Tema 10: SISTEMAS DE INCINERACIÓN 10.1 Tratamientos térmicos de residuos industriales/peligrosos. Legislación. 10.2 Residuos incinerables, caracterización. 10.3 Tecnología de la incineración. Preparación del residuo. Factores que afectan a la combustión. Tiempos de residencia en incineradoras. Relación tiempo temperatura. Incineración de líquidos. Ejemplos de cálculo. 10.4 Tipos de incineradores. Recuperación de energía. Planta de incineración. 10.5 Problemática medioambiental de la incineración de residuos industriales/peligrosos. Contaminantes químicos. Dioxinas y furanos. Otros gases. Residuos sólidos. Aguas residuales y control de efluentes liquidos.
10.1 Tratamientos térmicos de industriales/peligrosos. industriale s/peligrosos. Legislac Legislación. ión.
residuos
Además Adem ás de lo loss tr trat atam amie ient ntos os fís físic icoo-qu quím ímic icos os,, bi biol ológ ógic icos os y la el elim imina inaci ción ón fin final al de lo loss re resi sidu duos os in ind dus ustr tria iale less, exi exisste ten n pro roce ceso soss de deg degra rad dac ació ión n de re resi sid duo uoss qu que e conte co ntempl mplan an dos ámb ámbito itoss gen genera erales les:: Dest De stru rucc cció ión n o con conve vers rsió ión n de los re resi sidu duos os en su subp bpro rodu duct ctos os in inoc ocuo uos. s. Detoxificación, entendida como eliminación o destrucción de los comp co mpue uest stos os tó tóxi xico coss pr pres esen entes tes en el resi residu duo. o. Dentro del pr Dentro primer imer gru grupo, po, la dest destruc rucció ción n o degra degradac dación ión de los los res residu iduos, os, pue puede de a su vez distinguirse entre procesos no ox oxid ida ativos como los microbiológ ógiicos, la decl de clor orac ación ión re redu duct ctiv iva a y las las mi micr croo oond ndas as,, y pro proce ceso soss ox oxida idativ tivos os co como mo:: - Ox Oxid idac ació ión n ca cata talílítitica ca en hú húme medo do - Oz Ozon oniz izac ación ión - De Desc scom ompo posi sici ción ón fo foto toqu quím ímic ica a - Ox Oxid idac ació ión n qu quím ímic ica a - Ox Oxid idac ació ión n el elec ectr troq oquí uími mica ca - INCINERACIÓN
10.1 Tratamientos térmicos de industriales/peligrosos. industriale s/peligrosos. Legislac Legislación. ión.
residuos
Además Adem ás de lo loss tr trat atam amie ient ntos os fís físic icoo-qu quím ímic icos os,, bi biol ológ ógic icos os y la el elim imina inaci ción ón fin final al de lo loss re resi sidu duos os in ind dus ustr tria iale less, exi exisste ten n pro roce ceso soss de deg degra rad dac ació ión n de re resi sid duo uoss qu que e conte co ntempl mplan an dos ámb ámbito itoss gen genera erales les:: Dest De stru rucc cció ión n o con conve vers rsió ión n de los re resi sidu duos os en su subp bpro rodu duct ctos os in inoc ocuo uos. s. Detoxificación, entendida como eliminación o destrucción de los comp co mpue uest stos os tó tóxi xico coss pr pres esen entes tes en el resi residu duo. o. Dentro del pr Dentro primer imer gru grupo, po, la dest destruc rucció ción n o degra degradac dación ión de los los res residu iduos, os, pue puede de a su vez distinguirse entre procesos no ox oxid ida ativos como los microbiológ ógiicos, la decl de clor orac ación ión re redu duct ctiv iva a y las las mi micr croo oond ndas as,, y pro proce ceso soss ox oxida idativ tivos os co como mo:: - Ox Oxid idac ació ión n ca cata talílítitica ca en hú húme medo do - Oz Ozon oniz izac ación ión - De Desc scom ompo posi sici ción ón fo foto toqu quím ímic ica a - Ox Oxid idac ació ión n qu quím ímic ica a - Ox Oxid idac ació ión n el elec ectr troq oquí uími mica ca - INCINERACIÓN
Austria Belgium Denmark Finland France Germany Italy Netherland Norway Portugal Spain Sweden Switzerland UK
Electricity Heat
0
2
4
6
8
10
12 12
TWh
Sourc e: 4th 4t h Biennial Biennial Surv Survey ey,, Juniper Juniper
El proceso más importante de estos últimos, es sin duda, la destrucción térmica de los residuos, que implica la utilización de altas temperaturas para neutralizar o destruir los residuos peligrosos. Y como proceso más importante de destrucción térmica, tenemos el proceso de INCINERACIÓN O COMBUSTIÓN EN ATMÓSFERA OXIDANTE. Cabría también mencionar: • Pirólisis (calentamiento en ausencia de aire) • Gasificación (tratamiento del residuo en una atmósfera pobre en O2) • Oxidación húmeda
Incineration
‘complete combustion’
Gasification
‘incomplete combustion’
Pyrolysis
‘thermal degradation’ by indirect heating
Oxygen
Temperature
Stack gas volume, Nm3/te
7-14%
900-1600 oC
5,0005,500
0-5%
400-600 oC
3,0004,000
Sources: Porteous, A., 2001. Energy from waste incineration – a state of the art emissions review with an emphasis on public acceptability. Applied Energy 70: 157-167; Weber, R., Sakurai, T., 2001. Formation characteristics of PCDD and PCDF during pyrolysis processes. Chemosphere 45: 1111-1117
WASTE WASTE CONSTITUENTS CONSTITUENTS
END END PRODUCTS PRODUCTS
C
CO2
H
H2O
O
INCINERATION INCINERATION
O2
Cl
HCl
N
N2
S
SOX
P
P2O5
