1 Horno A R8U

GUZINA S.L.
MASTER EN INGENIERIA Y GESTION MEDIAOMBIENTAL
MIGMA 2007 / 2008
VALORIZACION ENERGETICA DE RESIDUOS
Santiago Palomino Guzmán
Ingeniero Industrial
GUZINA S.L.
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INDICE
JERARQUIZACION DE LAS ACTIVIDADES DE GESTION DE RESIDUOS (1)
-
Formas de valorización energética (3)
PROCESOS DE TRATAMIENTO TERMICO DE RESIDUOS
-
Incineración (4)
-
Gasificación (5)
-
Pirólisis o termolisis (5)
-
Aplicaciones de los diferentes procesos en el tratamiento de residuos urbanos (6)
TIPOS DE RESIDUOS INCINERABLES (8)
CONFIGURACION GENERAL DE UNA PLANTA DE INCINERACION DE RSU (10)
HORNOS DE COMBUSTION
(17)
-
Hornos de parrillas
(18)
-
Hornos de lecho fluido (26)
DEPURACION DE GASES EN LOS PROCESOS DE INCINERACION DE RESIDUOS
-
Límites de emisiones establecidos por el RD 653/2003
(29)
-
Contaminantes en las plantas de incineración de residuos (31)
-
Equipos empleados en la eliminación e partículas de los gases de combustión (37)
-
Sistemas de depuración de gases ácidos (39)
- Sistema de inyección seca (39)
- Reactor semiseco (39)
- Reactor por vía húmeda (41)
-
Configuración de una planta de incineración para cumplir la legislación sobre
emisiones atmosféricas (43)
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JERARQUIZACION DE ACTIVIDADES DE GESTION DE RESIDUOS
En un esquema jerarquizado de gestión de residuos pueden definirse diferentes
actividades que, aplicadas de forma ordenada, deberían conducir a modelos
óptimos de gestión, desde un punto de vista ambiental.
Estas etapas pueden resumirse en las siguientes:
-
prevención en la generación de residuos, que ocuparía el primer escalón
estratégico y supone la optimización de los procesos de uso de los
recursos de los que se derivan los residuos; la prevención debe
entenderse tanto en cantidad de residuos como en la peligrosidad de los
mismos; a diferencia de otras actividades que se analizan a continuación,
la prevención en la generación de residuos es siempre preferible a
cualquier otra opción.
-
valorización de los residuos que englobaría a las diferentes formar de
obtener valor económico o ambiental de los residuos; dentro de este
grupo pueden considerarse tres tipos diferentes de actividades de gestión:
-
la reutilización de los residuos, que es el aprovechamiento sin cambiar
la forma ni las características de los residuos; da lugar al
aprovechamiento completo de los mismos; el ejemplo más frecuente,
pero no único, de este tipo de actuaciones es el rellenado de envases;
no siempre tienen justificaciones económicas o ambientales claras.
-
la valorización material, (reciclado), en la que el residuo no conserva la
forma y las características originales y a veces se pierde una fracción
importante de los recursos usados en la fabricación del producto del
que proceden; para los residuos de origen urbano esta valorización
material mas característica está constituida por los reciclados de papel,
envases, metales, etc.; en general, lleva consigo una degradación de
la calidad, lo que introduce una limitación implícita.
-
el aprovechamiento de la energía contenida en los residuos; esta
forma de recuperación obliga a la destrucción de la estructura de los
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residuos, con cambios físicos y químicos muy importantes, por lo que
es incompatible con la recuperación material; puede aplicarse a gran
numero de residuos, con la condición de que, en la transformación,
produzcan un balance energético favorable.
-
destrucción de los residuos sin aprovechamiento energético; los procesos
físicos y químicos son bastante similares a otros de recuperación
energética pero en este tipo de procesos se descarta la recuperación
energética por razones ambientales o económicas.
-
depósito de residuos en vertederos; esta alternativa de gestión, en la que
confluirían algunas de las anteriores, debería ir siempre precedida de
algún tipo de recuperación de los recursos presentes en los residuos.
En consecuencia, el aprovechamiento de la energía contenida en los residuos,
(generalmente en forma de energía química), debería ser una actividad
preferente al vertido, dentro de un esquema global de gestión de residuos y de
optimización del uso de los recursos.
La jerarquización de las actuaciones anteriores, que tiene una justificación
básicamente ambiental y que está orientada a la optimización del uso de los
recursos, no puede ser interpretada de forma dogmática sino que ésta debe ser
conjugada con otros requisitos de ámbito social y económico.
En cualquier caso, el aprovechamiento energético no es el objetivo fundamental
en relación con la gestión de los residuos sino que predominan otros aspectos
de carácter ambiental, tanto en relación con los recursos como los efectos
ambientales derivados de una gestión inadecuada; esto puede comprobarse
mediante un análisis de las condiciones exigidas legalmente para algunos
tratamientos, ya que las mismas no están orientadas a una optimización
energética sino a los mejores resultados ambientales, como la garantía
ambiental de la gestión.
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Formas de valorización energética
En líneas generales, existen dos formas básicas de realizar la valorización
energética de los residuos, especialmente de los de origen urbano:
-
por metanización de la materia orgánica fermentable presente en los
mismos, con producción de metano y un residuo inerte que puede ser
depositado en vertedero; desde el punto de vista ambiental debe ser
considerado un pretratamiento orientado a estabilizar los residuos antes
de ser depositados en vertedero.
No debería confundirse con la recuperación del biogás procedente de los
vertederos ya que esta recuperación es una solución de los efectos
negativos del vertido que no debería tener lugar en los nuevos vertederos
si se reduce la cantidad de materia orgánica admitida en los mismos.
-
por tratamientos térmicos, (incineración, gasificación o pirólisis); aunque
no es un requisito imprescindible, en todos estos casos debería partirse de
la fracción no fermentable de los residuos, por razones de eficiencia
energética y económica.
Ambas formas de valorización energética son complementarias, puesto que se
aplican, (o deberían aplicarse) a dos fracciones de residuos diferentes.
La metanización se analiza en otra sesión de este mismo módulo, por lo que no
se profundiza ahora en ella; únicamente señalar que la forma mas habitual de
valorizar el metano obtenido es en motores de combustión interna, que tienen
rendimientos térmicos elevados; sin embargo, son posibles otras formas
aprovechamiento del biogás distintas de la combustión en motores o turbinas
para la producción de energía eléctrica; dependiendo del volumen de gas
producido puede ser más ventajosa la depuración del gas y su compresión para
ser utilizado como combustible de automoción; este uso es cada vez más
habitual, especialmente en los servicios de transporte público en grandes
ciudades.
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PROCESOS DE TRATAMIENTO TERMICO DE RESIDUOS
La valorización energética de un residuo combustible pasa siempre por la
transformación de su energía química en calor o en otro combustible limpio y
directamente utilizable (por ejemplo, gas de síntesis), seguida de la
transformación del calor liberado en otro tipo de energía útil, generalmente
energía eléctrica.
No deberían confundirse los procesos de tratamiento térmico, (incineración,
gasificación o pirólisis), con la valorización energética, que es uno de los
resultados del tratamiento; el grado de aprovechamiento obtenido es,
generalmente, modesto porque las materias primas de partida no son
especialmente homogéneas y por razones exclusivamente termodinámicas.
