Norte y la zona Sur incrementaron
de
manera
significativa
su
generación
de
residuos
(24,
35
y
17%
respectivamente), destacando la zona Centro que alcanzó una generación de 17
millones de toneladas de RSM en 2004.
7
GENERALIDADES
Figura 1.4 Porcentaje de generación de RSM por región en el año 2004
Fuente: SEMARNAT
1.5.1 Manejo y disposición de residuos sólidos municipales:
El manejo de los residuos sólidos municipales (RSM) comprende desde su
generación, almacenamiento, transporte y tratamiento, hasta su disposición en
algún sitio. Aún no se han incorporado en todo el territorio nacional técnicas
modernas para la solución de este problema, por lo que es relativamente frecuente
que los residuos se viertan sobre depresiones naturales del terreno. Un aspecto
importante del manejo es la recolección de los RSM, en 1998 se recolectaba cerca
del 85% del total generado y en 2004 esta cifra ascendió a 87%. Actualmente, la
mejor solución para la disposición final de los RSM son los rellenos sanitarios.
México ha logrado un enorme avance, ya que de 1995 a 2004 el número de
rellenos sanitarios se triplicó y la cantidad de RSM que se depositaron en ellos
aumentó de 5.9 a 18.3 millones de toneladas (52% de los RSM generados en
2004). El resto aún se deposita en rellenos de tierra controlados (11.5%) y no
controlados (32.9%).
8
GENERALIDADES
1.6 Residuos Peligrosos
Los RP se definen como aquellos que, sustancial o potencialmente, ponen en
peligro la salud humana o el medio ambiente cuando son manejados en forma
inadecuada y poseen una o más características CRETIB: Corrosivo, Reactivo,
Explosivo, Tóxico, Inflamable y Biológico-infeccioso.
Son
las
sustancias
que
son
inflamables, corrosivas, tóxicas o
pueden
producir reacciones químicas, cuando están en concentraciones que pueden ser
peligrosas para la salud o para el ambiente.
El impacto negativo de estas sustancias se ve agravado cuando son difíciles de
degradar en la naturaleza. Los ecosistemas naturales están muy bien preparados,
por millones de años de evolución, para asimilar y degradar las sustancias
naturales. Siempre hay algún tipo de microorganismo o de proceso bioquímico que
introduce en los ciclos de los elementos las moléculas. Pero en la actualidad se
sintetizan miles de productos que nunca habían existido antes y algunos de ellos,
como es el caso de los CFC, DDT, muchos plásticos, etc. permanecen muchos
años antes de ser eliminados. Además al salir tantas moléculas nuevas cada año,
aunque se hacen ensayos cuidadosos para asegurar que se conocen bien sus
características, no siempre se sabe bien que puede suceder con ellos a medio o
largo plazo.
Otro hecho que aumenta el daño es la bioacumulación que se produce en
sustancias, como algunos pesticidas del grupo del DDT. En otras ocasiones los
residuos se transforman en sustancias más tóxicas que ellos mismos.
Residuos tóxicos y peligrosos (según las directivas de la Unión Europea) son los
que contienen en determinadas concentraciones:
As, Cd, Be, Pb, Se, Te, Hg, Sb y sus compuestos
Compuestos de cobre solubles
Fenol, éteres, solventes orgánicos, hidrocarburos policíclicos aromáticos
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GENERALIDADES
cancerígenos
Isocianatos, cianuros orgánicos e inorgánicos
Biocidas y compuestos fito farmacéuticos
Compuestos farmacéuticos
Polvo y fibras de asbesto
Peróxidos, cloratos y percloratos
Carbonilos de metales
Acidos y bases usados en el tratamiento de metales
Compuestos de cromo hexavalente
Organohalogenados no inertes
Alquitranes
Materiales químicos de laboratorio no identificados o nuevos compuestos
de efectos ambientales no conocidos
1.6.1 Gestión
La primera medida que se debe considerar siempre es si es posible
generar menos residuos o aprovecharlos en otros procesos de fabricación.
Continuamente están saliendo nuevas tecnologías que permiten fabricar con
menor producción de residuos, lo que tiene la ventaja de que los costes se
reducen porque se desperdicia menos materia prima y no hay que tratar tanto
residuo. En la actualidad, en la mayor parte de los sectores industriales, existen
tecnologías limpias y el problema es más de capacidad de invertir de las empresas
y de formación en los distintos grupos de trabajadores que de otro tipo. Muchas
empresas están reduciendo llamativamente la emisión de contaminantes y la
generación de residuos, ahorrándose así mucho dinero.
Pero al final de los procesos industriales siempre se generan más o menos
residuos. Con la tecnología actual sería posible reducir el impacto negativo de
cualquier contaminante a prácticamente cero. Pero hacerlo así en todos los casos
sería tan caro que paralizaría otras posibles actividades. Por eso, en la gestión de
los residuos tóxicos se busca tratarlos y almacenarlos de forma que no resulten
10
GENERALIDADES
peligrosos, dentro de un costo económico proporcionado. Esto se consigue con
diversos procedimientos, dependiendo de cual sea el tipo de residuo.
1.6.2 Sitios con residuos peligrosos.
La problemática asociada a los residuos peligrosos (RP) tiene dos grandes líneas;
por un lado, la que se deriva de la presencia de sitios ya contaminados y que
requieren su remediación y la otra referente a la prevención de la contaminación
proveniente de las fuentes en operación. En el país, hasta el año 2004, se tenían
identificados 297 sitios contaminados con RP, de los cuales 119 se habían
caracterizado (esto es, se clasificaron y priorizaron de acuerdo al grado de riesgo
que representan para la salud y el ambiente), y 12 se consideraban como
rehabilitados o en proceso de rehabilitación. Los estados que concentran el mayor
número de sitios con RP son San Luis Potosí (15%), el Estado de México (10%),
Aguascalientes (9.4%), Coahuila (7.1%) y Veracruz (6.7%). Cinco estados no
reportan ningún sitio con RP: Baja California Sur, Distrito Federal, Guerrero,
Quintana Roo y Tabasco. (Ver Figura 1.5)
Figura1.5: Sitios identificados con RP
Fuente:SEMARNAT
11
GENERALIDADES
1.6.3 Generación de residuos peligrosos en México
No existe certeza plena sobre la generación de residuos peligrosos (RP) en el
país. En 1999 se estimó una generación de casi 3.2 millones de toneladas (de 12
mil 514 empresas que lo manifestaron), en el año 2000 se estimó una generación
de 3.7 millones de toneladas (27 mil 280 empresas) y en 2004 esta cifra subió a
6.17 millones de toneladas (35 mil 304 empresas). Aunque no se contabilizó la
generación de un gran número de micro, pequeñas y medianas empresas
potencialmente generadoras de RP, este valor incluye a las principales industrias
generadoras del país. De acuerdo con la última información desagregada por
estados (año 2000) las entidades que más residuos produjeron fueron Guanajuato
y el Distrito Federal que, en conjunto, declararon casi la mitad del total nacional
(cerca de un millón 150 mil y 625 mil toneladas por año, respectivamente); en
contraste los estados de Baja California Sur y Quintana Roo no sobrepasaron las
160 toneladas por año. En 1996 las fuentes generadoras más importantes de RP
en el país fueron los sectores manufacturero (77%) y minero y petrolero (11%).