Legislación: Directivas 89/369/CEE 89/429/CEE (instalaciones existentes y nuevas de incineración de residuos municipales) 94/67/CE (incineración de residuos peligrosos) REAL REA L DECRETO 653/2003, 653/2003, de 30 de mayo (incineración (incineración de residuos). residuos). •
Con obj objet eto o de de ga gara ran nti tizzar la la re realiz iza ación tot tota al de de la la co combustión de de lo los re residuos: • Gases (< 1% Cl2): 850 °C durante al menos 2 segundos. • El calor generado durante el proceso de incineración deberá recuperarse en la medida de lo posible. • Los valores límite de las emisiones atmosféricas se refieren a: • metales pesados • dioxinas y furanos • monóxido de carbono (CO) • cenizas • carbono orgánico total (COT) • cloruro de hidrógeno (HCI) • fluoruro de hidrógeno (HF) • dióxido de azufre (SO2) • monóxido de nitrógeno (NO) • dióxido de nitrógeno (NO2). • Todas la las ag agua uass ut utiilizadas y vert rtiidas, re res sult lta antes de la de dep puración de de lo los gases de escape, deben ser objeto de autorización.
Objetivos del tratamiento térmico •
• • •
Reducción del vo volumen y/o des esttrucción del re residuo. De Depend ndie ien ndo de la comp co mpos osic ició ión, n, la Inci Incine nera raci ción ón log logra ra re redu ducc ccio ione ness de dell volum volumen en de dell orden orden de dell 90% y del del peso peso del del orden orden del 70%. 70%. lo cual supone Ventajas ambientales Ventajas económicas: Menor demanda de espacio para su disposición final Reducción de los costes de transporte para su adecuación Estabilización del residuo. • Las cen eniz izas as re ressul ulta tant nte es del in inci cin nera rado dorr son con onsi side dera rabl blem emen ente te má máss inerte ine rtess que el mat materi erial al de ent entrad rada a Recuperació ión n de en energía de lo los resid idu uos. Ta También den eno ominada "val alo orización energétic ener gética" a" de los los resi residuos duos Desin De sinfec fecció ción n de los res residu iduos. os. Fun Fundam dament entalm alment ente e de res residuo iduoss orgán orgánico icoss en los que se consigue la destrucción de patógenos previa a la eliminación e liminación final.
Ventajas de la incineración
• Posibilidad de tratar una amplia gama de residuos final, en cuanto que consigue la destrucción • Posee carácter de solución final, de los contaminantes. No obstante, dicha destrucción no conduce a la ausencia total de residuos, pero esto constituye una característica general de cualquier sistema de tratamiento. • Supone una importante disminución del volumen y peso final de residuos respecto a las cantidades procesadas y en la eliminación o reducción sustancial de la toxicidad y/o peligrosidad de los mismos, como resultado de la destrucción efectiva, vía combustión, de los componentes orgánicos responsables de dicha peligrosidad.
• Flexibilidad operativa ya que con un mismo reactor pueden darse distintas temperaturas, turbulencias, tiempos, etc. según el tipo residuo. Capacidad de instalación i nstalación variable
relativamente amente alta de materia orgánica • Para residuos con una proporción relativ
constituye, en principio, una opción interesante, por su carácter destructivo y la posibilidad de aprovechamiento energético energético,, que permite considerarla como una vía de valorización.
• Posibilidad de incineración in-situ sin transporte a áreas distantes • Posibilidad de control de las descargas de aire para minimizar el impacto ambientas
• Fácil finalización que no supone riesgos para el generador u operador.
Inconvenientes de la incineración: • Las altas temperaturas imponen el empleo de materiales adecuados que encarecen el coste de las instalaciones y cuyo mantenimiento resulta también relativamente caro • Cuando el residuo no tiene suficiente poder calorífico o presenta un alto contenido de agua se requiere el consumo de combustible adicional. • Los materiales con gran cantidad de agua no son incinerables • Algunos componentes orgánicos tienden a dar productos de combustión incompleta (tóxicos y problemas de eliminación) • Alto coste • Operadores cualificados • La incineración de RTP exige una consideración especial a los gases resultantes del proceso de combustión. Problemas de contaminación atmosférica que da lugar a elevadas inversiones en la depuración de gases. • La limpieza de los mismos requiere la inclusión de los correspondientes dispositivos técnicos que representan una fracción importante de la inversión necesaria. • La operación de los mismos se derivan una serie de residuos, en forma de polvos, lodos y aguas contaminadas, a los que han de añadirse las cenizas fijas del horno de combustión. • Sobre todos estos residuos secundarios han de practicarse los controles analíticos necesarios para determinar si se trata o no de RTP y establecer la vía de gestión más adecuada. • Dada la diversidad de situaciones posibles, el coste de la incineración puede variar entre márgenes muy amplios , aunque, en general, resulta una operación cara en términos comparativos. Sin embargo, en no pocos casos puede resultar la opción más indicada e incluso la única capaz de cubrir con garantías el tratamiento residuos de alta peligrosidad. • Necesidad de adecuar el tamaño del residuo al incinerador.
