Técnicas para la Gestión de Residuos
La gestión de los residuos urbanos, industriales y comerciales tradicionalmente han consistido en la recolección, seguido por la disposición. Los métodos de recolección varían ampliamente entre países diferentes y regiones, y sería imposible describir todos ellos. Por ejemplo, en España existen desde el típico cubo de plástico que es recogido diariamente por un camión hasta un sistema de recolección neumática que aspira los desechos a una velocidad de 100 Km/h hasta un centro de transferencia donde es recogida por los medios de transporte convencionales. Muchas Muchas áreas, áreas, sobre sobre todo todo aquel aquella lass menos menos desarr desarroll ollad adas, as, no ti tien enen en un siste sistema ma de recolección formal en el lugar Los métodos de disposición también varían extensamente. Por ejemplo en Australia, el método más común de disposición de basura sólida son los vertederos, por ser un país grande con una densidad de población baja. Sin embargo, en Japón es más común la incineración, incineración, al ser un país pequeño y con escaso terreno libre. Depe Depend ndie iend ndoo del del ti tipo po de resi residu duoo y el área área,, el proc proces esoo pued puedee cont contin inua uarr con con un tratamiento específico. Este tratamiento, encaminada a la reducción de la peligrosidad, recuperar material para el reciclaje, producir energía, o reducir su volumen para una disposición más eficiente, son las denominadas Técnicas para la Gestión de Residuos Sólidos Urbanos. Para que el manejo de desechos y residuos sólidos sea integral, debe considerar todas sus etapas o fases, desde la generación al mismo momento en que un material es desechado por cualquier ente, durante la producción o consumo de cualquier bien o servicio, la acumulación en sitio de los materiales que han ido desechándose en ocasión de la producción o consumo, el acarreo de los desechos acumulados acumulados hacia un lugar fuera del establecimiento o vivienda en que se generaron hacia la vía pública, donde hacen acopio con los acarreados por los demás vecinos, la recolección de los desechos acopiados en la vía pública, la separación de materiales recuperables de entre los desechos desechos para hacer hacer reparaci reparación, ón, reutili reutilizaci zación ón y reciclaj reciclajes; es; en mayor mayor profundid profundidad, ad, pueden proseguir con un tratamiento a los desechos, a fin de neutralizarlos, reducirles en volumen y/o peso o transformarlos en otros productos; y por último, el material que no es posible recuperar para reparar, reutilizar, reciclar o transformar, es decir, el elemento sólido residual, debe dársele adecuada disposición final con su enterramiento seguro. Por último, toda vez que se trata de un problema ecológico que tiene sus causas en una determinada sociedad, que tiene además sus propias reglas, tiene que ser tomado en cuenta el componente sociocultural, pues el problema de contaminación por residuos sólidos depende básicamente del patrón cultural de producción y consumo de bienes y servicios, de lo demográfico, de lo socioeconómico, entre otros. También se pueden agregar a este componente de educación ambiental para una cultura ecológica los aspectos de higiene y seguridad laboral en las operaciones, la consideración de las personas que sobreviven del mercado de los desechos, los mensajes institucionales, las investigaciones en nuevas tecnologías de producción, consumo, educación, manejo, impacto ambiental y afines.