Existen tres procesos básicos para la valorización energética de los residuos
combustibles:
Incineración
Es un proceso fuertemente exotérmico, durante el cual se suministra al residuo
el aire necesario para la combustión completa del mismo, quedando los
productos resultantes de la combustión con el máximo grado de oxidación
posible: el carbono se transforma casi cuantitativamente en CO2, el hidrógeno
a H2O, etc.
La temperatura de combustión se sitúa en torno de los 850 a 1200 ºC,
dependiendo del combustible y de la configuración física de la cámara de
combustión.
El aire de combustión se regula de tal manera que en los gases quede siempre
un cierto exceso de oxígeno, entre un 3 y un 6%, para asegurar la oxidación
completa de los compuestos del residuo.
La fracción sólida corresponde a las escorias no combustibles o residuos
inquemados; las características de los mismos suelen hacerlos equiparables a
residuos inertes, aunque este extremo no siempre puede ser garantizado.
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Gasificación
Consiste en una oxidación parcial del combustible, que se produce al someterlo
a temperatura elevada en una atmósfera con defecto de oxígeno; generalmente
puede hacerse una inyección de agua o vapor, lo que asimila el proceso a un
proceso típico de reformado.
Los productos de gasificación son:
−
gas de síntesis, que contiene productos de oxidación parcial del
combustible, (CO, H2, CH4); el objetivo es obtener gases combustibles
que puedan ser posteriormente utilizados para valorización energética o
química; debido a la temperatura, la fracción de gases condensables, de
alto peso molecular, es muy reducida.
−
escorias que, como en el caso de la incineración, no suelen tener valor
energético porque la fracción combustible ha sido gasificada; como la
temperatura suele ser inferior a la de incineración el grado de inquemados
en las escorias suele ser superior a los procesos de combustión completa.
Pirólisis o termolisis
Tiene como objetivo fraccionar las moléculas orgánicas del residuo mediante un
cracking térmico sin producir ninguna oxidación; para ello, se somete a
temperaturas del orden de 400 a 600 ºC durante un tiempo prolongado en
ausencia de oxígeno, con aportación de calor.
Los productos de pirólisis, una vez enfriados, son:
−
gas de síntesis, que contiene de los hidrocarburos que son gaseosos a
temperatura ambiente
−
una fracción líquida compuesta por hidrocarburos y alquitranes, con una
gran cantidad de impurezas, procedentes de condensaciones sucesivas de
fracciones más pesadas.
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−
un residuo secundario que contiene las fracciones no volátiles ni
fácilmente escindibles a las temperaturas de operación; este residuo
puede tener un poder calorífico suficientemente elevado para poder ser
sometido a un proceso de combustión completa; en todo caso, es muy
probable que se trate de un residuo peligrosos porque acumulará los
compuestos más refractarios al tratamiento térmico.
Aplicaciones de los diferentes procesos en el tratamiento de residuos
urbanos
El proceso de incineración cuenta con una implantación muy extendida en la
mayor parte de los países europeos, que desarrollaron estos sistemas de
tratamiento de forma muy intensiva durante los años 80, aunque la incineración
de residuos viene desarrollándose, como tecnología específica, desde los años
30 del siglo pasado.
El gran desarrollo tecnológico de la incineración tuvo lugar en los últimos 15
años, centrándose tanto en la optimización de los diseños de los hogares y
cámaras de combustión como en los sistemas de depuración de gases.
En este sentido, se han desarrollado los sistemas de combustión en lecho
fluido, tanto estacionario como circulante al tiempo que se han integrado los
ciclos térmicos convencionales de las plantas de incineración, (de vapor de
agua a presiones medias), con ciclos de gas complementarios o con otros ciclos
de vapor a presiones más elevadas, (propios de centrales térmicas); de esta
manera se pretenden aumentar el aprovechamiento energético global.
La pirólisis de residuos combustibles relativamente homogéneos produce
aceites y gases pirolíticos que, al menos teóricamente, pueden ser utilizados en
motores térmicos de combustión interna, con un rendimiento energético
adecuado; sin embargo, la realidad práctica es ligeramente diferente ya que las
características de los combustibles, salvo para residuos absolutamente
homogéneos, no son las mas adecuadas para el funcionamiento prolongado de
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los motores; algunos procesos de pirólisis en funcionamiento se dedican, de
forma casi exclusiva, a la producción de un combustible sólido que pueda ser
utilizado en otras instalaciones, como las plastas de cemento.
Esta tecnología podría ser de aplicación específica a residuos muy homogéneos
como los residuos plásticos; mediante la pirólisis puede obtenerse una corriente
de gas combustible que posteriormente puede quemarse, con un residuo
mínimo.
Sin embargo, bastantes propuestas de plantas de pirólisis sólo pretenden la
obtención de una fracción de gases y líquidos combustibles, que son
posteriormente incinerados, con o sin tratamiento previo; en definitiva, se
presenta una combustión en dos etapas en la que una parte de los residuos
quedan sin tratamiento y con un incremento de su carácter peligroso.
En el proceso de gasificación los gases obtenidos, compuesto por mezclas de
CO, H2, CO2, N2 y otros gases, se depuran y son posteriormente utilizables en
turbinas de gas o motores, con el consiguiente aumento de rendimiento de
transformación.
Como ejemplo de ello cabe mencionar la experiencia alemana en Schwarze
Pumpe, consistente en una gasificación a presión de los RDF, donde se
alcanzan unos rendimientos energéticos muy superiores a la incineración
convencional y unas emisiones extraordinariamente bajas, aunque con unos
costes de inversión muy elevados, unas instalaciones muy complejas y, de
momento, con notables incertidumbres tecnológicas.
La gasificación de los RSU, tanto atmosférica como a presión, debe
considerarse una alternativa de futuro a medio o largo plazo, especialmente
para residuos muy homogéneos, como los rechazos de recogidas separadas en
origen.
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TIPOS DE RESIDUOS INCINERABLES
La característica fundamental de los residuos que permite su incineración es el
poder calorífico de los mismos junto con la presencia de algunos contaminantes
que condicionan la forma de tratamiento por incineración.
Pueden distinguirse diferentes tipos de residuos urbanos, atendiendo a la forma
de recogida y al tratamiento posterior, en relación con la incineración:
−
RSU:
Residuos sólidos urbanos en general; suelen referirse a residuos
recogidos sin separación en origen, en masa; una gran parte de
los mismos, (casi el 50%), está constituido por residuos no
combustibles, con una cantidad importante de agua, lo que resta
eficacia al proceso de valorización energética.
−
RDF:
fracción combustible de los residuos urbanos procedente de la
separación mecánica de los residuos recogidos en masa; esta
fracción es aproximadamente la mitad de la cantidad total de
residuos urbanos recogidos; su poder calorífico del orden de 2,500
kcal/kg aunque éste depende de la coexistencia con otros sistema
de recogida selectiva.
Otras fracciones, menos trascendentes para los procesos de incineración, son
las procedentes re recogida separada en origen:
−
la fracción húmeda separada de los RSU procedente de recogidas en
masa; aunque suele dedicarse a la producción de compost, la calidad del
mismo no suele ser adecuada; la forma más adecuada de gestión es
mediante
un
tratamiento
mecánico
biológico,
que
permita
una
metanización; la fracción no digerible puede ser depositada en vertedero
porque su estabilidad será alta.
−
fracciones secas de residuos, procedentes de diferentes sistemas de
recogida separada; (envases, papel y cartón, etc.); aunque este grupo de
residuos tiene un poder calorífico elevado, si la recogida selectiva está
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bien realizada este grupo de residuos podrá ser destinado a reciclado de
forma preferente.