10.2 Residuos incinerables, caracterización. En general se aplica a residuos que poseen un poder calorífico medio y alto, o sea tengan una matriz fundamentalmente orgánica y no más del 60-70% de agua, para que resulte ser un proceso económicamente viable. Es decir para residuos que se encuentren aproximadamente dentro de los siguientes límites: Contenido de compuestos Inorgánicos: < 15 % (cenizas) Contenido de agua: < 65 % Contenido de compuestos orgánicos > 30 % (Poder calorífico) Algunos tipos de residuos industriales incinerables son Disolventes Prod orgánicos de la síntesis: Barnices Química Resinas Látex Ceras Hidrocarburos Parafinas Breas Grasas Aceites Pinturas Insecticidas Aguas madres inds. Tierras de filtrac Adsorbentes Sedimentos impreg. Embalajes PCB
El primer paso antes de decidir la Incineración de un Residuo es conocer sus características: -Generales -Fuente del residuo -Tipo de recipiente -Precauciones de manejo -Naturaleza del riesgo -Calidad del residuo: qué sea homogéneo o heterogéno. -Cambio de composición con el tiempo -Características de los recipientes -Físicas -Estado físico -Fracciones en peso -Características de la alimentación -Calor específico -Necesidad de O2 -Temperatura de la llama -Contenido de humedad -Contenido en volátiles -Productos de la combustión -Contenido y características de las cenizas -Condiciones tiempo-temperatura de descomposición de Residuos complejos -Químicas - Análisis inmediato y elemental - Sustancias tóxicas: C, H, O, S, N, Cl, Br, Y - Metales pesados: Hg, Pb, Cd, Cu, Ni, Cr, As, Se, Be, asbestos - Compuestos especiales: benceno, PCB's, dioxinas, furanos.
El conjunto de las cuatro determinaciones (humedad, cenizas, volátiles y carbono fijo) se conoce como análisis inmediato y se realiza de acuerdo con procedimientos normalizados. 1. En relación con la materia inorgánica que, en términos de análisis inmediato se identifica con el contenido en cenizas, resulta importante profundizar en algunos aspectos de su constitución y características. 2. Debe analizarse el contenido en metales pesados, ya que éstos pueden quedar en las cenizas fijas del proceso, con el consiguiente riesgo de toxicidad de las mismas, o pasar a la fase gas, en el caso de metales volátiles o que forman compuestos que lo son, como As, Cd, Pb o Hg, de la cual habrán de ser eliminados para cumplir los limites de emisión correspondientes. 3. Entre las características de las cenizas interesa conocer su fusibilidad, que depende no sólo de su constitución, sino también del carácter más o menos oxidante de la atmósfera en la que se lleve a cabo la incineración. La posibilidad de fusión total o parcial de las cenizas ha de contemplarse en la selección del refractario y repercute sobre los costes de mantenimiento de la instalación. Las partículas fundidas de pequeño tamaño son arrastradas por los gases de combustión y su deposición posterior en zonas menos calientes produce ensuciamiento de las paredes en los sistemas de recuperación de calor y problemas de corrosión en general. 4. El poder calorífico del residuo constituye un factor determinante en la economía de la incineración,
STRATEGY TO DECIDE INCINERATION
START
CHECK WASTE COMPOSITION
IS HAZARD DUE TO HEAVY METALS?