Vertederos Controlados
Los vertederos tradicionales son lugares en el que se acumulan las basuras. Al no tener ningún tipo de medida sanitaria especial, se llenan de ratas, se incendian, despiden malos olores y humos; así mismo, contaminan los acuíferos subterráneos y las aguas superficiales; esta práctica u modalidad se mantiene como una práctica común en la mayor parte de países. Históricamente, los vertederos eran establecidos en canteras en desuso, minas abandonadas, etc. Un vertedero correctamente diseñado y bien gestionado puede ser un método higiénico y relativamente barato de eliminar materiales de desecho de una forma que reduce al mínimo su impacto sobre el entorno local. Vertederos más viejos, mal diseñados o mal gestionados pueden generar un impactos ambiental adverso como la basura arrastrada por el viento, la atracción de insectos, y la generación de lixiviados que pueden contaminar aguas subterráneas. Otro subproducto de los vertederos es el gas de vertedero (compuesto sobre todo de gas metano y dióxido de carbono), que es producido por la descomposición de la basura orgánica. Este gas puede crear problemas de olor, mata a la vegetación de superficie, y es un gas de efecto invernadero. Un vertedero controlado es un agujero en el que se compacta e impermeabiliza tanto el fondo como los laterales. En estos vertederos la basura se coloca en capas y se recubre todos los días con una delgada capa de tierra para dificultar la proliferación de ratas y malos olores y disminuir el riesgo de incendios. En este tipo de vertederos se instalan sofisticados sistemas de drenaje para las aguas que rezuman y para los gases (metano) que se producen. Las aguas se deben tratar en plantas depuradoras antes de ser vertidas a ríos o al mar y los gases que se recogen se aprovechan en pequeñas plantas generadoras de energía que sirven para abastecer las necesidades de la planta de tratamiento de las basuras y, en ocasiones, pueden añadir energía a la red general. Estos vertederos deben estar vigilados y se hacen análisis frecuentes para conocer las emisiones que se están produciendo y corregir los problemas de funcionamiento. Cuando el vertedero se llena se debe recubrir adecuadamente y dejar el terreno lo más integrado con el paisaje posible. Si esto se hace bien el lugar es apto para múltiples usos, pero se debe seguir controlando durante cierto tiempo después de que haya sido cerrado para asegurar que no se acumula metano que podría provocar peligrosas explosiones, y que no rezuman sustancias tóxicas. Las características de diseño de un vertedero moderno incluyen métodos de contener lechadas, como la arcilla o el plástico que raya el material. La basura es comprimida para aumentar su densidad y cubierta para prevenir atraer animales (como ratones o ratas) y reducir la cantidad de basura arrastrada por el viento. Muchos vertederos también tienen un sistema de extracción de gas instalado después del cierre para extraerlo de los materiales en descomposición. El gas es bombeado fuera del vertedero usando tubos perforados y prendido o quemado en un motor de gas para generar la electricidad. Prender el gas es una mejor solución ambiental que soltarlo directamente a la atmósfera, ya que esto consume el metano, que es un gas invernadero mucho más nocivo que el dióxido de carbono.
Muchos municipios, sobre todo en áreas urbanas, han encontrado muy difícil establecer nuevos vertederos debido a la oposición de los propietarios de las parcelas colindantes. Pocas personas quieren un vertedero junto a su parcela. Por lo tanto, la recogida de residuos sólidos se ha hecho más cara ya que los desechos deben ser transportados más lejos para la disposición (o gestionado por otros métodos). Algunos futuristas especulan con la posibilidad de que los vertederos podrían ser algún día excavados para obtener materiales que antes fueron desechados por carecer de valor, ya que algunos recursos se hacen cada vez más escasos, para lo que sugieren el establecimiento de vertederos 'selectivos' que contengan sólo un tipo de desechos, como un método de almacenaje a largo plazo. Incineración
La incineración es un método que implica la combustión de la basura a altas temperaturas. La incineración y otros sistemas de tratamiento a altas temperaturas son conocidos también como "tratamiento térmico". En efecto, la incineración de materiales de desecho convierte la basura en calor, emisiones gaseosas y ceniza residual sólida. Otros tipos de tratamiento térmico incluyen pirólisis y gasificación. Incinerar los residuos sólidos tiene dos aspectos muy positivos. Se reduce mucho el volumen de restos a almacenar porque, lógicamente, las cenizas que quedan ocupan mucho menos que la basura que es quemada y además se obtiene energía que se puede aprovechar para diferentes usos. Es muy conveniente quitar algunos de los componentes de la basura antes de incinerarlas, por ejemplo el vidrio, debido a que se funde y es difícil de retirar del incinerador, otro ejemplo son los restos de los alimentos que contienen demasiada humedad y hacen más difícil la incineración. Los materiales que mejor arden y más energía dan son el papel, los plásticos y los neumáticos. Una planta generación de energía de residuos, o Waste-to-Energy (WtE), es un término moderno para un incinerador que quema desechos en un horno de alta eficacia para producir vapor y/o electricidad e incorpora sistemas de control de contaminación del aire modernos y monitores de emisión continuos. A veces llaman este tipo de incinerador una energía-desde-basura (energy-from-waste o EfW). Al incinerar se produce CO2, partículas diversas, metales tóxicos y otros compuestos que salen como humo. Para evitar que salgan a la atmósfera se deben limpiar los humos con filtros electrostáticos que atraen las partículas, las aglutinan y caen por gravedad a unirse a las cenizas. También pasa el humo por una lluvia de agua con productos químicos que neutraliza y retira compuestos tóxicos del humo. Al final salen los humos mucho más limpios si el proceso funciona bien, lo que no siempre ocurre si no se vigila y pone a punto continuamente. Otro importante peligro está en que algunos compuestos como el PVC (policloruro de vinilo) y algunas tintas, cuando arden producen dioxinas y otras sustancias gravemente tóxicas y muy difíciles de eliminar de los gases. De todas formas, una incineradora de moderna tecnología que funciona bien produce unas emisiones perfectamente aceptables, aunque también su costo es muy alto.