Figura 1.6
Figura 1.6 Generación de RP toneladas/año
Fuente: SEMARNAT
12
GENERALIDADES
1.7 Biomasa
La biomasa es toda la materia que se puede derivar directa o indirectamente de la
fotosíntesis de las plantas, encontrándose en forma vegetal o animal, es decir, la
biomasa es energía solar transformada. La biomasa para fines energéticos puede
provenir de fuentes como las cosechas de plantaciones perennes, las herbáceas
de cosecha anual, las gramíneas y las oleaginosas, entre otras. También se
obtiene de los residuos de la agricultura, de la industria procesadora de alimentos,
de la industria manufacturera de productos de madera y de los residuos sólidos de
fuente industrial y municipal. Actualmente se estima una contribución cercana al
10% por parte de los combustibles a partir de biomasa en el suministro primario de
energía en el mundo, siendo el promedio del 5% en los países industrializados y
cerca del 30% en los países en vías de desarrollo.
Los procesos de transformación de biomasa se agrupan en tres grandes grupos:
los bioquímicos por acción microbiológica, los termoquímicos, a través de
tratamientos térmicos y los físico-químicos. Los procesos de transformación
termoquímica son la pirolisis, la gasificación, la combustión y la licuefacción. A
través de estos procesos se producen diferentes fracciones de combustibles
sólidos, líquidos y gaseosos y energía térmica, como se ilustra en la Figura 1.7. La
fracción en masa de cada uno de estos productos puede ser influenciada por
medio de la variación de los parámetros del proceso. El presente trabajo se enfoca
en el proceso de pirolisis.
13
GENERALIDADES
Figura 1.7: Procesos termoquímicos para la transformación de biomasa y sus
principales productos y aplicaciones.
Fuente:Pirolisis de masa
Cuando la biomasa se somete a un proceso de pirolisis se obtienen productos
tales como:
Sólidos (carbón vegetal)
Líquidos (Bio-aceite)(Bio-oil)
Gases (Combustible gaseoso de bajo o medio poder calorífico)
La proporción de que se obtienen cada uno de los productos básicos de la pirolisis
depende de:
Temperatura del reactor
Razón de calentamiento asociada con el tamaño de la partícula
Tiempo de residencia de los productos en el reactor.
Tecnología empleada (equipamiento) y parámetros de trabajo.
14
INCINERACIÓN
CAPÍTULO II
INCINERACIÓN
La incineración es la combustión completa de la materia orgánica hasta su
conversión en cenizas, usada en el tratamiento de basuras: residuos sólidos
urbanos, industriales peligrosos y hospitalarios entre otros.
La incineración se lleva a cabo en hornos mediante oxidación química en exceso
de oxígeno.
El proceso de incineración ha existido en México desde finales de la década de los
70, antes del establecimiento de la legislación que rige actualmente a los residuos
peligrosos. Los primeros incineradores se instalaron en hospitales, universidades
e institutos de investigación, con el fin de cremar residuos patológicos o
cadáveres.
La incineración se ofreció como un servicio comercial desde 1990, sin embargo, a
partir de 1996, tras la publicación de la NOM-087-ECOL-1995, donde se
establecen los requisitos de manejo de los residuos biológico-infecciosos, la
infraestructura instalada creció rápidamente, en especial para la incineración de
estos residuos, tendencia que se observa claramente en la Figura 2.1 que se
muestra a continuación.
Actualmente existen en México 35 empresas autorizadas para la incineración de
residuos peligrosos. Algunas de ellas cuentan con más de un equipo, por lo que
hay un total de 43 incineradores operando, de los cuales el 85% se utiliza para
residuos biológico-infecciosos y el 15% restante incinera residuos industriales
(DGMIC 2001). A la fecha, la incineración no se aplica como método de
tratamiento
para
residuos
sólidos
municipales
a
escala
industrial.
Asimismo, desde 1995 la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales
(SEMARNAT), coordina el grupo de trabajo que elaboró el PROY-NOM-09815
INCINERACIÓN
ECOL-2000 sobre incineración de residuos, condiciones de operación y límites de
emisión de contaminantes, publicado el 8 de septiembre de 2000 en el Diario
Oficial de la Federación (DOF) que actualmente se encuentra en revisión. Esta
norma se elaboró considerando tanto la tendencia de la legislación sobre
incineración a nivel mundial, como la situación actual de la incineración en México,
incorporando condiciones de operación y límites de emisión tan estrictos como en
cualquier país tecnológicamente avanzado.
Figura 1.7 Autorizaciones otorgadas para la incineración de residuos.
Fuente: Carlos Peréz Torres. DGMIC
2.1 Metodología de evaluación de los sistemas de incineración
El método de evaluación de desempeño de los sistemas de incineración se diseñó
para valorar los diferentes parámetros de operación de los incineradores, de
acuerdo con rangos de operación satisfactorios, basados en su mayoría en los
16
INCINERACIÓN
lineamientos establecidos por el PROY-NOM-098-ECOL-2000 y las normas
aplicables en países donde la incineración es práctica común. Se incluyen también
otros parámetros que no están directamente relacionados con el proceso de
incineración, pero que deben atenderse para mejorar el desempeño general de las
plantas. Así, se asignaron valores de acuerdo con una escala donde se distinguen
condiciones y características de una operación ineficiente, satisfactoria o
excelente, valoradas con los números 0, 1 y 2 respectivamente, como se muestra
en añexo 1.
Los criterios empleados para establecer dichos valores están basados tanto en las
condiciones establecidas en el PROY-NOM-098-ECOL-2000, como en la
legislación y literatura internacionales sobre el proceso de incineración, los cuales
se exponen en los siguientes apartados.