N
Y
IS HAZARD DUE TO RADIOACTIVITY ? Y
CHECK ALTERNATE TECHNOLOGY
N
HEAT CONTENT 1500 - 2500 KCal / kg ? Y INCINERATE WITH AUX. FUEL
N
HEAT CONTENT > 2500 KCal / kg ? Y INCINERATE OR USE AS FUEL
N
ANY SPECIFIC TOXIC MAT. ? Y INCINERATE
N
En general se puede decir que al menos es necesario 11,5 J/g para una combustión económica. Para valores más bajos se hace necesario la adición de cantidades importantes de combustible para mantener la temperatura de incineración • Valor calorífico superior : El agua producida en la combustión ha condensado como líquido • Valor calorífico inferior: El agua producida en la combustión permanece en estado gaseoso
Residuo Benceno Metanol Periódicos Polietileno Látex Serrín de madera Grasas animales Desechos linóleos
Kcal/kg (Combustible) 10100 5700 4400 11100 5550 4300-4700 9450 6100
Contenido másico cenizas (%) 0.5 0 1.5 0 0 3 0 20-30
Contenido másico Humedad (%) 0 0 6 0 0 10 0 1
10.3 Tecnología de la incineración. Preparación del residuo. Factores que afectan a la combustión. Necesidades teóricas de oxígeno: De acuerdo con la combustión estequiométrica, las necesidades de oxígeno pueden ser calculadas según la siguiente ecuación
n s,O2 = nc +
nH - nCl 4
+ ns +
no 2
ns,O2 = necesidades teóricas de oxígeno nC,O,H,Cl,S,O = número de kmoles de carbono, oxígeno, etc en los residuos. • Para los RTP, no es posible un cálculo exacto de las necesidades teóricas debido a la heterogeneidad que poseen • Necesidades teóricas de aire: Se puede hacer a partir de las necesidade oxígeno o por la siguiente ecuación NTO (lb aire/lbresiduo) =11.5 C + 34.5 H
O2 10
−
Cl 35.5
−
F 19
+ 4.32S
C, H, O2, Cl, F, S = Porcentajes en peso de cada componente en el residuos de partida
• Exceso de oxígeno (f): En la práctica hay que operar con exceso de oxígeno (y de aire) para aumentar las turbulencias y que el comburente llegue a todos los puntos del reactor Como siempre se opera con exceso de oxígeno, para calcular este se utiliza nO2 − n s,O2 f = nO2 = (1+ f) n s,O2 n s,O2 • Exceso de aire de combustión: Es el porcentaje en exceso respecto al estequiométrico (teniendo en cuenta la oxidación de las cenizas) El aire en exceso afecta a la T y a la composición tanto de los productos de combustión como de los gases de salida Para asegurar que los gases a la salida tengan una temperatura mínima que certifique que se ha realizado una correcta combustión se añade un exceso de aire. (Aire actual en proceso - Aire teórico de proceso) 100 Aire teórico de proceso
%Exceso de aire =
Según las ecuaciones para el oxígeno, como la composición del aire se puede tomar que es 21% moles de O2 y 79% moles N2. naire − n s,aire f = naire = (1+ f) n s,aire n s,aire Coeficiente de exceso de aire= Aire real introd/ Aire teórico Este coeficiente suele oscilar entre 1,5 -2,5
Temperatura y tiempo de residencia La temperatura constituye una variable crítica La máxima temperatura de combustión se obtiene cuando se alcanzan las necesidades estequiométricas de aire. Los niveles operativos dependen de la constitución del residuo, su estado y forma física y las características del sistema de combustión empleado. Una mayor estabilidad térmica de los contaminantes a destruir impone temperaturas de trabajo más altas.
Las temperaturas pueden variar entre 800 y hasta cerca de 1.700 ºC, en algunos casos especiales, situándose los valores típicos en torno a los 900-1.000 ºC
Los líquidos y lodos de baja viscosidad pueden inyectarse directamente en los quemadores o en la zona de llama, lo que permite trabajar con tiempos de residencia normalmente inferiores a 3-4 segundos y que, dependiendo de la constitución del residuo y de la temperatura empleada, pueden situarse incluso muy por debajo.
Turbulencia: 2300< Re < 10000
Eficiencia de eliminación del contaminante: Las incineradoras de residuos peligrosos, deben asegurar una eficiencia el 99,99% respecto al principal residuo orgánico peligroso
EEC
=
W in
− W
out
W in
100
• Win = Flujo de masa del principal contamínate al incinerador a la entrada • Wout = Flujo de masa del principal contamínate en los gases de salida (se supone que la temperatura alcanzada en el incinerador es muy superior a la T ebullición del contaminante y todo ha pasado a gas aunque no haya sido incinerado totalmente).
INCINERATION EFFICIENCY
DESTRUCTION & REMOVAL EFFICIENCY
(DRE)
=
WIN -
WOUT
WIN
X 100
WIN
=
MASS FEED RATE OF POHC TO INCINERATOR
WOUT
=
MASS EMISSION RATE OF POHC IN THE STACK
POHC
=
PRINCIPAL ORGANIC HAZARDOUS CONSTITUENT
Tamaño del ventilador El consumo de energía del ventilador puede calcularse S =
Q W p h
S = Consumo de energía kW Q = Flujo de gases m 3/s Wp = Presión en el ventilador kPa H = eficiencia del ventilador
Condiciones generales de la incineración de RTP (REAL DECRETO 653/2003, de 30 de mayo,sobre incineración de residuos) Las reglamentaciones existentes en algunos países, en materia de incineración de RTP, fijan los niveles de destrucción mínimos que han de alcanzarse para diversos compuestos seleccionados por su peligrosidad. Compuestos como policlorobifenilos (PCB), clorodibenzodioxinas, cloruro de vinilo y una amplia gama de organoclorados, así como hidrocarburos aromáticos polinucleares, reciben, entre una extensa gama, una atención especial. Condiciones de inceración • 850 ºC 2 s 6% O2 en los gases de salida