−
fracciones húmedas de residuos procedentes de recogida separada; en
general, cuando se recoge esta fracción es porque el modelo de gestión
considera la producción de cantidades importantes d e compost de
calidad; en cualquier caso, como cualquier otra fracción húmeda, la mejor
forma de valorización energética es por vía biológica, (metanización) y no
por tratamiento térmico.
−
necesariamente deben ser considerados candidatos a la incineración.
En definitiva, dependiendo de la estructura de recogida de residuos, separada
en origen o en masa, se obtendrán diferentes flujos de residuos y se
propiciarán determinadas formas de gestión
En general, la recogida separada de fracciones no combustibles está orientada
a la producción de compost y al reciclado de materiales plásticos; en todo caso,
los rechazos combustibles de ambas fracciones suponen un porcentaje muy
elevado de los residuos recogidos.
Los procesos de recogida en masa exigirán progresivamente la separación y el
pretratamiento
de
la
fracción
húmeda,
para
estabilizar
los
residuos
fermentables; el rechazo procedente de la separación mecánica es el RDF,
debería ser destinado a incineración.
Las plantas de incineración se diseñan de forma bastante específica en función
del tipo de residuos a tratar; desde principios de los años 1990 predominan las
plantas diseñadas para fracciones secas, (o rechazos combustibles), porque
junto con el avance de la recogida selectiva de residuos urbanos, se
desarrollaron los procesos de separación mecánica, por el incremento en la
eficacia energética, al aumentar considerablemente el poder calorífico de los
residuos y disminuir la carga de agua; no obstante, un número muy elevado de
plantas de incineración funcionan con residuos recogidos en masa, con o sin
pretratamiento mecánico previo.
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CONFIGURACION GENERAL DE UNA PLANTA DE INCINERACION
La mayor parte de las incineradoras aprovechan el calor producido en la
combustión de los residuos urbanos en un ciclo de vapor, con producción
posterior de electricidad; en numerosos caso, especialmente en climas fríos, la
producción de electricidad se sacrifica parcialmente aprovechándose el calor a
temperaturas inferiores para la producción de agua caliente, para calefacción y
otros usos; en algunos otros caso, dependiendo de la localización de la planta,
la valoración energética se realiza cediendo vapor a otros usuarios cercanos,
(industrias).
El esquema básico es:
En general, el combustible adicional solo se utiliza durante la etapa de puesta
en marcha y en algunas circunstancias concretas, pero no representa una
aportación significativa en el balance energético de la planta.
El calor para calefacción central suele extraerse de la turbina, bien en forma de
extracción o utilizando turbinas de contrapresión; de esta forma, la menor
producción de electricidad se compensa con un mejor aprovechamiento del
calor a baja temperatura.
Para países cálidos, que a veces adolecen de falta de agua, este calor residual
del condensador de las turbinas, o con una fracción de vapor extraído, pueden
dedicarse a la desalinización de agua de mar, o salobre, utilizándolo en un
evaporador de varios etapas, (multiefecto.)
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Existen algunas variantes a esta configuración habitual, orientadas a obtener
mayores rendimientos energéticos, incluyendo la planta de incineración como
una de las etapas de ciclos combinados que utilizan gas natural; aunque desde
el punto de vista económico y tecnológico supongan un avance, desde el punto
de vista de valorización de la energía obtenida de los residuos no existen
diferencias con sistemas clásicos de incineración, porque el aprovechamiento de
la energía de combustión se hace siempre en forma de vapor de alta presión.
Independientemente de la posibilidad de asociación de una planta de
incineración con otras instalaciones térmicas, para la búsqueda de un mejor
rendimiento energético global, la estructura clásica de una planta de
incineración de RSU es como se indica en la figura:
Pueden apreciarse los siguientes elementos principales:
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Foso de recepción, en la que se reciben los residuos, en masa desde los
servicios de recogida cuando ésta no es separada en origen, o RDF desde
instalaciones de clasificación; los fosos suelen tener una capacidad de
almacenamiento equivalente a 3 a 5 días de recogida; junto a la función directa
de almacenamiento, los fosos tienen también la posibilidad de mezcla de los
residuos, de forma que los residuos alimentados a la planta mantengan una
cierta homogeneidad; esta mezcla se produce mediante grúas-pulpo, que,
además sirven para alimentar el residuo a las tolvas de alimentación de los
hornos.
En los fosos de alimentación comienzan reacciones de descomposición de los
residuos, generando gases y malos olores; para evitar estos efectos, los fosos
de recepción se mantienen cerrados, realizando la toma de aire de combustión
a través de los mismos.
Los residuos depositados en la tolva fluyen hasta la entrada al horno donde se
dispone de sistemas de alimentación al horno que permite una regulación
precisa de la cantidad de residuos introducidos.
Horno de combustión, constituido por la parrilla y por la cámara de combustión;
existen diferentes tipos de hornos, aunque los más usados para RSU son los
hornos de parrillas y los de lecho fluido.
En el caso de los hornos de parrilla, los residuos se van desplazando hacia la
parte inferior de la misma mientras arden; el aire de combustión de introduce,
al menos parcialmente, en la propia parrilla.
La parte final de la parrilla descarga las escorias no combustibles en un foso
con cierre de agua; aquí se produce el enfriamiento de las mismas y su
posterior traslado a un foso de escorias.
Una parte del aire de combustión se introduce en diferentes puntos de la
cámara del horno, generalmente a través de la propia parrilla, para conseguir
una mejor combustión; otra parte, el aire secundario, se introduce en puntos
distintos del horno para conseguir una homogeneización de la temperatura y de
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la composición, evitando la presencia de puntos calientes que pueden conducir
a la formación de cantidades importantes de óxidos de nitrógeno.
En la parte superior del horno se encuentra la cámara de postcombustión, que
es un espacio vacío que el gas tarda en recorrerlo mas de 2 segundos y durante
los cuales la temperatura es superior a 850 ºC; la finalidad de esta cámara de
postcombustión, que no debe confundirse con una segunda cámara de
combustión, es asegurar que el tiempo se mantiene a una temperatura elevada
durante un tiempo suficiente para permitir la destrucción de los componentes
peligrosos de los residuos.
La caldera de recuperación se encuentra a continuación de la cámara de
postcombustión, (a veces ésta forma parte de la zona de radiación de propia
caldera); el gas caliente es enfriado desde la temperatura de combustión, del
orden de 1000 ºC, hasta una temperatura cercana a 220 – 250 ºC; el calor
recuperado se transforma en vapor recalentado de alta presión.
En la caldera deben diferenciarse varias zonas, en función de la forma
preferente de transferencia de calor y del resultado de la transferencia: por
orden decreciente de temperatura se encuentran:
−
la zona de radiación, de temperatura mas elevada, donde la transferencia
de calor se realiza por radiación; el contacto entre el flujo de gas caliente y
los elementos de la caldera se reducen al mínimo; los tubos de generación
de vapor suelen estar protegidos por refractarios evitando su exposición
directa al gas, que tiene una gran cantidad de partículas incandescentes;
de esta forma se reducen las abrasiones y corrosiones en la caldera.
−
la zona de convección, constituida por haces tubulares, generalmente
verticales; el mecanismo de transferencia es por contacto entre los gases,
ya suficientemente fríos, del orden de 600-700ºC, y los elementos del
horno; sobre éstos se depositan cantidades importantes de polvo que
deben ser separados periódicamente para evitar la reducción de la
capacidad de intercambio de calor; esta separación se realiza mediante
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golpeo en los haces tubulares, que hace que el polvo se desprenda y se
recoja en las tolvas inferiores de cenizas volantes.