2.2 Criterios de combustión
Temperatura en la cámara de combustión primaria. Por tratarse de un proceso
térmico, la temperatura es uno de los parámetros más importantes para garantizar
la destrucción eficiente de los residuos. Sin embargo, para la cámara de
combustión primaria existen escasas referencias, ya que este parámetro depende
de diversos factores, como el tipo de residuo o de incinerador. En la literatura se
reportan rangos de temperatura desde 400 hasta 1,600 °C, no obstante, se
recomienda que en el caso de los residuos hospitalarios la temperatura mínima en
esta cámara de combustión sea mayor a 760 °C (MidwestResearchInstitute, 1989,
USEPA 1990 California Air ResourcesBoard 1992). Asimismo, se recomienda que
la temperatura no exceda de 1,000 °C, debido que a partir de este punto, las
cenizas pueden fundirse y provocar la incrustación de escorias en el material
refractario, ocasionando deterioro en el equipo (Brunner 1993, USEPA 1990).
17
INCINERACIÓN
Temperatura en la cámara de combustión secundaria. Dependiendo de
factores como el tipo de incinerador o de residuo, la cámara de combustión se
opera entre 900 y 1,600 °C. Por su parte el PROY-NOM-098-ECOL-2000 señala
que aún en las condiciones más desfavorables, los incineradores deben alcanzar
una temperatura mínima de 850 °C y en caso de incinerar compuestos clorados, la
temperatura debe elevarse hasta 1,000 ± 100 °C. Estas condiciones son similares
a las establecidas en la Directiva 2000/76/CE del Parlamento Europeo y del
consejo relativo a la incineración de residuos. La USEPA (1990), , sugiere que en
esta cámara la temperatura no exceda de 1,200 °C para evitar daños en el
material refractario del incinerador.
Tiempo de retención de los gases en la cámara de combustión
secundaria. Existe una relación estrecha entre el tiempo de retención de los
gases y la temperatura de combustión en la cámara de combustión secundaria,
observándose que a mayor tiempo de retención de los gases, la temperatura
necesaria para la destrucción de los residuos disminuye (Brunner 1993). En la
práctica, se recomienda que el tiempo de retención de los gases en la segunda
cámara de combustión sea de uno a tres segundos, en tanto otras regulaciones
coinciden en establecer un mínimo de dos segundos (Directiva 2000/76/CE: 4;
PROY-NOM-098-ECOL-2000).
Pérdida de materia volátil de las cenizas. En cenizas de fondo, la pérdida de
materia volátil es una aproximación de la calidad de combustión de los residuos,
debido a que estas cenizas generalmente se exponen a temperaturas iguales o
mayores a los 550 °C que se especifican en la prueba estandarizada para su
determinación. No obstante, en el caso de las cenizas volantes, éste no es un
parámetro representativo debido a que los equipos de control de emisiones operan
a temperaturas considerablemente más bajas; además de que en ocasiones se
adicionan reactivos que a esa temperatura pueden representar una pérdida de
18
INCINERACIÓN
peso adicional. La pérdida de materia volátil permitida en el PROY-NOM-098ECOL-2000 es de 10%, mientras que en la regulación europea y japonesa debe
ser menor a 5%.
2.3 Criterios para el tratamiento de gases
Control de partículas y gases ácidos. Las partículas se generan por la
presencia de materiales no combustibles que alimentan al incinerador por
productos de la combustión incompleta de los residuos o por la condensación de
compuestos volatilizados. Su concentración en los gases emitidos a la atmósfera
depende de la turbulencia así como de la velocidad de los gases en la cámara
secundaria. Los equipos que se emplean con mayor frecuencia en la remoción de
partículas son los lavadores de gases, ciclones, precipitadores electrostáticos y
filtros de bolsas. Por otra parte, los gases ácidos que comúnmente se generan
son: HCl, SOx y NOx. En el caso de los dos primeros, no se requieren condiciones
especiales de operación para inducir o evitar su formación, pero se pueden
remover con relativa facilidad al neutralizar el flujo de los gases con reactivos
alcalinos (NaOH y CaOH₂). Sin embargo, la generación de NOx depende de la
temperatura de combustión, encontrándose que a partir de 1,000 °C, su
concentración en los gases de combustión se incrementa sustancialmente
(Brunner 1993). Entre las medidas empleadas para la remoción de NOx se
encuentran la recirculación de los gases de la cámara de combustión secundaria
y/o la adición de amoniaco en la zona de combustión (IAWG 1997). Por lo tanto, el
tratamiento completo de los gases de combustión implica la combinación de varios
procesos específicos.
Temperatura de salida de los gases. Se han establecido límites para la
temperatura de salida de los gases, principalmente para minimizar la formación de
dioxinas por medio de las reacciones de Novo. De acuerdo con esta teoría, la
19
INCINERACIÓN
formación de dioxinas y furanos es mínima cuando la temperatura es menor a 250
°C (Lanier 1998), por lo que el PROY-NOM-098-ECOL-2000 establece ese valor
como máximo para los gases emitidos a la atmósfera. En Japón se establece que
la temperatura de los gases debe reducirse hasta 200 °C para disminuir aún más
la posibilidad de generación de dioxinas (Matsumura 1998).
2.3.1 Otros criterios importantes
Manejo de cenizas. Las cenizas de fondo o escorias generadas en la cámara de
combustión primaria, se componen principalmente de materiales inertes mientras
que las cenizas volantes que se atrapan en los equipos de control de emisiones,
presentan mayor concentración de materia orgánica y de metales en forma de
compuestos relativamente solubles, algunos de los cuales como el Cd, Ni o Pb,
están regulados como constituyentes peligrosos en la NOM-052-ECOL-1993. En
Japón y en los países europeos se recomienda que las dos corrientes de cenizas
se manejen por separado y que al menos las cenizas volantes se estabilicen antes
de su disposición (IAWG 1997). En México y los Estados Unidos de América, las
cenizas deben disponerse como residuos peligrosos cuando al realizar una prueba
de extracción se encuentren compuestos en concentraciones mayores a las
permitidas (IAWG 1997, PROY-NOM-098-ECOL-2000).
Tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales de las plantas de
incineración provienen de los equipos de lavado de gases o de la limpieza de
contenedores, vehículos, derrames, entre otros, y en general se depuran por
medio de trenes de tratamiento físico-químico. No obstante, sólo la Directiva
2000/76/CE ha incluido límites para sólidos suspendidos y metales pesados
además de dioxinas y furanos en las aguas provenientes de los incineradores.
Igualmente, El PROY-NOM-098-ECOL-2000 establece que las aguas residuales
deberán ajustarse a los criterios particulares de descarga o a los ordenamientos
20
INCINERACIÓN
jurídicos aplicables que en este caso serían las Normas NOM-001-ECOL-1996 Y
NOM-002-ECOL-1996.