• 1100 ºC 2 s 6% O2 si los RTP contienen > 1% de halógeno (expresadon en Cl2) • No se sobrepasan (en los gases de salida) • 50 mg/m3 CO (media diaria) • 150 mg/m3 CO (en el 95% de todas las medidas calculadas a partír de los valores medios obtenidos cada 10 min) • Deben instalarse quemadores automáticos si la T gases e menor que la T mínima de inceneración • Las pruebas de incineración deben incluir controles de: • O2, CO, CO2, NOx, HCl • PCBs (compuestos orgánicos clorados en general) • Partículas • Medida y registro de: O2, P, T, caudal y vapor de agua en los gases de escape • No se sobrepasarán los valores límites de emisión de ningún contaminante
Parámetros del Balance de materia en el incinerador Normalmente como flujos de : ENTRADA SALIDA Agua H2O Residuo Combustible CO2 Res. No combustibles Compuestos no combustibles oxidados Aire Exceso de oxígeno Comburente N2 Cl HCl S SO2 Alcalinos Hidróxidos No alcalinos Óxidos N2 N2
Combustion Estequiométrica
If dry air contains 23.15% oxygen by weight, the the amount of air needed for the oxidation of 1 kg of carbon would be equal to 11.52 kg [(32/12)(1/0.2315)]
C27.4H 3.6O 23N 0.5S 0.1Cenizas24 - 21.4% agua
Parámetros del balance de energía en el incinerador Cl F O HHV = 144.55 C + 610 H 35.5 − 19 − 10.5 + 40 S + 25 N HHV = 146.8 C + 568.78 H + 29.4 S - 6.58 (Cenizas) - 51.53 (O + N)
DISEÑO DEL INCINERADOR Suponemos que: Reacción adiabática Reacción de 1er orden Parámetros necesarios Temperatura del horno Necesidad de combustible suplementario Necesidades de aire Flujos de entrada y salida de los componentes Tiempo de residencia Turbulencia/ mezclado en el horno
Diseño de Incineradoras Datos de Entrada
Balance de Materia HHV--> HV Figuras 1, 2 T %exc. aire
t calentam t combust
Vol Reactor V gas>>Vsol
Dimensiones (verificación turbulencia)
Balance Energía
Adición Combust SI Adicionar hasta BE positivo
Adición Combust NO
Cámara de Post combust (Caudal gases salida) T 850ºC t2s
Bal Mat (¿verifica >6% O2?)
SI
NO
Bal Energía
ADICIONAR AIRE
¿Ad Combustible?
SI
NO
Verificar Turbulencia (FIN)
Podemos hacer una aproximación para calcular el tiempo de residencia suponiendo un modelo de flujo pistón: • no existe mezcla longitudinal de los productos • T, composición y velocidad de gases son los mísmos en una sección transversal del horno): 1. Suponemos flujo isotermo 2. Se ha de establecer una relación t-T para el horno para describir el perfil de temperatura y ver si el tiempo de residencia es suficiente para destruir el residuo 3. Para flujo pistón t =
Vhorno(m3 )
( )
3 Qgases m s
4. Empiricamente se ha demostrado que la velocidad del flujo real en el horno es proporcional a la temperatura Q`= (Q T)/ 460 (Se observa que la T se calcula como función del volumen) 5. Volver al punto 1 para ver si el tiempo es suficiente
Si suponemos flujo no isotermo Se toma un dt a través de un elemento de volumen dv dV
dt =
dt = 460
A = sección transversal
dV = A dx
Q`
dx= elemento longitudinal A QT
dx
• Se asume un perfil lineal entre el punto Tmáx y la Tsalida T − Tm T − Tm X− Xm = X − Xm = (Xe − Xm ) Tm − Te Tm − Te Xe − Xm Xe − Xm dX = dT Tm − Te t
∫
dt =
460 A
tm
t − tm =
Q
T
1 Xe - Xm
∫T
Tm
Tm - Te
460 A Xe - Xm
dT
T Tm
ln
Q Tm - Te Suponiendo que Tmáx es cerca de la entrada del horno Xm << Xe y tm → 0 A Xe = V t=
460 V Q (Tm - Te )
T Tm
ln
T entrada = T m Tsalida = T e
Destrucción de compuestos orgánicos. Relación t-T El cambio de concentración de un componente respecto al tiempo es: dC = −k C dt C
∫
C0
ln
dC C
t
= ∫ kt
ln
t 0 =0
(1− N) C0 Co
= −kt
C Co
= −kt
C= (1-N) C0
N= Factor de eficacia % destruido de CO 1 ln(1− N) = −kt ln ln =ln k + ln t 1- N ln k = - ln t - ln (ln (1-N)) E A
−
Obteniendo k a partír de la Ec. De Arrhenius lnk = ln A T=
E A RT
= A e RT
EA = ln A - ln K RT
E A R (ln A - ln k)
Sustituyendo ln k
T=
•
E A
R (ln A - ln t + ln(ln (1-N))) Se deduce que si t ↑ entonces T↓
Incineración de líquidos • El tamaño de gota es uno de los factores fundamentales para evaluar la incineración de residuos • Antes de la destrucción el residuo debe vaporizarse • Velocidad de evaporación es función del tamaño de gota, características físicas, P y T • Por lo que la velocidad de evaporación varía con el área superficial de la gota, aprox:
tv =
D2 − d2 s 106
tv = tiempo de evaporación D= tamaño de partícula medio inicial ( µm) d= tamaño de partícula medio final ( µm) s = cte de velocidad de evaporación (mm2/s) 0.5 0.33 8 kv ( Tg - Te) [1+0.276 (Re) ( Sc) ] s=
L
s = varía entre 0,25 - 1,25 mm 2/s (para agua 0,33) kv = conductividad térmica del vapor a Tg (kg/cm K) Tg= temperatura gas (K) Te = temperatura superficie de la gota (K) L = Calor latente de vaporización del líquido a Te (kcal/kg) Sc = µdimám/ρ DAB ρ = densidad del líquido a T e