−
formando parte de la caldera existen otros haces de recuperación
energética en los que no se produce vapor sino que se caliente el agua de
alimentación, son los economizadores y el mecanismo de transferencia de
calor es, también, por convección; estos haces se diseñan de forma que no
se produzca un enfriamiento excesivo de los gases para evitar la
condensación de los componentes ácidos que podrían dar lugar a una
corrosión intensa de las superficies metálicas; por esto la temperatura
mínima de las calderas se mantiene en torno a 200 –250 ºC.
En la caldera, además de la recuperación de calor y el enfriamiento de gases,
(que son efectos simultáneos), se produce una separación importante de las
partículas de polvo; el grado se desempolvado suele ser suficiente para el
adecuado funcionamiento de los sistemas de depuración de gases.
El sistema de depuración de gases es uno de los elementos más importantes de
las plantas de incineración; el de la figura representa un proceso semiseco, que
es el de mayor utilización, está compuesto por los siguientes elementos:
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−
reactor de absorción de gases ácidos, (spray dryer), en el que se pulveriza
una solución de lechada de cal, a veces mezclada con carbón activo en
polvo; el reactivo reacciona con los gases ácidos produciendo la
neutralización de los mismos; los productos de reacción son sólidos en
polvo, que se depositan en el fondo del reactor; el carbón activo adsorbe
compuestos orgánicos y metales pesados volátiles.
−
sistema de desempolvado de los gases neutralizados, constituido
generalmente por un filtro de mangas, que tiene una gran eficiencia de
separación; además del efecto de filtración, los filtros de mangas tienen la
ventaja de permitir que se completen las reacciones de neutralización y
adsorción de contaminantes en el paso de los gases a través de la capa de
finos depositados sobre las telas filtrantes.
Los sistemas de depuración como los descritos suelen ser completamente
eficientes para alcanzar las especificaciones del RD 653/2003, incluyendo las
exigentes especificaciones de emisión de dioxinas y furanos.
Para conseguir la reducción de los óxidos de nitrógeno procedentes de la
combustión existen varios sistemas que combinan el mejor diseño de la
geometría de los hornos de combustión, para permitir una combustión muy
homogénea, con la utilización de sistema de reducción de los óxidos de
nitrógeno, utilizando urea, amoníaco o con un combustible; los sistemas mas
normales para las plantas de residuos urbanos en España son la inyección
controlada de amoníaco en el horno, con lo que pueden conseguirse emisiones
especialmente bajas de NOx; otro sistema alternativo, mas caro, es por medio
de un catalizador selectivo utilizando un reductor diferente, generalmente gas
natural, (SCR); este segundo sistema, que se coloca tras el sistema de
depuración de gases, permite un control adicional de los compuestos orgánicos.
Las configuraciones de los sistemas de depuración de gases son muy
numerosas y, en cada caso, responden a exigencias locales o a variaciones
tecnológicas de los suministradores, como más adelante se indica.
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Sistema de control de emisiones, que permite la monitorización de los gases
antes de su salida a la chimenea; la nueva Directiva establece los parámetros
que deben ser controlados de forma directa y permanente.
Chimenea de emisión de gases, que tiene un función fundamental de permitir la
adecuada difusión de los contaminantes emitidos, aún en concentraciones muy
reducidas; generalmente son metálicas, con alturas que suelen sobrepasar los
50 o 60 metros.
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HORNO DE COMBUSTION
Para el horno de incineración de residuos urbanos, ya sea de residuos en masa
o de RDF, existen dos grupos de tecnologías:
−
Hornos de parrillas
−
Hornos de lecho fluido
No tienen aplicación en este tipo de residuos los hornos rotativos, que tienen
un uso casi generalizado en las plantas de incineración de residuos peligrosos.
La utilización aproximada de cada una de las tecnología puede resumirse en las
distintas áreas del diagrama de fuego, en función de la capacidad de la planta,
(por línea), y el tipo de residuo a tratar, (poder calorífico).
Cuando el poder calorífico de los residuos es reducido, (residuos en masa, sin
clasificación) son mas aplicables las tecnologías de parrillas, de barras o de
rodillos, pero ambas tecnologías tienen también una limitación por el tamaño
del horno; para residuos con poder calorífico elevado, (RDF), pueden utilizarse
las parrillas refrigeradas; la tecnología de lecho fluido es especialmente
adecuada para plantas de gran capacidad, independientemente del poder
calorífico de los residuos utilizados.
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Hornos de parrillas
Los residuos son depositados en la zona inicial de la parrilla por medio de
dispositivos de empuje y el movimiento de la misma produce un avance del
residuo hacia la zona de combustión; la forma de producir el avance diferencia
los distintos tipos de parrillas; en todos los casos las parrillas están dispuestas
de forma que la misma presente una gran pendiente, que facilite el avance de
los residuos.
Los objetivos fundamentales de las parrillas son:
−
producir el, volteo y mezclado de los residuos a lo largo de la misma, de
forma que todos los residuos sean expuestos al fuego, reduciendo la
cantidad de inquemados.
−
conseguir una altura regular de residuos sobre la parrilla, para mantener
una combustión uniforme.
Para residuos con PCI inferiores a 3,000 kcal/kg, (que es el caso habitual de los
RDF), la refrigeración de las parrillas se suele hacer únicamente mediante el
aire primario que circula a través de la misma; si el PCI es superior es necesario
disponer de algún sistema adicional de refrigeración, generalmente por agua.
La parrilla es una tecnología de combustión muy conocida y experimentada,
tanto en RSU como en otros combustibles (las experiencias de las parrillas
Martin y Von Roll se remontan a los años 30 en RSU).
Existen diferentes disposiciones básicas de parrillas, pero las más extendidas en
el campo de incineración de RSU son:
−
parrillas de barras con movimiento de traslación
−
parrillas de rodillos.
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Parrillas con movimiento de traslación
El movimiento de los residuos se consigue mediante el movimiento de vaivén
de los elementos de la parrilla, que hacen que los residuos vayan cayendo
desde unos elementos a otros; la capacidad de la parrilla, y del horno, se regula
mediante regulación de la longitud del vaivén.
Una variante es la parrilla de Volund, en el que bloques completos de la parrilla se mueven en
un movimiento hacia delante y hacia atrás, permaneciendo algunos sectores de la parrilla
estáticos.
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En la figura puede analizarse el movimiento de los residuos en la parrilla de
movimientos alternativos.
En general, esta disposición de parrillas asegura un buen volteo de los residuos
y una buena uniformidad de a combustión.
Otras parrillas alternativas son la Martin y la Kablitz, desarrollada por Lentjes
AG.
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Parrillas de rodillos
Consiste en un número reducido de rodillos formando una parrilla con fuerte
inclinación; el movimiento de los residuos sobre la parrilla se consigue por el
movimiento rotativo de cada una de las filas de rodillos, que se controlan de
forman individual, lo que permite regular la altura de residuos sobre la misma.
La entrada de aire se produce desde el interior de cada rodillo hasta los
residuos, a través de agujeros realizados en los mismos; este caudal de aire
puede también ser regulado para cada fila de rodillos de forma individual, de
forma que se obtenga una adecuada distribución de aire en la parrilla.