Almacenamiento de residuos. Las condiciones de almacenamiento de residuos
peligrosos que aplican para México, están establecidas en el Reglamento en
Materia de Residuos Peligrosos de la LGEEPA. Sin embargo, adicionalmente
deben considerase para los residuos patológicos las condiciones particulares
establecidas en la NOM-087-ECOL-1995, donde se indica que el almacenamiento
de estos residuos deberá ser en cámaras de temperatura controlada no mayor a 4
°C. Estas condiciones se respetan en el PROY-NOM-098-ECOL-2000.
2.4 Estudio de caso en plantas de incineración
2.4.1 Parámetros observados
Con la finalidad de aplicar la metodología propuesta para la evaluación de la
eficiencia de los procesos de incineración que se llevan a cabo en México, se
visitaron diez plantas de incineración de residuos peligrosos, biológico-infecciosos
y medicamentos caducos.
Durante las visitas se observaron equipos de incineración de lecho fijo, de semisuspensión y hornos rotatorios, con cámaras de combustión primaria y secundaria.
Las capacidades de operación de estos equipos van desde 109 hasta 588 kg/hora
y la operación se realiza en uno o dos turnos, dependiendo de la demanda del
servicio.
Todos los incineradores de lecho fijo que se visitaron funcionan bajo el régimen de
alimentación por lotes o semi-continuo; entre los incineradores de alimentación
continua se encontraron dos rotatorios y dos con sistema de semi-suspensión.
Estos últimos tienen como característica que los residuos pasan por una operación
de reducción de tamaño antes de ser alimentados de forma neumática al
incinerador, con lo que se consigue la combustión completa de los residuos en un
tiempo más corto que con otros tipos de incineradores.
21
INCINERACIÓN
Las temperaturas de operación en la cámara de combustión primaria que se
registraron en los incineradores de residuos industriales estuvieron entre 650 y
1,100 °C; en el caso de los incineradores de residuos biológico-infecciosos y
medicamentos caducos, se encontró un rango considerablemente amplio, desde
500 hasta 1,100 °C.
Las temperaturas encontradas en la cámara de combustión secundaria oscilaron
entre 900 y 1,250 °C, aunque en la mayoría de las plantas se encontraron
temperaturas entre 1,000 y 1,100°C, un rango apreciablemente más compacto,
probablemente debido a que éste es uno de los parámetros establecidos en el
PROY-NOM-098-ECOL-2000.
Todos los datos obtenidos en relación con el tiempo de retención de los gases en
la cámara de combustión secundaria fueron mayores o iguales a dos segundos;
sin embargo, debe aclararse que en todos los casos, el valor fue proporcionado
por los operadores de cada planta, sin que se tuviera la oportunidad de comprobar
la veracidad de la información. En tres de los casos, el operador manifestó
desconocer el dato correspondiente.
Se observó una variedad de tecnologías en los sistemas de control de emisiones,
desde sistemas unitarios donde se realiza el lavado y enfriamiento de los gases en
el mismo equipo, hasta trenes completos que incluyen la remoción de partículas
empleando lavadores, ciclones o filtros de bolsas y la neutralización de gases
ácidos por medio de neutralizadores de HCl y SOx, que emplean reactivos como
NaOHy CaOH₂, o la recirculación de los gases para la remoción de NOx. En el
70% de las plantas evaluadas se encontró que empleaban más de uno de los
equipos mencionados anteriormente.
Las temperaturas de salida de los gases fluctuaron entre 75 y 330 °C, pero se
observó que ocho de las diez plantas visitadas cumplen con el estándar de 250 °C
establecido en el PROY-NOM-098-ECOL-2000, y cinco de ellas presentaron
temperaturas de salida de los gases menores a 200 °C.
22
INCINERACIÓN
Por otra parte, se observó que las plantas en general almacenan las cenizas
volantes y de fondo de forma conjunta en contenedores temporales dentro de sus
instalaciones y posteriormente se vierten sin tratamiento en sitios de disposición
de residuos sólidos municipales. La única planta de incineración que manifestó
manejar por separado las diversas corrientes de cenizas fue la No. 9, que
reincinera las cenizas volantes generadas en el proceso; sin embargo, éste no se
considera un tratamiento completamente eficiente, ya que ocasiona que los
metales fluyan constantemente en un circuito cerrado dentro del sistema, sin
posibilidad de salida, incrementando cada vez su concentración en las cenizas
volantes.
En cuanto al tratamiento del agua, el 50% de las plantas aplica un tratamiento
físico-químico al agua residual generada en el proceso, el cual consiste
básicamente en un tratamiento primario de floculación y sedimentación de las
partículas arrastradas. Otros sistemas incluyeron la reutilización del agua de
lavado de contenedores para el proceso de enfriamiento de los gases o la
introducción a la cámara de combustión primaria después de absorberla en una
matriz sólida como aserrín. Solamente dos plantas manifestaron no dar
tratamiento al agua residual antes de descargar al drenaje municipal.
Todas las plantas presentan buenas condiciones de almacenamiento, a excepción
de la planta No. 4, que no cuenta con cámara fría para el almacenamiento de los
residuos patológicos.
El resumen de las condiciones encontradas en las plantas de incineración se
muestra en la tabla 1, numeradas en el orden en que se visitaron.
23
INCINERACIÓN
Tabla 1. Resumen de prácticas de operación observadas en plantas de incineración
Parámetro
1
RPBI
Residuos tratados Medicam.
Caducos
Tem. CC₁ (°C)
Tem. CC₂ (°C)
Tiempo CC₂
Tratamiento de
gases
2
3
4
RPBI
Patológicos
RPBI
RPBI
Patológicos
Nº de planta
5
RPBI
Patológicos
6
7
RPBI
RPBI
Patológicos
650
500
1100
1100
800
725
1100
900
900
1000
1100
1000
2 seg.
2.4 seg
2 seg.
Enfriador
NTR
Lavador/Enfriad
Enfriador/Lavad Enfriador
Lavador/Enfriad Lavador/Enfriad
Ciclón
or
or
NTR
or
or
Filtros
Filtros bolsa
Ciclón
Lavador
Chimenea
Chimenea
bolsa
Chimenea
Chimenea
Chimenea
Chimenea
8
RPBI RPI
Medicame
n. y
Agroquími
cos
1000
1000
4.3 seg.
Recirculación
Lavador
NTR
Sedimentador
Chimenea
800
1100
2 seg.
9
10
RPBI
RPBI
Medicam.
Caducos
950
1250
< 7 seg.
640
970
2 seg.
Quencher
Lavador
NTR
Chimenea
Lavado
NTR
Chimene
a
Medio
absorbente
Chimenea
CaOH₂
No
No
No
-
NaOH
NaOH
CaOH₂/Na
OH
NaOH
No
130
250
160
300
75
80
200
79
200
330
-
140 Kg/día
67 Kg/día
-
-
250
Kg/día
300 Kg/sem.
1000
Kg/día
-
100 Kg/día
No
No
No
No
No
No
No
No
Reincine
ración
No
Tratamiento de
agua
Reciclaje
Desinfección
No
No
Floculación
Trat.