Otro de los puntos a resolver cuando se instala una incineradora es decidir donde se depositarán las cenizas que contienen elementos tóxicos, normalmente esto se realiza en vertederos controlados. La incineración es popular en países como Japón, donde la tierra es un recurso escaso; así mismo, Suecia ha sido líder en la utilización de energía generada por incineración desde 1985, Dinamarca también hace un uso extensivo de la incineración WtE en generación de calor y electricidad que se utiliza para calefacción urbana. La incineración se realiza tanto para una pequeña escala, como para una escala mayor como la industria. Es reconocido como un método práctico de eliminar ciertos materiales de desecho peligrosos (como los desechos biológicos de los hospitales), aunque esto sea un método polémico en muchos sitios debido a cuestiones como la emisión de residuos contaminantes gaseosos.
Esquema del funcionamiento de una incineradora Tecnología Residuo Cero
Consiste en la construcción, puesta en operatividad y gerenciamiento o auditoría de una Planta Procesadora para la disposición final de “Residuos Sólidos Urbanos” (R.S.U.), utilizando los residuos como insumos de un proceso productivo, en este caso, materiales para la construcción, pavimentación, obras de infraestructura, entre otros productos. En esta planta, los residuos sólidos urbanos se preseleccionan según su composición, por un lado, se apartan para su reciclado como metales, aluminio, vidrios, papel, cartón, plásticos, y por el otro, aquellos residuos susceptibles de ser transformados en
materiales de construcción (orgánicos, escombros, maderas, gomas, etc.), mediante el método de solidificación y estabilización de residuos. La solidificación y estabilización se logra aplicando el sistema denominado microencapsulado. Este proceso consiste en mezclar, amasar, moldear y conformar los R.S.U. no reciclables con un aglomerante que actúa como un confinador a través de un proceso adecuado. Al producto obtenido mediante este proceso se lo denomina “Compound”. El mismo tiene igual o mejores características que sus similares para la obtención de materiales de construcción y a un costo sensiblemente menor. Básicamente el proceso industrial consiste en cuatro fases que pueden ser detalladas de la siguiente manera: Fase 1: Vuelco Los vehículos recolectores vuelcan en una playa su contenido. Una vez allí, mediante una pala mecánica son introducidos en un descompactador de peines rotativos donde se descompactan y rompen las bolsas plásticas mientras son empujadas hacia una cinta transportadora . Fase 2: Selección y clasificación Mientras son transportados por la cinta de selección los residuos s ólidos urbanos (R.S.U.) son clasificados desde la plataforma de selección manualmente, mecánicamente o por sistema combinado (manual-mecánico) separando los distintos tipos de metales, plásticos, vidrios, papel y otros residuos reciclables e introducidos en los recipientes de selección donde luego por diversos sistemas son depositados en las playas de reciclado para su posterior comercialización. Fase 3: Estabilización Los restantes residuos (desechables), orgánicos e inorgánicos, son volcados por la cinta de selección dentro de un triturador que a la vez que tritura los R.S.U. les incorpora un estabilizante que a la vez que estabiliza los residuos absorbe los líquidos de lixiviado. De esta manera, al final de esta fase se obtiene un producto pulvurulento estabilizado, similar a una arena, que es extraído por dos sistemas para alimentar a dos procesos distintos: por una cinta transportadora de estabilizados a la playa de reciclados para su comercialización directa; y por un elevador-transportador a un silo-tolva para ser usado como insumo de materiales de construcción. Fase 4: Solidificación Los residuos estabilizados extraídos por el elevador-transportador son introducidos a un silo-tolva donde se los deja ocho horas para que se produzca el proceso de estabilización. Una vez cumplido este plazo son volcados mediante un dosificador a tambor dentro de una mezcladora donde se les incorpora el aglomeranteconfinador para luego ser introducidos en una moldeadora que conforma por moldeo las piezas para la construcción. Este proceso físico-químico microencapsula las partículas de residuos estabilizados dentro del sólido moldeado. Una vez concluida cada operación del moldeo, las piezas son depositadas manual o mecánicamente sobre una cinta de carga desde donde se cargan los raks de secado que son depositados en una playa donde después de un tiempo de secado son paletizados para su comercialización. Compostaje y digestión anaerobia
La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos o “biogás” (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y en
digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación. El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción de emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados. La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias. Las fases de la digestión anaerobia La digestión anaerobia está caracterizada por la existencia de varias fases consecutivas diferenciadas en el proceso de degradación del substrato (término genérico para designar, en general, el alimento de los microorganismos), interviniendo 5 grandes poblaciones de microorganismos. Estas poblaciones se caracterizan por estar compuestas por seres de diferentes velocidades de crecimiento y diferente sensibilidad a cada compuesto intermedio como inhibidor (por ejemplo, H2, ácido acético o amoníaco producido de la acidogénesis de aminoácidos). Esto implica que cada etapa presentará diferentes velocidades de reacción según la composición del substrato y que el desarrollo estable del proceso global requerirá de un equilibrio que evite la acumulación de compuestos intermedios inhibidores o la acumulación de ácidos grasos volátiles (AGV), que podría producir una bajada del pH. Para la estabilidad del pH es importante el equilibrio CO2-bicarbonato. Para hacer posible algunas reacciones es necesaria la asociación sintrófica entre bacterias acetogénicas y metanogénicas, creando agregados de bacterias de estas diferentes poblaciones. Lo anterior implica que las puestas en marcha de los reactores sean, en general, lentas, requiriendo tiempos que pueden ser del orden de meses. En general, la velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo. Para sustratos solubles, la fase limitante acostumbra a ser la metanogénesis, y para aumentar la velocidad la estrategia consiste en adoptar diseños que permitan una elevada concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor. Con esto se pueden conseguir sistemas con tiempo de proceso del orden de días. Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas, la fase limitante es la hidrólisis, proceso enzimático cuya velocidad depende de la superficie de las partículas. Usualmente, esta limitación hace que los tiempos de proceso sean del orden de semanas, de dos a tres. Para aumentar la velocidad, una de las estrategias es el pretratamiento para disminuir el tamaño de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas).
Claves para una buena digestión anaerobia Los parámetros ambientales que hay que controlar hacen referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para el desarrollo del proceso. Estos son: • •
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pH, que debe mantenerse cercano a la neutralidad. Alcalinidad, para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación. Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3. Potencial redox, con valores recomendables inferiores a -350 mV. Nutrientes, con valores que aseguren el crecimiento de los microorganismos. Tóxicos e inhibidores, cuya concentración ha de ser la mínima posible.
Los parámetros operacionales hacen referencia a las condiciones de trabajo de los reactores: •
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Temperatura. Podrá operarse en los rangos psicrofílico (temperatura ambiente), mesofílico (temperaturas en torno a los 35 ºC) o termofílico (temperaturas en torno a los 55 ºC). Las tasas de crecimiento y reacción aumentan conforme lo hace el rango de temperatura, pero también la sensibilidad a algunos inhibidores, como el amoníaco. En el rango termofílico se aseguran tasas superiores de destrucción de patógenos. Agitación. En función de la tipología de reactor debe transferirse al sistema el nivel de energía necesario para favorecer la transferencia de substrato a cada población o agregados de bacterias, así como homogeneizar para mantener concentraciones medias bajas de inhibidores. Tiempo de retención. Es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos. Velocidad de carga orgánica, OLR en inglés. Es la cantidad de materia orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja concentración en el influente y/o elevado tiempo de retención. El incremento en la OLR implica una reducción en la producción de gas por unidad de materia orgánica introducida, debiendo encontrar un valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a tratar.
Potenciales y rendimientos
La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo determinado depende de su potencial (producción máxima), del tiempo de retención, de la velocidad de carga orgánica, de la temperatura de operación y de la presencia de inhibidores. Acondicionamiento del sustrato previo a la producción de biogás
Antes de introducir los residuos orgánicos dentro del reactor hay que realizar una serie de operaciones de acondicionamiento. Dependiendo del tipo de reactor, el grado de pretratamiento será diferente. La finalidad de estas operaciones es introducir el residuo lo más homogéneo posible, con las condiciones físicoquímicas adecuadas al proceso al que va a ser sometido, y sin elementos que puedan dañar el digestor.