En la figura se muestra una parrilla de rodillos; este tipo de parrillas tiene una
capacidad superior a las parrillas de barras, aunque la calidad de inquemados
suele ser menor.
En todo caso, los resultados de la utilización de cada una de as parrillas
depende mucho del funcionamiento de la planta y no existen unos factores
completamente determinantes respecto a la utilización preferencial de cada tipo
de parrilla.
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Zonas de la parrilla
La parrilla puede dividirse en distintas zonas, en relación con los puntos de
entrada de residuos y de aire, y de los fenómenos que tienen lugar sobre ella:
−
Zona de secado (1 ), en la que se produce una absorción de calor por los
residuos para evaporar el agua contenida en los residuos alimentados; en
esta zona la temperatura es inferior a 100ºC.
−
Zonas de precalentamiento e ignición (2/3); en ellas se produce el
calentamiento de los residuos hasta la temperatura de ignición de los
mismos, absorbiendo calor por radiación del resto del horno; la
temperatura de los residuos asciende hasta unos 400 – 500 ºC.
−
Zona de ignición y combustión (3/4 ) en las que se produce la ignición del
combustible y se queman los volátiles procedentes de la desgasificación
de los residuos y de la combustión de los componentes ligeros; la
combustión se produce en la superficie de los residuos; en esta zona de
fuerte liberación de calor.
−
Zona de postcombustión y apagado, (5/6) en las que se produce la
combustión de los componentes menos volátiles del residuos, (carbono
fijo); la entrada de aire a través de la parrilla permitirá el enfriamiento de
las escorias, antes de su descarga.
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GUZINA S.L.
Distribución de aire de combustión en los hornos de parrillas
El aire de combustión se aporta en dos corrientes diferenciadas:
−
aire primario, que pasa a través de la parrilla; el objetivo fundamental es
aportar el oxígeno necesario para la combustión pero, además, tiene una
función de refrigeración de los elementos de la parrilla; normalmente se
precalienta antes de la entrada en el horno hasta temperaturas de unos
150 ºC, lo que mejora las condiciones de combustión.
−
aire secundario, que se inyecta en diferentes puntos del horno; el objetivo
es conseguir la combustión completa de los residuos, especialmente de
aquellos que no han podido quemarse directamente sobre la parrilla; el
aire secundario se introduce de forma que cree una gran turbulencia, para
homogeneizar la atmósfera, tanto en composición como en temperatura,
evitando puntos calientes.
La relación entre caudal de aire primario y caudal de aire secundario depende
de cada disposición constructiva y de los tipos de residuos.
Un aspecto muy importante es la adecuada regulación del aire en cada punto
de la parrilla; prácticamente todas las tecnologías disponen de mecanismos
adecuados para la regulación y distribución del aire sobre la parrilla y en los
distintos puntos del horno.
En los modernos diseños de los hornos de incineración se utiliza también aire
terciario, formado principalmente por una recirculación del gas quemado a la
salida de la caldera; este gas, relativamente frío, tiene un contenido apreciable
de oxígeno procedente del exceso de aire introducido; la recirculación permite
reutilizar parte del oxigeno y evitar la formación de óxidos de nitrógeno en los
puntos calientes del horno, ya que además de un efecto de reducción de la
concentración de oxígeno libre permite una mejor regulación y refrigeración del
horno.
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GUZINA S.L.
Diseño de hornos en cocorriente, contracorriente y de corriente central
Dependiendo de que la posición de la salida de los gases de combustión del
horno esté junto a la caída de escorias, a la entrada de RSU o en la zona
central del horno, se puede hablar de hornos cocorriente, equicorriente y de
corriente central.
Hornos contracorriente
En este tipo de horno, los gases de combustión se mueven en dirección
contraria al avance de los residuos, favoreciendo el secado e ignición de los
mismos, lo que produce un intenso intercambio de calor en la primera fase de
la parrilla; al mismo tiempo este tipo de flujo refrigera también las escorias
antes de su descarga.
En este diseño los productos originados por la desgasificación de los residuos
pueden salir rápidamente del horno; para evitar que estos productos lleguen sin
quemar a la zona de radiación, debe añadirse aire secundario; una combustión
muy concentrada en el principio de la parrilla puede dar lugar a una mayor
formación de NOx, debido a la alta temperatura originada.
Este tipo de diseño ha sido desplazado por las mayores exigencias en la emisión
de óxidos de nitrógeno.
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GUZINA S.L.
Hornos en cocorriente
Los gases de combustión circulan paralelamente al sentido de avance de los
residuos, con lo que el tiempo de que disponen para la combustión completa de
los volátiles y productos de desgasificación se alarga considerablemente.
Como consecuencia del flujo de aire, se produce un enfriamiento en los gases a
la salida del horno, por el aire entrado en la zona de enfriamiento; este diseño
permite garantizar que los todos gases de combustión recorren completamente
el horno y se mantienen en alta temperatura, pero a su vez pueden producir
arrastres de inquemados hacia las escorias.
Hornos de corriente central
Comparado con el horno contracorriente, este tipo de horno ofrece un recorrido
más largo a los gases para su completa combustión aunque inferior a diseño en
cocorriente.
Este horno requiere una bóveda elevada en la zona de entrada, así como una
buena turbulencia para asegurar la mezcla del aire secundario.
No parece haber ventajas claras de una disposición sobre otra, porque las
características de la cámara de combustión del horno no solo dependen de la
posición relativa de la parrilla respecto a la salida de gases; la geometría y
recorrido de gases en el horno y los puntos de inyección de aire secundario
determinan las características de las emisiones de gases derivados de la
combustión; en todo caso, cada suministrador pondera las ventajas de su
diseño; sin embargo, una cierta tendencia a favorecer las disposiciones
cocorriente o de corriente central.
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GUZINA S.L.
Hornos de lecho fluido
En este tipo de horno las parrillas tienen como única finalidad la distribución de
aire, pero no sostienen al residuo, que se mantiene sobre el lecho.
Aunque e lecho fluido puede establecerse directamente con determinado tipo
de residuos, en el caso de los RSU o RDF el lecho está constituido por arena o
un material granular de alta resistencia, para asegurar una buena distribución
de aire.
Las ventajas de los lechos fluidos en la incineración de residuos son varias, pero
están relacionadas con la excelente capacidad de intercambio de calor y de
materia, lo que favorece todas las reacciones de combustión; en estas
condiciones puede alcanzarse una gran homogeneidad entre todos los puntos
del lecho.
Dependiendo de la velocidad de fluidificación, el lecho fluido puede ser:
−
lecho estacionario o burbujeante, cuando la superficie del lecho está
suficientemente definida, con una altura razonablemente constante; las
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GUZINA S.L.
diferentes partículas de arena de fluidificación están expandidas y se
comportan independientemente pero permanecen en el lecho; la pérdida
de carga en el lecho es constante a pesar de que aumente la velocidad de
paso de aire.
−
lecho circulante, cuando la velocidad es lo bastante elevada como para
sacar parte de los materiales del lecho, provocando el transporte de los
mismos al exterior; la pérdida de carga a través del lecho disminuye; en
este caso estos materiales deben ser reintegrados al lecho, mediante el uso
de ciclones; tienen mayor flexibilidad respecto a las características de los
residuos que pueden ser tratados, aunque tienen un consumo energético
más elevado que los de lecho estacionario.