10.4 Tipos de incineradores. Recuperación de energía. Planta de incineración.
ESTATICOS
NO - ESTATICOS
• Inyección de Líquidos / Gases
• Horno Rotatorio
• Lecho Fluidizado • Horno de hogar fijo (FIXED HEARTH)
Selección: -Propiedades básicas del residuo peligroso: estado físico, contenido calorífico y composición química. -Capacidad de residuo peligroso a incinerar. -Legislación vigente.
Los distintos sistemas se utilizan en función del residuo, en las siguiente tabla se adjunta un esquema: Tipo de residuos
Inyecció n líquida
Horno rotativo
Lecho fijo
Lecho fluidizado
Parrilla móvil
Granular
x
x
x
x
Irregular
x
x
x
x
x
x
Comp. orgánicos
x
x
x
x
Mat. Voluminoso
x
x
Sólidos
Bajo punto de fusión
x
x
Líquido Residuos acuosos
x
x
x
x
Líq orgánicos
x
x
x
x
x
x
x
Sólidos/Líquidos Con comp. aromático Lodos orgánicos
x
x x
Cámaras de Inyección de líquidos
BURNER ASSEMBLY INJECTOR REFRACTORY
M. S. SHELL
MANHOLE
MANHOLE
FLUE GAS OUTLET
SYSTEM CONFIGURATION
Source: Indaver
Horno rotatorio
• El cuerpo cilíndrico descansa sobre rodamientos o engranajes que controlan la velocidad de giro del mismo, la cual varía normalmente entre 0,5 y 3 rpm y determina, junto con la longitud e inclinación del horno, el tiempo de residencia medio de los sólidos en el mismo. • Las dimensiones más frecuentes varían entre 10-15 m de longitud y una relación L/D de 5 a 10. • Los tiempos de residencia del sólido suelen oscilar entre 30 y 60 minutos,
⇒ La ventaja más importante de los hornos rotatorios es su flexibilidad Trabajan con sólidos, líquidos y gases. ⇒ También la capacidad de procesar prácticamente cualquier tipo de residuos ⇒ Los que operan en condiciones de slagging resultan especialmente indicados para el tratamiento de RTP conflictivos, ya que admiten su alimentación en contenedores metálicos, con lo que éstos no tienen que extraerse de los mismos, y consignen la destrucción prácticamente completa del residuo. Una situación típica en este sentido es el tratamiento de residuos con teniendo PCB. ⇒ Buena parte de las unidades transportables empleadas para la incineración de RTP utilizan hornos rotatorios. ⇒ Los hornos más modernos pueden trabajar con una capacidad de liberación de calor de 15 106 kcal/h ⇒ El principal inconveniente es la posibilidad de reacciones de combustión parcial que da lugar a PCI y productos de combustión secundaria. ⇒ Otro inconveniente es la posibilidad de fugas o pérdidas (muy importantes cuando se trabajan con RTP)
Parrilla móvil
Hornos de parrilla móvil Los hornos de parrilla móvil constan, en esencia, de una cámara de combustión, en cuyo interior se desplaza el sólido sobre una cinta transportadora de acero u otro sistema mecánico similar. Bajo la base del mismo se alimenta el aíre, que atraviesa, así, la capa de sólido. En la zona superior se inyecta aire secundario para completar la combustión en la fase gas. Los sistemas convencionales se utilizan preferentemente en instalaciones de gran tamaño, estando su campo de aplicación más importante en la incineración de residuos sólidos urbanos. La figura 6.8 presenta un esquema simplificado de este tipo de horno. Este sistema, aunque admite sólidos dentro de un intervalo de tamaños relativamente amplio, no tiene la flexibilidad, en este sentido, de los rotatorios y es, por tanto, más exigente en cuanto a la preparación del residuo. El tiempo de residencia de los sólidos se ajusta mediante la velocidad del mecanismo de transporte sobre el que descansan y puede variar entre márgenes tan amplios como 10 mm y 3 h, aunque lo más frecuente es de 20 a 30min.
Hornos de hogar fijo También llamados de “aire controlado” o “incineradores pirolíticos” Realizan el proceso de combustión en dos fases Se bombea el residuo a la cámara primaria y se quema con defecto de 1. aire (50-80% del estequiométrico) Se vaporiza la fracción volatil del RP endotérmicamente gracias a la oxidación de una fracción del C convirtiéndose en humo y productos pirolíticos (metano, CO y otros PCI) En la cámara primaria la velocidad de turbulencia se mantiene baja por las condiciones de escasez de aire para minimizar el arrastre de partículas Pasan a la cámara secundaria donde se inyecta aire adicional con un 2. exceso (100-200%) para completar la combustión (bien espontáneamente o por combustible suplementario)
Hornos de pisos o solera múltiple. Estos hornos se utilizan muy poco para la incineración de RTP ya que las altas temperaturas requeridas acortan sensiblemente su vida útil. Su aplicación más importante en el campo de los residuos es en la incineración de los lodos de las estaciones depuradoras de aguas residuales.