La forma de acondicionar los residuos de entrada puede ser por pretratamientos, reducción del tamaño de partícula, espesamiento, calentamiento, control de pH, eliminación de metales y eliminación de gérmenes patógenos. Cuando se manejan ciertos sustratos, como los purines, es muy importante no almacenar demasiado tiempo, ya que decae muy deprisa la productividad de biogás, al producirse fermentaciones espontáneas. Gestión del aprovisionamiento y de los subproductos
Para que una planta de digestión anaerobia sea rentable es imprescindible la garantía en el suministro de materia prima, tanto en tiempo como en calidad. Además, es muy importante la homogeneidad del sustrato a la entrada del reactor, para conseguir una eficiencia y rendimiento elevado de biogás. Por ejemplo, en plantas de purines, pobres en materia orgánica, y para conseguir la rentabilidad, es necesario el aprovechamiento de los efluentes de algún proceso, como por ejemplo los lodos de espesado, bien como salen o con un tratamiento posterior. Los subproductos de la digestión anaerobia son agua y digestato (sólido); para su posterior uso hay que tener en cuenta la legislación en materia de vertidos y las composiciones de los efluentes del proceso. Muchas veces no se pueden utilizar tal y como salen del digestor, por lo que se ha de aplicar una serie de tratamientos como decantación/sedimentación, secado, para su posterior utilización para riego, fertilización de campos o venta como compost. Estos materiales son puestos en un compost y/o sistema de digestión para controlar el proceso biológico para descomponer la materia orgánica y matar los patógenos. El material orgánico resultante es entonces es reciclado como paja o compost para agricultura. Hay una gran variedad de métodos de compostaje, de digestión y tecnologías, variando desde el simple compost de plantas trituradas, a la digestión automatizada en un recipiente con basura variada. Estos métodos de descomposición biológica se distinguen como aerobios en métodos de compost o anaerobios en métodos de digestión, aunque existen híbridos que usan los dos métodos. Pero de la digestión anaerobia el compost no es el único producto, los principales son el dióxido de carbono y el metano, que hoy terminan en la atmósfera, siendo sabido, que son de los gases productores del efecto invernadero, dado que afectan la capa de ozono. Hay una tremenda responsabilidad en la sociedad sobre este asunto, aunque la realidad muestra ser un tema directamente ignorado desde este punto de vista. Sin embargo, se busca exigir en este sentido a las empresas, habiendo un largo camino por recorrer, persona a persona, familia por familia, casa por casa.. para que la presión sobre las industrias sea tal, que no sea posible entrar en un mercado sino se prueba que realmente se trata de una producción MDL (Mecanismo de Desarrollo Limpio). Fuente: Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) www.idae.es
Tratamiento mecánico biológico
El tratamiento mecánico biológico (TMB) es un tipo de tecnología que combina la clasificación mecánico y el tratamiento mecánico biológico de los residuos. TMB también es llamado a veces TBM -Tratamiento Biológico Mecánico - aunque esto simplemente se refiere al orden del tratamiento. El elemento "clasificación mecánica" puede ser una cinta. Aquí se separan de ser residuos peligrosos como aceites pilas de coches etc., elementos reciclables de la cadena de residuos que pueden ser variados (como metales, plásticos y cristal) o los procesa para producir un combustible de alto poder calorífico, denominado Combustible Sólido Recuperado (CSR) que puede ser usado en hornos de cemento o centrales eléctricas. Los sistemas que son configurados para producir CSR incluyen Herhofand Ecodeco. También existe la forma de usar los residuos con alto valor calorífico directo como sustitución de combustible. Es una idea falsa común que todos los procesos de TMB producen CSR. No es así. Algunos sistemas como ArrowBio simplemente recuperan los elementos reciclables de la basura en una forma que luego pueden ser utilizados para el reciclaje. El tratamiento mecánico se refiere a la homogeneización de los desechos para su tratamiento biológico. El elemento "biológico" se refiere a la digestión anaerobia o aerobia. En caso de puros desechos orgánicos se habla de compostaje (ve arriba). La digestión anaerobia "degrada" los componentes biodegradables de la basura para producir biogas. El biogas puede ser usado generar energía renovable. Procesos más avanzados como el Proceso de ArrowBio permiten una gran producción de gas y energía verde sin la producción de CSR. Esto es gracias al procesamiento de los residuos en el agua. Biológico también puede referirse a una degradación aerobia en que la parte orgánica de los residuos es tratado con microorganismos aeróbicos, eliminando así el potencial de peligro al medio ambiente y a la salud humana. Además por la degradación de los orgánicos a dióxido de carbono y vapor carece de biogas. Por la carencia total de biogas este proceso es muy recomendable para un mecanismo de desarrollo limpio. Con la combustión de la fracción con alto valor calorífico se puede producir energía verde en incineradoras especiales. Por la ausencia de alta tecnología se deja elaborar bonos de carbono en una forma segura y una inversión mínima. Pirólisis, gasificación y Combustión
Bajo la denominación técnica de Procesos Termoquímicos, se engloban todos aquellos procesos en los cuales, se producen reacciones químicas bien sea por el aporte de energía desde el exterior o por que el sistema genera energía que ha de liberar. Las transformaciones termoquímicas dan lugar a una serie de productos gaseosos, líquidos o sólidos en mayor o menor proporción dependiendo de las condiciones en las que tenga lugar. Esencialmente, se consideran tres procesos: Pirolisis, Gasificación y Combustión. Estos tres términos básicos no son únicos y dependiendo de multitud de circunstancias se les asocia nombres como carbonización, termólisis, incineración, combustión parcial, que aun queriendo significar lo mismo y no siendo del todo incorrectos, no representan de forma genérica los procesos de los que a continuación hablaremos.