Fisicoquímico
Floculación/
Recirculación
Trat.
Fisicoquímico
Sedimen
tación
Incineración
Almacenamiento
Adecuado
Adecuado
Adecuado
No Adecuado
Adecuado
Adecuado
Adecuado
Adecuado
Adecuad
o
Adecuado
Combustible
Gas
natural
Gas LP
Gas natural
Gas LP
Gas LP
Gas LP
Gas LP
Gas LP
Gas LP
Gas LP
Reactivo
Temperatura
salida de gas
Cenizas
Generadas
Manejo de
Cenizas
Nota: CC₁= Cámara de combustión primaria; CC₂= Cámara de combustión secundaria; - = no especificado; RPI = Residuos peligrosos industriales; RPBI= Residuos
peligrosos biológico-infeciosos; NTR= Neutralizador
25
INCINERACIÓN
2.4.2 Caracterización de las cenizas
Además de los datos de operación obtenidos de las plantas de incineración, se
tomaron muestras de mezclas de cenizas en los contenedores de almacenamiento
temporal. En la planta No. 1 se tomaron muestras separadas de cenizas de fondo
y volantes. No se obtuvo ninguna muestra en las plantas No. 4 y 10 debido a que
el
día
de
la
visita
no
se
encontraban
en
operación.
Todas las muestras de cenizas fueron caracterizadas en cuanto a la pérdida de
materia volátil y metales lixiviables. La pérdida de materia volátil se determinó de
acuerdo con el método 2540 E de la APHA (1998). Los metales lixiviables se
extrajeron de acuerdo con el método descrito en la NOM-053-ECOL-1993, y se
cuantificaron por espectrofotometría de emisión atómica por plasma, empleando el
método EPA 6010A. Los resultados de estas determinaciones analíticas se
muestran en la tabla 2. Nota 1: LD= Límite de detección del laboratorio de
espectrofotometría de absorción y emisión atómica del CENICA; LMP= Límite
máximo permisible (NOM-052-ECOL-1993); -= No se determinó; g: Fuera del
límite.
Planta
Parámetr
o
1
Fond Volante
o
s
Pérdida
de
materia
19
volátil
(%)
Metales lixiviables (mg/L)
0.001
As
0.0013
6
LD
mg/L
LM
P
2
3
5
6
7
8
9
11.5
0.3
14
0
17.2
2.7
0
0.024 .0.184
3
7
0.050
8
< LD
0.001
1
< LD
0.005
7
0.001
5
10
%
Ba
< LD
3.36
0.47
0.64
0.73
3.48
< LD
0.18
2.26
0.034
100
Cd
1.05
3.91
0.03
< LD
0.04
< LD
20.5
< LD
< LD
0.01
1
Cr
< LD
6.94
0.15
0.24
0.08
< LD
< LD
< LD
0.21
0.01
5
Ni
3.44
29.02
0.28
0.04
0.26
0.53
1.6
0.53
0.62
0.014
5
Hg
0.002
0.0108
Ag
< LD
< LD
0.003
0.0017 0.002
1
< LD
< LD
< LD
0.08
< LD
0.002 0.001
3
3
< LD < LD
0.001 0.00005
3
3
0.03
< LD
0
5
26
INCINERACIÓN
Pb
3.1
25.86
< LD
< LD
0.19
< LD
0.35
< LD
< LD
0.017
5
Se
0.011
9
0.0041
0.004
0.005
0.0034
4
4
0.003
8
0.007 0.004
4
4
0.002
7
0.001
1
En el caso de la pérdida de materia volátil, se encontraron muestras que
presentan valores muy pequeños, desde 0 hasta 2.7%, pero otro grupo tuvo
pérdidas de materia volátil muy elevadas, todas mayores a 10% y una cercana al
20%. A partir de estos resultados, se encontró una relación directa entre el
mezclado de los residuos en la cámara de combustión primaria y la pérdida de
materia volátil de las cenizas resultantes; es decir, en los hornos rotatorios y de
semi-suspensión, donde existe mejor contacto de los residuos con el aire y la
temperatura, las cenizas presentan valores mínimos de pérdida de materia volátil,
mientras que todos los hornos de lecho fijo generan cenizas con pérdida de
materia volátil superior al límite dispuesto en el PROY-NOM-098-ECOL-2000,
como se aprecia en la Figura 2.2.
Figura 2.2. Relación de la capacidad de mezclado de los tipos de incineradores con la
pérdida de materia volátil de las cenizas que generan
Fuente: www2.ine.gob.mx
27
INCINERACIÓN
En cuanto a metales lixiviables, resalta el hecho de que las muestras de cenizas
de fondo y volantes de la planta No. 1 presentan el comportamiento esperado,
encontrando cantidades de Cd, Cr, Ni y Pb que rebasan los límites máximos
permisibles establecidos en la NOM-052-ECOL-1993 en la muestra de cenizas
volantes. En las cenizas de fondo el Cd también rebasa el límite máximo
permisible, aunque ésta puede ser una condición inusual debido a la variabilidad
de la composición de los residuos hospitalarios.
En el resto de las muestras no se encontraron metales en concentraciones
superiores a los límites máximos permisibles, probablemente debido al manejo
conjunto de cenizas volantes y de fondo que ocasiona la dilución de la
concentración de metales lixiviables. Este no es el caso de la muestra de cenizas
de la planta No. 9, ya que cuenta con un manejo separado para los diferentes
tipos de cenizas.
2.4.3 Aplicación de la metodología de evaluación
Después de obtener los parámetros de operación de las plantas de incineración y
la caracterización de las cenizas, se aplicó el método de evaluación planteado,
asignando puntuaciones a los parámetros de operación de cada planta de acuerdo
con los criterios mostrados en la tabla 1. El resultado de la evaluación del
desempeño de los incineradores se presenta en la tabla 3, donde se incluye el
promedio de la puntuación obtenida por planta y por cada uno de los parámetros
evaluados. El promedio se realizó con base en los datos disponibles para cada
caso, debido a la falta de información para algunas plantas en cuanto a dos
parámetros de combustión.