Lecho fluidizado
Circulating fluidised bed
Bubbling fluidised bed
FLUE GAS OUTLET
THERMOCOUPLE PRESSURE INDICATOR
FREE BOARD
SIGHT GLASS
SAND FEED
FLUID BED
LIME FEED
THERMOCOUPLE
BURNER
COMBUSTION CHAMBER
WIND BOX
WASTE FEEDING
• Ventajas • Desulfuración: se utiliza un absorvente de SO 2, halógenos, etc., en el propio lecho. Concretamente, si tratamos residuos con alto contenido en azufre hay que usar caliza de pequeño tamaño de partícula, ya que el CaO se ataca superficialmente y se recubre con una capa de sulfato cálcico, por lo que es preciso un pequeño tamaño igual que para la fluidización (figura). Para optimizar la retención de derivados de azufre, la temperatura más adecuada es aproximadamente 850ºC (figura) pues a partir de aquí se descompone el sulfato de calcio. • Posibilidad de incinerar residuos diversos. Al poder modificar la velocidad de fluidización fácilmente en función de la densidad y tamaño de partícula del combustible. • Temperatura uniforme dada la intensa agitación. El control es fácil y no existen puntos calientes que perjudicarían al proceso. • Alta difusividad de aire de combustión. En el caso de residuos sólidos, dada la baja granulometría se dispondrá de una gran superficie específica para la reacción aire/sólido. Por tanto habrá mayor velocidad de combustión al no ser esta etapa la que controle el proceso como en los lechos fijos u hornos rotatorios. • Comportamiento similar a un fluido (en el caso de sólidos) lo que permite que los sistemas de alimentación, eliminación de cenizas, automatización y control sean relativamente sencillos, pareciéndose mucho a las calderas de combustibles líquidos. • Alta transferencia de calor. El coeficiente integral de transmisión de calor entre las partículas sólidas del lecho y el aire son del mismo orden de magnitud que en un lecho estático, pero la superficie de intercambio de calor es muy superior. También contribuye la mayor velocidad del aire de fluidización. Por otro lado, la fuerte agitación contribuye a que los coeficientes integrales de transmisión de calor entre el lecho y las superficies de intercambio calorífico son muy altos, aproximadamente 100 veces la del lecho estático, por lo que se tiende a montar el intercambiador de calor en el seno del lecho fluidizado. • No formación de escorias: Como la temperatura es relativamente baja (unos 850 ºC), las cenizas no funden, lo que facilita su evacuación. Además, en los tubos del intercambiador o paredes del incinerador no se produce el fenómeno de la incineración que perjudica el intercambio calorífico.
• Desventajas que presentan frente a otras alternativas; • Abrasión : erosión de las paredes, sobre todo, por el sólido. Se erosionan el distribuidor de aire de fluidización, las entradas de la alimentación si es neumática, las paredes del combustor, los tubos del intercambiador de calor inmersos en el lecho, etc. • Necesidad de ciclones para evitar el arrastre de inquemados solidos por elutriación. • Complejidad del sistema de alimentación , que deberá estar presurizado. • Adecuación previa del residuo si es sólido, por ejemplo con una molienda. Ello conlleva un encarecimiento del sistema. • Dificultades para retirar materiales residuales del lecho. • Altos costes de funcionamiento , especialmente en consumos eléctricos derivados de las soplantes del aire de combustión. ♦ Mayor consumo de energía ♦ Mayores costes de inversión ♦ Menor capacidad • Su principal limitación procede de la necesidad de ajustar el tamaño de los sólidos a las exigencias de la fluidización . El intervalo es bastante estrecho, sobre todo si se compara con los tres tipos de hornos anteriores, situándose en la práctica entre unos 0,3 y 1,5 mm . La velocidad de los gases varia entre 0,5 y 1,5 m/s.
PLANTA INCINERADORA
10.5 Problemática incineración
medioambiental Stack Stackgases gases
Fly Flyash ash
de
la
5-8,000 cubic meters per ton
10-30 kg per ton
Incinerator Incinerator 250-350 kg per ton
Bottom Bottom ash ashor orslag slag
Scrubber water
750 liters per ton Treated eff luent
Filter Filtercake cake 30 kg per ton,
10.5 Problemática medioambiental de la incineración de residuos industriales/peligrosos. Contaminantes químicos. Dioxinas y furanos. Otros gases. Residuos sólidos. Aguas residuales y control de efluentes liquidos. RESIDUO + COMBUST. + AIRE GASES EMIT.+ CONTAMINANTES + CALOR AUXILIAR A LA ATMÓSFERA CAPTURADOS C 79% N2 CO2 HCl Vapor H 21% O2 H2O HF Agua O Vapor de agua N2 Br 2 caliente Cl y compuestos traza O2 I2 Aire F no se consideran P2O5 caliente Br SO2 I 0,0318 de CO2 en NOx S aire limpio y seco Metales, óxidos P e hidróxidos metálicos Metales, etc.