La pirolisis y a la gasificación son los procesos sobre los que más ha investigado este Grupo y a continuación se dan unas nociones básicas sobre los mismos. PIROLISIS
De una forma general se entiende por pirólisis de una biomasa lignocelulósica, al proceso en el cual la biomasa sufre una descomposición debida al calor, en ausencia de oxígeno o de cualquier otro tipo de reactante. En el proceso de pirólisis están involucrados un gran número de reacciones químicas, cuyo transcurso depende de la composición química del material y de las condiciones de operación. En el caso concreto de la pirólisis de madera estas reacciones llevan a la formación de productos sólidos (en los que se engloban los tres tipos de residuos carbonosos que se pueden producir: char, coke y soot, términos de no fácil traducción), de un líquido condensable denominado genéricamente alquitrán y de productos gaseosos. Lógicamente la cantidad y calidad de esos productos dependerá de las condiciones y a que se lleva a cabo la pirólisis y de la composición química del material. La pirólisis de madera es un proceso utilizado desde hace largo tiempo, por lo que se han utilizado otros términos para denominarla. Los más usuales son: •
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Carbonización, cuando el principal producto obtenido es el carbón. Destilación de madera, cuando lo que se desea es el líquido piroleñoso o alquitrán. Destilación destructiva cuando se produce carbón y líquido alquitranoso. Gasificación por pirólisis rápida cuando se obtiene principalmente gas (esta última reacción es de aplicación muy reciente)
Como ya se ha visto anteriormente, la pirólisis parece ser actualmente uno de los procesos más versátiles, en el sentido de que es posible orientar los productos obtenidos, según las condiciones de operación, dependiendo de si se desean obtener productos químicos o energía. Aplicaciones de la Pirólisis de Madera. Carbón vegetal: El carbón vegetal se aplica (o se ha aplicado) de forma global en tres áreas distintas: • • •
Doméstica: Barbacoas principalmente Metalúrgica: Cobre, Bronce, Acero, Níquel, Aluminio. Química: Sulfuro de Carbono, carburo de calcio, carburo de silicio, Cianuro de sodio, Cianuro de potasio, Oxido de carbono, Carbón activo, Negro de humo.
De forma global y resumida los tres tipos de instalaciones utilizadas son:
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Las carboneras, son las más utilizadas en el mundo (80%) presentan una pequeña inversión pero necesitan mucha mano de obra y no permiten la recuperación de los líquidos piroleñosos. Los hornos rotatorios que utilizan la madera troceada, están muy extendidos en América del Norte. Producen un carbón vegetal finamente dividido que es inmediatamente aglomerado. Los hornos verticales que están bien adaptados para el tratamiento de troncos y permiten recuperar los productos líquidos.
Líquidos condensables
La pirólisis de la madera genera por tonelada de materia seca un promedio de: 350 Kg. de carbón de leña 450 Kg. de vapores piroleñosos 220 Kg. de gases no condensables • • •
Si las composiciones del carbón y de los gases no condensables son bien conocidas, no es el mismo caso para los vapores piroleñosos donde se pueden encontrar 130 constituyentes en proporciones variables. Entre los productos identificados hasta hoy se encuentran: • • • • • • •
18 ácidos orgánicos 7 alcoholes 18 cetonas 8 hidrocarburos alifáticos y aromáticos. 9 aldehídos 15 fenoles 9 furanos
La condensación total de los vapores piroleñosos genera un líquido parduzco que contiene principalmente: 12% de ácidos acético y fórmico 3% de metanol 20% de aceites y alquitranes 65% de agua • • • •
De estas cifras se desprende que la separación y la purificación de los productos son costosas, en particular a causa de las grandes cantidades de agua. La obtención de productos de alto valor añadido representa un futuro en pirolisis, futuro que pasa por mejorar principalmente las técnicas de separación y en particular en el caso de los aromatizantes utilizados en alimentación. Además de la producción de productos químicos de alto valor añadido, los líquidos obtenidos de la pirolisis “flash” de madera pueden utilizarse como combustibles líquidos.