28
INCINERACIÓN
Tabla 3. Evaluación de las plantas de incineración
Parámetro
Planta
6 7
1
2
3
4
5
8
9
10 PROM
Temperatura en CC₁
0
0
1
1
2
0
2
2
2
0
1
Temperatura en CC₂
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
1.9
Tiempo en CC₂
-
2
-
2
-
2
2
2
2
2
2
Pérdida de material volátil
0
0
2
-
0
2
0
2
2
-
1
Criterios de combustión
Criterios para el tratamiento de gases
Control de partículas y gases
ácidos
2
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1.5
Temperatura de salida
2
1
2
0
2
2
1
2
1
0
1.3
Manejo de cenizas
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0.1
Tratamiento de agua
2
2
0
0
2
2
2
2
2
2
1.6
Almacenamiento
2
2
2
0
2
2
2
2
2
2
1.8
Otros criterios importantes
Promedio
1.3 1.1 1.3 0.8 1.4 1.6 1.4 1.8 1.7 1.1
1.35
Nota: CC₁= Cámara de combustión primaria; CC₂= Cámara de combustión secundaria;
-= No especificado
0 = ineficiente; 1 = satisfactorio; 2 = excelente; c dxn = dioxinas y furanos
Fuente: Evaluación de la incineración de residuos peligrosos.
De acuerdo con la metodología aplicada, en la cual se asignan puntuaciones de 0
a 2, se observa que la planta No. 4 obtuvo una puntuación promedio menor a uno,
lo que representa un desempeño inferior a lo que se considera una operación
satisfactoria. Las plantas No. 2 y 10 escasamente superaron esta cifra; y las
plantas 1, 3, 5 y 7 representaron un mejor desempeño con promedios de 1.3 y 1.4.
Aunque ninguna planta de incineración alcanzó una evaluación excelente, las
plantas No. 6, 8 y 9 se acercan a esta condición.
29
INCINERACIÓN
En general, los parámetros donde se registraron los mejores cumplimientos en el
proceso fueron la temperatura y el tiempo de retención en la cámara de
combustión secundaria, mientras que el desempeño más bajo se encontró en el
manejo de cenizas; nueve de las diez empresas manejan las cenizas volantes y de
fondo de forma conjunta, disponiéndolas como un residuo no peligroso.
2.5 Componentes de una planta incineradora de residuos
Se van a tener distintos tipos de plantas incineradoras según el tipo de residuo
que se vaya a tratar en ellas ya sean residuos sólidos urbanos, hospitalarios o
industriales. Pero el esquema inicial es el mismo en todos los casos, lo que varían
son los tratamientos posteriores de los efluentes gaseosos, los líquidos y las
cenizas para eliminar los contaminantes (que varían en cada caso). El esquema
básico es el siguiente:
1º- Depósito donde se introducen los residuos que se van a tratar.
2º- De aquí pasan al horno de combustión donde se introduce la cantidad
necesaria de aire.
3º- Las cenizas y escorias caen por debajo de un depósito.
4º- Los gases van a una cámara de post-combustión de donde salen hacia
unosequipos de control de contaminación de aire.
5º- De aquí salen los gases limpios y a baja temperatura hacia la atmósfera por la
chimenea y las cenizas solidas que se han formado, son arrastradas por agua
hacia otro depósito para su posterior tratamiento. Figura 2.3
30
INCINERACIÓN
Figura 2.3 Esquema del funcionamiento de una incineradora
Fuente:www.tecnun.es
Es muy conveniente quitar algunos de los componentes de la basura antes de
incinerarlas. Uno de ellos es el vidrio porque si no, se funde y es difícil de retirar
del incinerador. Otro son los restos de los alimentos que contienen demasiada
humedad y hacen más difícil la incineración.
Al incinerar se produce CO2, partículas diversas, metales tóxicos y otros
compuestos que salen como humo.
Para evitar que salgan a la atmósfera se deben limpiar los humos con filtros
electrostáticos que atraen las partículas, las aglutinan y caen por gravedad a
unirse a las cenizas. También pasa el humo por una lluvia de agua con productos
químicos que neutraliza y retira compuestos tóxicos del humo. Al final salen los
humos mucho más limpios si el proceso funciona bien, lo que no siempre ocurre si
no se vigila y pone a punto continuamente.
31
PIRÓLISIS
CAPÍTULO III
PIRÓLISIS
La pirólisis es la degradación térmica o volatilización de la biomasa en ausencia de
oxígeno y aire. Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de
reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor.
Productos:
Los productos primarios formados son los siguientes en diferentes proporciones
según el proceso empleado:

Gases:
Compuestos
principalmente
de
CO
(Monóxido
de
Carbono),
CO₂(Dióxido de carbono), CH₆(Metano), C₂H₆(Etano) y pequeñas cantidades
de hidrocarburos ligeros.

Líquidos: Compuesto por una gran mezcla de distintos productos como pueden
ser: cetonas, ácido acético, compuestos aromáticos, y otras fracciones más
pesadas.

Sólidos: El producto sólido de la pirólisis es un residuo carbonoso char que
puede ser utilizado como combustible o para la producción de carbón activo.
A través de la variación de los parámetros del proceso de pirolisis como el tipo de
biomasa, la temperatura máxima, las condiciones de la atmósfera de reacción, la
tasa de calentamiento y el tiempo de permanencia de los productos en el reactor,
es posible influir en la distribución y características de sus principales productos.
De acuerdo al producto cuya generación se requiere optimizar se selecciona el
tipo de reactor que permita controlar las variables de los procesos de
transformación termoquímica de la biomasa de manera adecuada. La clasificación
de los reactores se hace en cuatro grupos principales, según el movimiento
relativo de las fases sólidas y volátil, en reactores de lecho fijo, móvil,fluidizado y
32
PIRÓLISIS
de flujo. La característica básica de esta clasificación es la velocidad relativa de
las fases sólida y volátil respecto al reactor. Así se pueden lograr condiciones
diferentes de permanencia y contacto entre ellas dentro del reactor.
La pirólisis se realiza con temperaturas entre 400 ºC y 800 ºC. A estas
temperaturas los residuos se transforman en gases, líquidos y cenizas sólidas. Las
proporciones relativas de los elementos producidos dependen de la composición
de los residuos, de la temperatura y del tiempo que ésta se aplique.
Durante la pirólisis se presentan procesos de transformación del material y de la
energía que se asocian bajo las variables químicas, y procesos de transferencia
de calor y de masa. La presencia de gradientes de temperatura en la cama de
material y en las partículas las ocasionan que la biomasa no reaccione de manera
homogénea. También se presentan diferencias en la secuencia de las reacciones
debidas a las condiciones del transporte de los productos primarios de las
reacciones hacia el exterior de las partículas y a través de la cama del material.
Estos procesos de transporte son responsables en gran parte de las reacciones
secundarias, que se generan a partir de los productos primarios de la pirolisis.