−
en el caso de hornos destinados a incineración de RSU se ha desarrollado
un tipo híbrido de hornos de lecho fluido: los burbujeantes con
recirculación interna: mediante una adecuada geometría de la cámara de
fluidificación puede conseguirse una recirculación interna de materiales,
impulsada por el aire primario, aunque la superficie libre del lecho
permanece estacionaria.
Este tipo de hornos tienen las siguientes ventajas respecto a los hornos de
parrillas:
−
permite quemar un amplio rango de combustibles, debido a su buena tasa
de transferencia de materia y energía.
−
permite quemar combustibles con mayor poder calorífico que la parrilla, ya
que no existe el problema de refrigeración de ésta.
−
mediante adición de caliza al lecho, se produce una reducción de las
emisiones de S02, y en menor medida de HCl y HF simplificando el
proceso de depuración de gases, pero sin llegar a excluirla.
−
el control de temperatura es más fácil y esta es mucho más homogénea
que en los hornos de parrillas; esto hace que las emisiones de NOx sean
menores y puedan ser reducidas de forma más fácil.
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GUZINA S.L.
En contrapartida, existen desventajas relativas:
−
dependiendo de las características del combustible, puede haber arrastres
fuera del lecho debido a la mayor velocidad del aire primario.
−
los residuos tienen que tener una granulometría razonablemente
homogénea para garantizar la estabilidad del lecho.
La alimentación de aire de combustión de subdivide en:
−
aire primario, que es el que mantiene la fluidificación del lecho y que se
inyecta en la parte inferior del lecho, a través de toberas distribuidas
uniformemente en la parrilla.
−
aire secundario destinado a asegurar la combustión; se inyecta en la parte
superior del lecho.
La alimentación de residuos suele realizarse mediante tornillos sin fin, que
introduce los residuos dentro de la masa del lecho expandido.
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GUZINA S.L.
DEPURACION DE GASES EN LOS PROCESOS DE INCINERACION DE
RESIDUOS
Límites de emisiones establecidos por el RD la nueva Directiva
El RD 653/2003 establece los límites de emisión de contaminantes, tanto a la
atmósfera como a las aguas residuales procedentes de la depuración de los
gases de combustión.
Los límites de emisión que se indican a continuación.
Contaminantes
Unidades
Limites medio
diario
Limite medio
semihorario
Partículas
mg/Nm3
10
30
Carbono orgánico total
mg/Nm3
10
20
HCl
mg/Nm3
10
60
HF
mg/Nm3
1
4
SO2
mg/Nm3
50
200
CO
mg/Nm3
50
150
NOx, (como NO2)
mg/Nm3
200
400
Cd + Tl
mg/Nm3
0.05
0.1
Hg
mg/Nm3
0.05
0.1
Sb + As + Pb + Cr + Co +
mg/Nm3
0.5
1
ngTE/Nm3
0.1
0.1
Cu +Mn + Ni + V
Dioxinas y furanos
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GUZINA S.L.
También incluye algunas especificaciones técnicas de funcionamiento, como las
temperaturas mínimas de la cámara de postcombustión y el contenido de
inquemados en las escorias, como indicadores indirectos del funcionamiento de
la planta.
Debe señalarse que, a diferencia de normativas anteriores, no existen
diferencias en los límites de emisión de las plantas de residuos urbanos o no
peligrosos y de los residuos peligrosos.
Un aspecto importante de la nueva regulación de incineración es que debe
aplicarse también a otros tratamientos térmicos, como la pirólisis, la gasificación
y el plasma, aunque conceptualmente pueden ser muy diferentes de la
incineración.
También debe resaltarse la inclusión en la normativa de las especificaciones de
los efluentes líquidos procedentes de los sistemas de depuración de gases; a
diferencia de otras instalaciones distintas de la incineración, se establecen
restricciones específicas en el contenido de algunos contaminantes antes de
mezclarlos con otros posible efluentes de la instalación.
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GUZINA S.L.
Contaminantes importantes en las plantas de incineración
Partículas sólidas
Las partículas sólidas proceden del arrastre de sólidos de la combustión por la
propia corriente de gases.
En la propia caldera ya se produce una importante deposición de los sólidos
totales arrastrados, que se separan por la parte inferior del paso de convección
y en los cambios de dirección, recogiéndose en tolvas, provistas de compuertas
alveolares o clapetas oscilantes que aseguran la estanqueidad de la caldera y,
al mismo tiempo, van extrayendo las cenizas depositadas.
La eliminación de estas partículas se lleva a cabo mediante ciclones,
electrofiltros o filtros de mangas, en diferentes etapas del sistema de
depuración, como se indica más adelante.
Monóxido de carbono (CO)
El monóxido de carbono se forma como resultado de una combustión
incompleta de partes de los residuos, que no llega a oxidarse completamente a
CO2.
El método de control consiste en mejorar la combustión, de forma que se
consiga la combustión completa de todos los residuos; para esto se aporta aire
en exceso al horno, pero hay que tener en cuenta que un gran exceso de aire
(especialmente del aire primario) tiende a aumentar la formación de óxidos de
nitrógeno, por lo que habrá que buscar una solución de compromiso entre
ambas necesidades.
Es muy importante asegurar una buena distribución de aire primario y de aire
secundario, garantizando que a todas las partes de los residuos les llega
suficiente aire como para evitar la formación de CO.
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GUZINA S.L.
Un elevado contenido en CO indica que la combustión es incompleta y es un
indicador de que la concentración de otros contaminantes, especialmente de
compuestos orgánicos, puede ser elevada también.
Este contaminante no se elimina en los sistemas de depuración, por lo que
debe ser evitado en el proceso de combustión.
Carbono orgánico total (COT)
Corresponde a los compuestos orgánicos de carbono que no llegan a
descomponerse totalmente como consecuencia de una combustión completa;
es un indicio de defecto de aire, que tiene unos límites mínimos establecidos
por la Directiva, o de mala distribución de aire, especialmente de aire
secundario.
Mención especial reciben algunos compuestos orgánicos especialmente tóxicos,
como las dioxinas y furanos, que tienen limitaciones muy específicas en la
Directiva.
La eliminación de estos contaminantes se realiza por adsorción con carbón
activo o por un proceso catalítico.
HCl y HF
Estos contaminantes se forman a partir de los compuestos que contienen cloro
y flúor presentes en los residuos y son el resultado de la combustión de los
mismos.
Por sus cantidades, el HCI es más problemático que el HF; el cloro de los
residuos se aporta fundamentalmente con los plásticos presentes en los
residuos; cuando la limitación de cloro orgánico presente en los residuos es
superior al 1% la temperatura debe ser superior a 1100 ºC.
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GUZINA S.L.
Estos ácidos se hacen reaccionar con compuestos alcalinos, formando cloruros
y fluoruros que se separan de las corrientes de gases en los procesos de
filtración, con el resto de las partículas sólidas.
Óxidos de azufre SO2
Los óxidos de azufre se forman por oxidación del azufre y sus compuestos
contenidos en los residuos o en el combustible auxiliar, cuando se trata de fuel
oil.
Los RSU contienen cantidades relativamente modestas de azufre, por lo que la
formación de estos óxidos no constituye ningún problema importante.
Dado su carácter ácido, su eliminación se consigue de la misma manera que el
HCl y HF, mediante reacción con un absorbente básico, en el reactor semiseco
o en el lavado húmedo.
Oxidos de nitrógeno (NOxJ
Son contaminantes habituales en los procesos de combustión y su formación
está muy relacionada con la temperatura y con el exceso de aire: altas
temperaturas y excesos de aire muy elevados contribuyen a aumentar la
formación de óxidos de nitrógeno.