Para obtener un producto líquido adecuado que pueda ser utilizado como combustible, es necesario utilizar maderas de bajo contenidos en azufre, nitrógeno y metales y con un contenido en humedad por debajo del 10%. La composición de los aceites de pirolisis varía con el tipo de madera utilizado como se muestra en la Tabla I para una temperatura de pirolisis cercana a 500ºC en todos los casos. Los tratamientos posteriores al proceso de pirolisis a los que se tienen que someter los aceites para su utilización como combustibles se pueden resumir de forma genérica en los siguientes: Separación de cenizas y carbonilla de ciclones y si es necesario filtración del aceite en caliente (350-400ºC) Eliminación de su contenido en oxígeno cuando la composición de los aceites es fundamentalmente fenólica para dar lugar a hidrocarburos. Fragmentación de los compuestos aromáticos, policíclicos, después de la saturación, al menos parcial, de los anillos. Tabla I. Variación de la composición de los aceites de pirolisis con el tipo de madera. TIPO DE MADERA
ALAMO (entero)
PICEA BLANCA
ARCE ROJO
ALAMO (sólo madera)
TEMP. DE PIROLISIS
504
500
508
504
LIQUIDOS ORGANICOS
62.9
66.5
67.9
62.6
FRACCION SOLUBLE EN AGUA: Oligosacáridos Celobiosán Glucosa Fructosa Glioxal Metilglioxal Levoglucosán 1, 6-Anhidroglufuranoso Hidroxiacetaldhido Acido fórmico Formaldehido Acido acético Etilenglicol Acetol Acetaldehido
27.7 1.11 0.55 1.34 1.42 2.52 6.47 5.40 6.30 0.87 1.70 -
33.0 2.49 0.99 2.27 2.47 3.96 7.67 7.15 3.86 0.89 1.24 -
29.9 1.62 0.64 1.51 1.75 2.84 7.55 6.35 5.81 0.63 1.15 -
34.2 0.7 1.30 0.41 1.32 2.18 0.65 3.04 2.43 10.03 3.09 1.16 5.43 1.05 1.40 0.02
LIGNINA PIROLITICA
24.8
20.6
20.9
16.2
COMPUESTOS NO CONTABILIZADOS (Pérdidas, furanos y fenoles)
10.5
12.9
17.1
11.91
Aunque se han propuesto aplicaciones dentro de un amplio campo para los aceites procedentes de la pirólisis de madera, es en las plantas de producción de energía eléctrica donde estos combustibles pueden tener mayor utilidad. En comparación con el gas natural, los biocombustibles líquidos presentan la ventaja de ser más fácilmente transportables y almacenables. Sin embargo, en relación con los combustibles minerales ligeros, los aceites de pirólisis están en clara desventaja en cuanto a sus propiedades de combustión, aunque son más baratos. Los combustibles minerales pueden sustituirse en algunos casos por biocombustibles con pequeñas modificaciones en los equipos convencionales. Los aspectos más problemáticos en la utilización de los aceites de pirólisis en equipos para la generación de energía eléctrica en los que actualmente se está trabajando son: la aromatización durante su inyección en la cámara de combustión, la duración de la combustión, la emisión de óxidos de nitrógeno, el poder calorífico (del cual depende el dimensionamiento de los dispositivos de bombeo, conducción y atomización de combustible), el contenido en partículas sólidas, asfaltenos, ceras, metales alcalinos, inestabilidad térmica y su elevada acidez. Productos gaseosos
Ya se ha indicado que en determinadas condiciones de operación, era posible producir únicamente gas. Este gas podría ser utilizado con fines energéticos o químicos, teniendo en cuenta que se puede tener: Presencia de insaturados C2H4 -C2H2. Presencia de CO y de H2 (gas de síntesis para metanol o amoniaco) • •
En la Tabla II se muestran unos resultados obtenidos en pirólisis rápida y su comparación con O2 y aire. Su ventaja con respecto a la gasificación con aire o con oxígeno es el aumento sensible del poder calorífico del gas, dada la ausencia de nitrógeno y la baja tasa de CO2. El balance energético global de la reacción muestra que la utilización de la energía contenida en los residuos (carbón + alquitrán) permite cambiar el proceso de gasificación por pirolisis rápida, la cual es autotérmica. El tipo de reactor utilizado para hace este balance es el lecho fluidizado circulante. Tabla II. Comparación entre diferentes procesos
Proceso
Gasificación O 2
Gasificación con aire
Pirolisis rápida
Composición Gas Producto
45% CO 28% H2 18% CO2 5% CH4
24% CO 20% H2 12.5% CO2 3% CH4 40% N2
48% CO 20% H2 6.5% CO2 13% CH4 6% insaturados (C2H4, C2H2)
Rendimiento teórico
70%
70%
70%
P.C.S. (aprox.)