El material sólido o carbonizado obtenido se puede utilizar como combustible en
procesos industriales, en la cocción de alimentos o como materia prima para la
producción de carbón activado. El gas producido se utiliza para la generación de
energía mecánica y térmica o puede ser sintetizado para la producción de otros
productos químicos. El producto líquido, también identificado como condensado o
bioaceite, puede ser convertido en un combustible rico en hidrocarburos para su
combustión en motores y en la generación de energía mecánica y térmica.
Una corta exposición a altas temperaturas se denomina Pirólisis Rápida, y
maximiza el producto líquido. (verFigura 3.1)
Con la exposición a temperaturas más bajas durante períodos de tiempo más
largos, predominarán las cenizas sólidas. (verFigura 3.2)
33
PIRÓLISIS
PIROLISIS
LENTA
COMBUSTIBL
ES LÍQUIDOS
Metanol
RAPIDA
GAS
POBRE
CARBON
VEGETA
L
CARBON
VEGETAL
GAS
RICO
COMBUSTI
ON
GASIFICAD
A
COMBUSTIÓ
N
GASIFICADA
GAS DE
SINTESIS
METANOL
Figura 3.1 Principales productos y utilización
Fuente:Pirólisis de biomasa experiencias y aplicaciones
Tecnología
Tiempo de
residencia
Temperatura
máxima (ºC)
Producto
Final
Carbonización
Horas-días
300-500
Carbón vegetal
Lenta
5-30 min
400-600
Bio-óleo
Carbón
Gas
Rápida
≤1
450-600
Carbón
Gas
Rápida
≤1
700-900
Carbón
Gas
Figura 3.2: Tecnologías de pirolisis
Fuente:Pirólisis de biomasa experiencias y aplicaciones
34
PIRÓLISIS
3.1 Tipos de Pirólisis
Anhidra, por ejemplo, al freír, asar o quemar madera para producir carbón vegetal.
En aplicaciones industriales se realiza bajo presión y a temperaturas que
sobrepasan los 430 ºC.
Tratamiento termal por el que se reducen volúmenes inútiles de materiales como
el plástico, basura agrícola o residuos de madera, para producir algunos
combustibles sintéticos como por ejemplo diesel.
Al vacío el material orgánico se calienta para reducir el punto de ebullición y evitar
reacciones químicas peligrosas.
3.2 Equipo de procesamiento: Termobalanza
Para determinar los parámetros cinéticos de reacción pueden utilizarse diferentes
equipos de análisis térmico, que se describen brevemente a continuación
Análisis de termogravimetría (TGA): Permite la medición en continuo de la
variación de la masa de una muestra de material en función de la
temperatura, que puede incrementarse de manera continua o incluir
escalones de tratamientos isotérmicos. Los análisis de termogravimetría se
pueden realizar a nivel de laboratorio en diferentes escalas de
procesamiento que van desde pocos mg hasta varios gramos de la materia
prima.
Calorimetría diferencial de barrido (DSC): Con esta técnica la muestra se
somete a un programa controlado de calentamiento, de tal manera que las
diferencias de temperaturas entre la muestra y un material de referencia
permiten determinar información como las entalpías de reacción y las
temperaturas de transición entre fases y estados de la reacción.
Análisis térmico simultáneo (TSA): Esta técnica combina simultáneamente
al análisis de termogravimetría con el análisis térmico diferencial o la
35
PIRÓLISIS
calimetría diferencial de barrido. Se miden simultáneamente la variación de
la masa (TG) y la diferencia de temperatura entre la masa que se procesa y
un material de referencia.
Análisis continúo de gas generado (EGA): Para el análisis del gas generado
durante el procesamiento térmico se acoplan sistemas de análisis que
permiten la medición e identificación de diferentes componentes de la
mezcla de gas, principalmenteCO, CO₂, CH₄, H₂. El uso de otras técnicas
de medición en continuo, como los detectores de ionización por llama (FID),
permiten la medición de compuestos de hidrocarburos de mayor peso
molecular (
) en la fase volátil.
Otras técnicas: Para el análisis del gas y la fase volátil condensable es
corriente el uso de la cromatografía de gases (GC) y de líquidos (HPLC).
También se hace uso de la espectrometría de masas (MS) para la
identificación de
componentes, especialmente en los
estudios
de
microcinética.
Con el uso de las técnicas anteriores es posible determinar el comportamiento
de descomposición térmica del material, realizado normalmente en una
atmósfera inerte de nitrógeno, aunque pueden usarse otros gases como el
argón y el helio. También es posible el estudio bajo condiciones reactivas,
utilizando H₂O, CO₂o aire (oxígeno).
Balance
En el caso de la pirolisis de una llanta se estima que la cantidad de gas que se
genera es el 55% en peso y se generan un 35% en peso de cenizas .
36
PIRÓLISIS
B
55 % = 0.55 Kg
A
C
1 Kg
¿?
T˃ 800
D
Combustible
35 % = 0.35 Kg
Balance General
Datos:
A
A= Llanta
B= Gases
C= Alambres
D= Cenizas
B+C+D
1 Kg = 0.55 Kg + 0.35 Kg + D
D = 1 Kg – 0.55 Kg – 0.35 Kg
D = 0.10 Kg
CH₄ + 3O₂ + S
CO₂ + 2H₂O + SO₂
16 + 96 + 32
44 + 18 + 64
144
144
¿Qué cantidad de O₂ se necesita para quemar CH₄ y así obtener CO₂?
37
APLICACIÓN
CAPITULO IV
APLICACIÓN
Incinerar los residuos sólidos tiene dos aspectos muy positivos. Se reduce mucho
el volumen de restos a almacenar porque, lógicamente, las cenizas que quedan
ocupan mucho menos que la basura que es quemada y además se obtiene
energía que se puede aprovechar para diferentes usos.
Otra aplicación con respecto a la incineración es la generación de energía la cual
se muestra a continuación en la Figura 4.1y Figura 4.2.
Figura 4.1 Representación esquematica de la instalación
Fuente: Hitachi ZosenCorporation
38
APLICACIÓN
Características de sistema de incineración:
Sistema de reciclado térmico que recupera la energía de los residuos
Reducción drástica del consumo de combustibles fósiles mediante el uso de
los residuos como combustible
El calor de la incineración de residuos se utiliza para la caldera de vapor e
impulsar la turbina de vapor para generar la energía.
Mediante la compactación de los residuos debido a la incineración, se usa
eficazmente para el relleno sanitario.
Las sustancias nocivas generadas por la combustión, se eliminan en las
instalaciones de tratamiento de gas escape
Las cenizas volátiles con contenido de sustancias nocivas se estabilizan
mediante un tratamiento especial
Se realiza la combustión estable que se adapte a los residuos
diversificados.
Descripción o principios
Los residuos incinerables del foso son incinerados después de ser enviados
mediante el aire al horno de cargador mecánico.