Para controlar la emisión de óxidos de nitrógeno existen dos caminos
principales:
−
medidas primarias que tienden a evitar la formación de los mismos
durante la combustión mediante la adecuada regulación del aire primario y
del aire secundario, evitando la formación de puntos calientes dentro del
horno.
En este sentido, la geometría de las cámaras de combustión y los flujos de
gases dentro de las mismas tienen una marcada importancia, ya que la
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GUZINA S.L.
cantidad de aire primario no es susceptible de grandes variaciones, teniendo en
cuenta que junto con la aportación de oxígenos tiene otras funciones, tales
como la refrigeración de la parrilla o la fluidificación del lecho.
−
medidas secundarias que consisten en la destrucción de los mismos,
generalmente por reducción a nitrógeno, en el proceso de depuración de
humos.
Esta reducción puede tener lugar de dos formas diferentes:
− utilizando amoníaco, o una solución de urea, inyectándolos en un
reactor a temperatura elevada; esta reacción es selectiva frente a los
óxidos de nitrógeno,
La temperatura de la reacción es muy importante, entre 950 y 1050
ºC; como la reducción de lleva a cabo una vez que los gases se han
limpiado, justo antes de su emisión a la atmósfera, es necesario
calentarlos de nuevo y enfriarlos posteriormente.
− utilizando amoníaco, u otro reductor, (gas natural), en un proceso
catalizado con óxidos de vanadio
La ventaja de este proceso es que la temperatura de trabajo es
considerablemente menor que en el proceso no catalítico, entre 280 y
400ºC; además, el rendimiento de la reacción de reducción es mucho
mayor, con lo que el consumo de reactivos será considerablemente
menor.
Como en todos los procesos catalíticos en fase sólida, el gas debe
estar exento de venenos para el catalizador, por lo que es necesaria
una perfecta depuración previa, con separación de partículas.
Un inconveniente importante es que introduce una pérdida e carga
considerablemente
superior,
que
se
traduce
en
mayores
requerimientos energéticos.
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GUZINA S.L.
Metales pesados
En la Directiva se definen tres grupos de metales pesados, con diferentes
límites de emisión en función de su toxicidad y de la facilidad para ser emitidos
en forma de vapores, en función de su volatilidad:
−
el mercurio, que estará en forma de vapor a la salida del hornos, ya que
su temperatura de ebullición es del orden de 360 ºC; una parte del
mercurio presente, procedente de baterías, pilas botón y algunos
elementos eléctricos y electrónicos, condensará en los sistemas de
enfriamiento, calderas, o en los sistemas de depuración; sin embargo, la
presión de vapor sigue siendo suficientemente alta y la mayor parte
escapará a la atmósfera.
La forma de retenerlo es mediante sistemas de adsorción, con carbón
activo, junto con las dioxinas y otros compuestos orgánicos; el carbón
activo residual debe ser considerado como residuo peligroso.
−
cadmio y talio, que a la salida el horno están en forma de vapores, pero
que condensan en gran parte en los tubos de las calderas; no obstante, su
presión de vapor sigue siendo elevada por lo que la condensación total se
producirá en los sistemas de depuración, donde la temperatura es
considerablemente más baja, especialmente en los sistemas húmedos.
−
arsénico, antimonio, plomo, cromo, cobalto, cobre, manganeso vanadio y
níquel; salvo el arsénico, que se volatiliza a 600 ºC, el resto de los metales
son poco volátiles pero su marcado carácter tóxico hace que deban ser
controlados.
Como se ha señalado, la mayor parte de los metales pesados se retienen en las
cenizas de la caldera o en los sistemas de depuración de gases, por lo que los
residuos secundarios procedentes de estas secciones de la planta deben ser
considerados como residuos peligrosos.
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GUZINA S.L.
Dioxinas y furanos
Las dioxinas y furanos son especies químicas que pueden formarse en multitud
de procesos, generalmente de combustión, siempre que concurran algunos
factores, como la presencia de determinados precursores, como los derivados
orgánicos clorados; algunos de estos procesos son naturales, habiéndose
encontrado fuentes de dioxinas muy anteriores al desarrollo industrial.
Los procesos de incineración no son las fuentes más importantes de dioxinas;
antes bien, la incineración de residuos es un sumidero importante de
eliminación de estos compuestos, ampliamente difundidas en la vida ordinaria,
aunque en concentraciones suficientemente bajas.
Existen numerosas teorías sobre la formación de dioxinas en los procesos de
incineración, que establecen las condiciones en las que estos compuestos
pueden formarse a partir de los precursores citados; parece que el rango de
temperaturas entre 600 y 250 ºC es el mas propicio para esta formación, que
podría ser catalizada por la gran superficie específica de las cenizas separadas
en las calderas.
En todo caso, frente a los mecanismos de formación deben considerarse los de
destrucción de estos compuestos, fundamentalmente en el horno a alta
temperatura y con exceso de oxigeno; este mecanismo de destrucción es
considerablemente más importante de forma que la cantidad de dioxinas
alimentadas al horno, presentes en los residuos, es considerablemente mayor
que la cantidad de dioxinas presentes en los productos de reacción, (suma de
las cantidades presentes en los gases y en las cenizas); estos balances
muestran una destrucción de estos compuestos del orden del 80% de las
dioxinas presentes en los residuos.
La emisión de dioxinas y furanos no destruidos, o formados en los procesos de
enfriamiento, puede controlarse por adsorción en carbón activo; esta adsorción
suele verificarse en los procesos de depuración de gases, añadiendo carbón
activo a los reactivos para retención de gases ácidos; el carbón es separado en
los sistemas de filtración, especialmente en los filtros de mangas.
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GUZINA S.L.
Equipos empleados en la eliminación de partículas de los gases de
combustión
Para llevar a cabo las distintas operaciones de separación de los contaminantes
anteriores se emplean equipos completamente tradicionales y que no se han
desarrollado específicamente para las plantas de incineración.
Ciclones
En una primera etapa, a la salida de la caldera puede disponerse un ciclón, que
produce una primera separación de las partículas más gruesas; solo tienen
aplicación justificada en caso de una depuración por vía húmeda.
Es un método relativamente poco efectivo, cuyo rendimiento de separación no
llega más allá del 80 -85 % y es muy deficiente en partículas finas, pero son
sistemas económicos y que introducen pérdidas e carga muy limitadas; su uso
también es conveniente si el arrastre de partículas desde el horno es muy
elevado.
Precipitadores electrostáticos
Los precipitadores electrostáticos consisten en un sistema de placas verticales,
entre las que circulan los gases de combustión, y unos electrodos dispuestos a
la entrada de las mismas.
Entre placas y electrodos se establece una diferencia de potencial del orden de
decenas de kV; cuando las partículas sólidas entran en el campo eléctrico
formado por placas y electrodos, se cargan eléctricamente y son atraídas y
depositadas sobre las placas; éstas son golpeadas periódicamente, cayendo las
partículas depositadas sobre ellas hacia una tolva inferior cerrada mediante
sistemas de compuerta alveolar, que las extrae hacia el sistema de cenizas.
Los precipitadores electrostáticos permiten alcanzar valores muy bajos de
emisión de partículas sólidas, compatibles con los valores exigidos por la nueva
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GUZINA S.L.
normativa; presentan una pérdida de carga muy reducida, lo que reduce el
consumo del ventilador de tiro.