3.000 kcal/Nm3
1.500 kcal/Nm3
4.500 kcal/Nm3
Aporte de calor
Interno
Interno
externo
GASIFICACION La gasificación de un sólido es un proceso que engloba la descomposición térmica de la materia orgánica por la acción de un gas, que reacciona principalmente con el residuo carbonoso procedente de la descomposición térmica. Por gasificación se transforma un material sólido en gas susceptible de ser aprovechado como combustible o como materia prima (metano, amoníaco, metanol, gasolina). Dependiendo del medio gasificante utilizado pueden distinguirse distintos procesos de gasificación, los cuales dan diferentes distribuciones de productos con distintas aplicaciones. Así pueden citarse: Gasificación con aire: El aire se introduce principalmente para aporte de calor mediante la combustión de parte del residuo carbonoso. Se obtiene un gas combustible de bajo contenido (menos de 6 MJ/Nm3). Este gas puede emplearse como combustible en quemadores de calderas o turbinas de gas, o en aparatos de combustión interna. Gasificación con oxígeno: Se produce un gas de medio contenido energético (10-20 MJ/Nm3). Tiene las mismas aplicaciones que el gas de bajo contenido energético, siendo de mayor calidad, al no estar diluido con nitrógeno. Asimismo, este proceso se puede utilizar para obtener gas de síntesis para metanol (CO/H2). Gasificación con vapor de agua y oxígeno (o aire). Se produce un gas que al estar enriquecido en H2 y CO se pude utilizar como gas de síntesis para metanol, amoníaco, gasolina. Gasificación con H2. Se produce un gas de alto contenido energético (más de 30 MJ/Nm3), que, por tener alto porcentaje en metano y olefinas, puede utilizarse como sustituto del gas natural. Concretamente, la biomasa lignocelulósica presenta una serie de características que hacen que sea aconsejable su aprovechamiento mediante gasificación. Junto a las
características ya conocidas (recursos renovables, bajos costes de producción, concentración, no presentan problemas ambientales) se pueden citar las referentes a su composición. Su análisis elemental indica que están formados básicamente por: C (5060%), O (30-40%), H (5-7%) algo de N y otros componentes y que carecen prácticamente de S. Los compuestos más abundantes son los celulósicos de 30-40%, los hemicelulósicos de 24-35%, y los lignínicos de 15-30%. Presentan un alto porcentaje de materia volátil (75-85%) y muy bajo en cenizas (<5%). Su poder calorífico superior está comprendido entre 3500 y 5200 Kcal/Kg. En el proceso de gasificación aparece una gran variedad de reacciones, que dependen de las condiciones de operación y del agente gasificante utilizado. Estas reacciones se pueden resumir en: Biomasa + calor Líquidos + calor C + H2O C + 2H 2 C + CO2 2C + O 2 2CO + O2 CO + H2O CO + 3H2
Residuo Carbonoso+ Líquidos + Gases Gases CO + H2 + 130.2 MJ CH4 – 74.9 MJ 2CO + 170 MJ 2CO – 222.8 MJ 2CO2 – 564 MJ CO2 + H2 – 40.67 MJ CH4 + H2O – 206.2 MJ
REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS DIGESTIÓN Anaerobia. Proceso de producción de biogás, (En línea) Fecha de consulta: 20 de noviembre de 2010 http://www.biodisol.com/que-es-el-biogas-digestion-anaerobia-caracteristicas-y-usosdel-biogas/digestion-anaerobia-proceso-de-produccion-de-biogas-biocombustiblesenergias-renovables/ SURCAN Valentina Estudio experimental en planta piloto del proceso de cocompostaje de residuos agroalimentarios. MARTINEZ Centeno, Luis. Tratamiento Biológico Mecánico y Biorreactores. http://www.navarra.es/NR/rdonlyres/63609544-1769-4884-AAF8BB619BAD3DF5/159965/MtnezCenteno.pdf OLAZAR, Martín. Residuos convertidos en fuente de energía. 2002. España: Aragón. http://www.aragoninvestiga.org/Residuos-convertidos-en-fuente-de-energia/