El gas de la combustión de alta temperatura de aprox. 800 ºC se recupera
por la caldera de vapor.
El vapor generado por la caldera se envía a la turbina de vapor y se utiliza
para generar la energía.
Después de haberse recuperado el calor del gas de escape, se trata enla
instalación de tratamiento hasta un valor que esté por debajo de la norma
ambiental y se descarga en la atmósfera.
Los residuos incinerados se extraen como ceniza voladera y después de la
compactación hasta 1/10 del volumen de los residuos. Se disponen en los
rellenos sanitarios.
39
APLICACIÓN
Figura 4.1 Representación esquematica de la instalación
Fuente:JASE-W Productos y Tecnologías Japonesas de Punta para el Ahorro Inteligente
de Energía
Utilización de los productos de la pirolisis
Líquidos
El bioaceite puede sustituir los aceites combustibles o al diesel en muchas
aplicaciones estáticas como calderas, hornos, motores diesel y turbinas de gas.
Productos químicos están siendo extraídos o derivados del bioaceite entre los que
incluyen: aditivos para combustibles y productos para la industria como son:
resinas.
Carbón vegetal
Se emplea directamente en la metalurgia y en fogones domésticos.
40
APLICACIÓN
Gas
El gas de calor específico de combustión bajo se puede emplear en motores de
combustión interna y el de calor específico alto tanto en motores como en turbinas
de gas
41
CONCLUSIONES
En este trabajo recepcional se vio la incineración como un manejo de los RSU
para poder reducir el espacio que ocupan asi como para el tratamiento de residuos
peligrosos y hospitalarios.
Existen aspectos muy importantes que deben mejorarse para incrementar la
eficiencia de los incineradores en México; uno de los principales es el diseño de
las parrillas en la cámara de combustión primaria, ya que actualmente la mayoría
de los equipos son de lecho fijo. Para mejorar el mezclado y consecuentemente la
calidad de la combustión de los residuos en la cámara de combustión primaria,
debe emplearse tecnología más eficiente como los hornos de alimentación
continua. Asimismo, se deben controlar las temperaturas mínimas de combustión,
ya que algunas plantas presentaron temperaturas menores a 800 °C en la cámara
de combustión primaria, la cual no garantiza la combustión adecuada de los
residuos.
Es importante destacar que en México, escasamente se contempla el tratamiento
adecuado de las cenizas de fondo y volantes, las cuales pueden contener
concentraciones importantes de metales capaces de lixiviar por lo que deberían
separarse y, al menos las cenizas volantes, estabilizarlas antes de ser enviadas a
su disposición final.
La pirólisis podría convertirse en una alternativa para contrarrestar el
calentamiento global, debido a su eficacia en generación de bioenergía, obtenida
de materiales biológicos, también conocidos como biocombustibles.
La pirólisis como generadora de bioenergía ayudaría a reducir las emisiones por
combustibles fósiles. Entre sus ventajas está que no exige un desarrollo científico
elevado y es una tecnología ecológicamente limpia, sencilla y sólida, aplicable y
conveniente para distintas zonas.
42
BIBLIOGRAFIA
Evaluación de la incineración de residuos peligrosos
Anabell Rosas Domínguez
Gestión de residuosindustriales
Autor: Jesús Pérez Gómez
Kirk-Othmer. (1999). Enciclopedia tematica de la Quimica. Mexico D.F: Grupo
Noriega.
PIRÓLISIS DE BIOMASA EXPERIENCIAS YAPLICACIONES.
Autor: Dr. Ing. PT René LesmeJaén.
Pirolisis de Biomasa
Alexánder Gómez
Wolfgang Klose
Sonia Rincón
Paginas de internet
El blog verde. (14 de 07 de 2009). Obtenido de El blog verde:
http://elblogverde.com/contaminacion-del-suelo/
Water treatment solutions. (2009). Obtenido de Water treatment solutions:
http://www.lenntech.es/efecto-invernadero/combustibles-fosiles.htm
Contaminación del medio ambiente. (2010). Obtenido de Contaminación del
medio ambiente: http://html.rincondelvago.com/contaminacion-delmedioambiente.html
Caloryfrio. (2011). Obtenido de Caloryfrio:
http://www.caloryfrio.com/energiasfosiles.Html
En buenas manos. (2010). Obtenido de En buenas manos:
http://www.enbuenasmanos.com/articulos/muestra.asp?art=231
La ruta de la energía. (2010). Obtenido de La ruta de la energía:
http://www.larutadelaenergia.org/tipos/v1_b1.asp?v=0&b=0
43
ANEXO 1
Criterios aplicados para valorar el desempeño de las plantas
Parámetro
Rango
Valor (b) Observaciones
Criterios de combustión (a)
Temperatura en
CC₁
Temperatura en
CC₂
Tiempo de
retención en el
CC₂
Pérdida de
materia volátil
de las cenizas
< 800 °C
0
Combustión incompleta
800 a 1000 °C
2
Combustión adecuada
>1000 °C
1
Daño al material refractario
<850 °C
0
Combustión incompleta
850 a 1200 °C
2
Combustión adecuada
> 1200 °C
1
Daño al material refractario
< 2 seg.
0
? Seg
2
> 10 %
0
5 a 10 %
1
Representa combustión
satisfactoria
<5%
2
Garantiza la mejor
combustión
Insuficiente para
destrucción de compuestos
orgánicos
Suficiente para la
destucción de compuestos
organicos
Representa combustión
incompleta
Criterios para el tratamiento de gases
Control de
particulas y
gases ácidos
Temperatura de
Nulo
0
Se emiten contaminantes a
la atmósfera
Básico
1
Hay remoción de partículas
Avanzado
2
Hay remoción de partículas
y gases ácidos
> 250 °C
0
Altas probabilidades de
44
salida de los
gases
generación de dxnc
250 a 200 °C
1
Se reduce la generación de
dxn ( C )
< 200 °C
2
La generación de dxn es
casi nula
No adecuado
0
Genera condiciones de
inseguridad en la planta
Adecuado
2
Existe buen manejo de los
residuos
S/separación
0
Procura diluución y
disposición inadecuada
Otros criterios importantes
Almacenamiento
de residuos
Manejo de
cenizas
Tratamiento de
agua
C/separación
Evita la dilución
C/separación y
estabilización
2
Provee el manejo adecuado
Nulo
0
Provoca descarga de
contaminantes
Físico-químico
2
Provee tratamiento
adecuado
a CC1 = cámara de combustión primaria; CC2 = cámara de combustión
secundaria;
b 0 = ineficiente; 1 = satisfactorio; 2 = excelente; c dxn = dioxinas y furanos
Fuente: Evaluación de la incineración de residuos peligrosos.
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