La eficiencia de la separación puede venir condicionada por la conductividad de
las partículas.
Filtros de mangas
Consisten en un sistema de mangas filtrantes, de un material textil que resista
la temperatura y los agentes químicos que pueda haber en los gases y
partículas depositadas; los gases son forzados a atravesar las mangas filtrantes,
donde quedan retenidas las partículas sólidas.
Periódicamente se produce un soplado inverso de las mangas, cayendo las
partículas depositadas hasta una tolva inferior, desde donde son extraídas al
silo de cenizas.
Los filtros de mangas permiten alcanzar sin problemas los niveles de emisión de
partículas requeridos por la normativa; aunque producen una pérdida de carga
comparativamente mayor que los precipitadores electrostáticos, presentan la
notable ventaja de permitir la formación de una capa de absorbentes no
reaccionados que mejora muy sensiblemente los resultados de la depuración de
los componentes ácidos y de dioxinas y furanos.
Siempre se colocan al final de la cadena de depuración de gases, justo antes
del ventilador de tiro.
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GUZINA S.L.
Sistemas de depuración de gases ácidos
Inyección seca
Consiste en realizar una inyección seca de un reactivo alcalino (en forma
pulverulenta) al conducto de gases, de forma que se produzca una reacción de
neutralización de los componentes ácidos; el producto de reacción es seco, y se
recoge en el sistema de eliminación de partículas, que en este caso debe ser un
filtro de mangas.
Debido a que la mecánica de la reacción es poco efectiva respecto a sistemas
con más humedad, es necesario:
-
utilizar absorbentes que reaccionen muy activamente con el HCl y HF
-
utilizar un gran exceso de reactivo, varias veces por encima de la
proporción estequiométrica que corresponde por los moles de HCI y HF
presentes en el gas; como consecuencia de ello, queda una gran cantidad
de reactivo no aprovechado en las cenizas volantes
Los niveles de emisión que se pueden alcanzar con este procedimiento quedan
en el límite de lo previsto por la Directiva, para los contenidos de cloro y flúor
habituales en los RSU
Es un proceso muy económico de inversión (se reduce prácticamente aun silo,
un sistema de transporte neumático y unas toberas de inyección), aunque
bastante caro de operación, dado el coste comparativamente más elevado del
bicarbonato sódico frente al hidróxido cálcico y a la gran proporción de reactivo
que no se aprovecha.
Reactor semiseco
El principio de funcionamiento de un reactor semiseco consiste en enfriar los
gases de combustión hasta valores cercanos, pero siempre superiores, a la
temperatura de saturación del vapor de agua, de forma que aumente la
- 39 -
GUZINA S.L.
efectividad de la reacción gas / sólido pero los productos de reacción se
obtengan completamente secos.
La temperatura del reactor se sitúa habitualmente en el entorno de los 140 ºC;
de esta forma el aprovechamiento del reactivo es notablemente mejor que en el
caso de inyección seca.
En la práctica, ello se consigue en un reactor, al cual se inyecta una lechada de
cal finamente pulverizada.
El tiempo de residencia de los gases en el reactor ( 10 a 15 segundos) es tal
que se produce la evaporación completa de la fracción acuosa, así como la
reacción del hidróxido cálcico con el HCl y HF de los gases; por la parte inferior
del reactor se separa una importante fracción de los sólidos, arrastrándose el
resto hacia el sistema de separación de partículas sólidas.
Al igual que en el caso anterior, en este sistema es conveniente que sea un
filtro de mangas, para aprovechar su capacidad de post-reacción con el reactivo
disponible.
La pulverización de la lechada cálcica puede hacerse mediante toberas o
mediante un atomizador rotativo que gira a elevada velocidad. La entrada de
los gases al reactor suele hacerse imprimiéndole un movimiento rotativo que
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GUZINA S.L.
produzca un efecto vórtice, a fin de facilitar el mezclado entre gases y lechada
pulverizada.
Dado que hay una gran cantidad de sólidos en circulación dentro del reactor,
este sistema no presenta requerimientos especiales de contenido de partículas
en los gases de entrada, pudiendo pasar directamente los gases de caldera o,
preferiblemente, instalando un ciclón previo al reactor, pero sin necesidad de
reducir más el contenido de partículas.
Una ventaja derivada de este tipo de reactor es que no se producen aguas
residuales, ya que toda el agua se evapora con los gases.
Reactor húmedo
En un sistema húmedo se produce el lavado de gases por debajo de la
temperatura
de
saturación
de
los
gases;
con
ello
se
consigue
un
aprovechamiento óptimo del absorbente y un nivel muy bajo de emisión,
aunque como inconvenientes se tiene una instalación más compleja y
produciendo aguas residuales que es preciso depurar.
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GUZINA S.L.
Un sistema húmedo es un lavador de gases típico; aunque hay una gran
diversidad de variantes, aunque todas constan básicamente de:
-
un sistema de rociado con lechada de absorbente, que enfría los gases
hasta la temperatura de saturación e introduce el reactivo necesario para
capturar el HCI, HF y S02
-
un cuerpo de reactor donde se produce la reacción
-
un sumidero para recoger la lechada inyectada y los productos de
reacción -un sistema de separación de las gotas de agua arrastradas por
los gases
Además, los gases a la salida del reactor están saturados de humedad, por lo
que es preciso recalentarlos para evitar la formación de condensaciones y
penachos visibles en chimenea. Este recalentamiento puede hacerse con una
fuente externa de calor o bien aprovechando el calor de los gases entrantes al
lavador.
Los gases que entran al reactor deben estar bastante limpios de partículas, para
evitar que éstas se separen por efecto de lavado, produciendo problemas de
aumento de concentración de sólidos en el agua separada y consumo de
absorbente. Para ello es necesario disponer un sistema de separación de
partículas ante el lavador, generalmente un precipitador electrostático.
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GUZINA S.L.
Configuración para cumplir la normativa de emisiones
Sin embargo, para cumplir con márgenes razonables los límites impuestos por
la Directiva y por el RD 653/2003 suele ser suficiente una instalación más
simplificada, como se indica en la figura:
El sistema consiste en un reactor de absorción 2 ("spray dryer"), una inyección
de carbón activo C y un filtro de mangas 3.
En el reactor se absorción se reduce el nivel de HCI, HF y S02 de los gases
hasta los valores requeridos; para ello se inyecta el absorbente B
(generalmente
lechada
de
cal),
pulverizándolo
hasta
que
se
seque
completamente; por la parte inferior del reactor se obtienen cenizas volantes
completamente secas, y los gases se extraen por la parte superior de la tolva.
Las dioxinas se destruyen, en su gran mayoría, por las condiciones de
combustión y la permanencia a más de 850 ºC durante más de 2 segundos y
con más del 6% 02.
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GUZINA S.L.
No obstante, la inyección de carbón activo C tiene por objetivo capturar las
dioxinas residuales; esta inyección se realiza en el conducto ante filtro de
mangas o, en ocasiones, en el propio reactor de absorción.
Los gases llegan luego al filtro de mangas 3, donde se separan las partículas
sólidas, que se recogen como ceniza volante A; en la superficie de los
elementos filtrantes se forman unas tortas de ceniza, cal y carbón activo que
mejoran la efectividad de la reacción y aumentan el rendimiento de depuración
del reactor de absorción.
Los gases son impulsados por el ventilador de tiro 4 hacia la chimenea 5.
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