Elementos H C Cl F S N Alcalinos Na K No alcalinos Cu Fe
Productos de Conversión en Incineración completa H2O CO2 HCl o Cl2 HF o F2 SO2 N2 Carbonatos Na2 CO3 KOH Oxidos CuO Fe2O
DIOXINAS Y FURANOS
2,3,7,8-TETRACHLORODIBENZO- p-DIOXIN
2,3,7,8-TETRACHLORODIBENZOFURAN
Dada la similitud estructural, ambos tipos de compuestos presentan propiedades físico-químicas análogas: • Sólidos cristalinos blancos • Puntos de ebullición relativamente elevados térmicamente estables y se desconocen por encima de 850ºC. • Son difícilmente destruidos en los procesos de combustión • Su formación se ve favorecida en procesos térmicos donde intervienen compuestos que contienen cloro. • Bastante inertes químicamente, aunque que en condiciones forzadas pueden experimentar reacciones de sustitución. • Son difícilmente biodegradables y metabolizables. •Esta alta estabilidad les convierte en contaminantes persistentes cuando son liberados en el medio donde son persistentes y bioacumulativos. • Experimentan reacciones fotoquímicas de degradación
TOXICIDAD DE DIOXINAS Y FURANOS El isómero más tóxico es el 2,3,7,8-TCDD y el equivalente en furanos: 2,3,4,7,8-PCDF. Todos los demás isómeros refieren su grado de toxicidad a este al que se asigna arbitrariamente un valor 1. La dosis letal 50 para el 2,3,7,8-TCDD para cobayas es menor de 1 microgramo/kg de peso corporal. El famoso agente naranja usado como defoliante en la guerra del Vietnam estaba contaminado con trazas de 2,3,7,8-TCDD. La suma de las distintas concentraciones de los isómeros de dioxinas y furanos multiplicada por el factor de equivalencia tóxica, permite determinar la toxicidad equivalente de la mezcla (TEQ)
Mecanismos en la formación de dioxinas en la incineración: 1) Presencia de dioxinas y furanos en el residuo: Temperaturas superiores a 850ºC y tiempos de residencia de 2 segundos pueden destruir estos compuestos, pero durante el enfriamiento, por medio de mecanismos de reordenación, pueden desarrollarse otra vez isómeros de dioxinas y furanos. Además, otros rangos de temperatura inferiores o condiciones de combustión no controladas ocasionarían el paso de dioxinas y furanos sin reaccionar a través de la cámara de combustión.
Mecanismos en la formación de dioxinas en la incineración: 2) Su formación durante la combustión a partir de precursores similares como fenoles clorados y bifenilos clorados (PCBs). Este es un proceso bien conocido puesto que es la forma industrial de obtención de los mismos, aunque no está muy claro si las concentraciones bajas de fenol producen cantidades significativas de dioxinas a través de reacciones de dimerización bimolecular como las de Seveso. La oxidación parcial de PCB a PCDF se produce relativamente rápido en condiciones de deficiencia de oxígeno.
Mecanismos en la formación de dioxinas en la incineración: 3) Síntesis de estas sustancias en las diferentes fases del incinerador procediendo de hidrocarburos y especies donadoras de cloro. Estas son las mayores fuentes de generación de dioxinas y furanos. Se postula que el calentamiento del aire, en presencia de cualquier compuesto químico orgánico o inorgánico que tenga en su molécula átomos de Cl, H y C, conduce a la formación de dioxinas bajo ciertas condiciones según las etapas del siguiente mecanismo: a) La combustión de plásticos que contienen cloro como el PVC producen HCl. b) La combustión incompleta de la lignina procedente de los residuos derivados de la madera (papel, cartón, etc.) producen compuestos fenólicos. c) La reacción entre los compuestos fenólicos y el HCl produce dioxinas y furanos.
RESIDUOS SÓLIDOS DE LA INCINERACIÓN Vía Húmeda
*Lodos *Aguas Residuales
Tren de Limpieza de Gases
Tratamiento Final con Carbón Activo
Contaminantes en gases de combustión (NO, SO, HCl, PCI, Cenizas volantes, Dioxinas, Metales pesados)
Vía Seca
*Residuos Sólidos
INCINERACIÓN
Cenizas
L
*Lodos *Aguas Residuales
*Residuos Sólidos
El tratamiento necesario para cada ceniza es función de sus características químicas y físicas, que vienen determinadas por el tipo de residuo incinerado del que proceden, en general podemos diferenciar entre: - Cenizas de incineradoras de residuos urbanos,
que no presentan
generalmente carácter tóxico. que son igualmente no tóxicas, llegando a reciclarse como base para carreteras, etc. - Escorias
- Cenizas Volantes, que por el contrario son generalmente tóxicas por su alto contenido en metales y su gran superficie específica, que proporciona un área de contacto muy grande, favoreciendo la lixiviación de los constituyentes peligrosos.
