¿Cómo hacer 24 análisis de agua en media hora?

¿Cómo hacer 24 análisis de agua en
media hora?
Un sistema informatizado por inyección secuencial desarrollado por
químicos de la UIB permite, en 30 minutos, realizar el control de la
calidad del agua de un circuito agua-vapor para la generación de
energía eléctrica. En la actualidad, en las plantas incineradoras como la
de Son Reus (Mallorca) este mantenimiento requiere ocho horas
PALABRAS CLAVE:
Caracterización,
reutilización,
escorias, residuos
sólidos urbanos,
monitor
multiparamétrico
para aguas
KEYWORDS:
Characterization,
reutilization,
Municipal solid
wastes bottom ash,
multiparametric
monitor for water
Un equipo de químicos de la UIB dirigidos por el
doctor Rafael Forteza ha desarrollado un sistema de
análisis automatizado que permitirá ahorrar tiempo y
dinero en el mantenimiento de las llamadas calderas
de vapor. Aunque el sistema ha sido desarrollado a
partir de la problemática específica de una planta
incineradora -la de Son Reus en Palma (Mallorca) -, su
utilización es extensiva a todas las plantas de
incineración de Residuos Sólidos Urbanos y a todos
los sistemas que utilicen la energía térmica originada
por la combustión para aumentar la temperatura y
presión de un fluido (agua o vapor) que a su vez es
utilizable para generar corriente eléctrica. Se trata, en
definitiva, de un monitor automatizado e informatizado
de análisis del agua de una caldera y su circuito, para
mantenerla en unos parámetros de calidad suficientes
que garanticen una condiciones óptimas para la
transferencia de calor y minimicen los varios
problemas graves en estos circuitos: las
incrustaciones, los depósitos y la corrosión.
El monitor, basado en un sistema de análisis por
inyección secuencial (SIA), ha sido ya desarrollado
íntegramente en el laboratorio. En una segunda fase,
el desarrollo de un modelo industrial puede generalizar
su uso para el análisis del agua en circuitos de agua y
vapor, ahorrando tiempo y dinero a las empresas.
De hecho el desarrollo de este primer prototipo
responde a una línea de investigación iniciada en el
área de Química Analítica, cuyo responsable es el
catedrático Víctor Cerdà Martín, tendente a la
aplicación de este tipo de análisis secuencial por
inyección en la determinación de parámetros
ambientales.
Los conductos
de la imagen, en
la incineradora
de Son Reus
(Mallorca), llevan
el vapor ya
utilizado para
generar energía
hacia el
aerocondensador
donde volverá a
licuarse.
A la izquierda,
planta de
tratamiento del
agua. Ésta es
acondicionada
antes de ser
introducida en el
circuito. A la
derecha, se
observan los
tubos colectores
del vapor
calentado por las
calderas. La
imagen está
tomada en el
piso superior de
la incineradora.
Por otra parte, y sin abandonar el
turbo-alternador con una capacidad de producción de
proyecto de investigación financiado por el Ministerio
energía eléctrica de 34 MW.
de Ciencia y Tecnología bajo el título “Contribución a la
valorización de productos resultantes de la
¿Cómo se realiza esa transferencia de calor al agua-
incineración de residuos sólidos urbanos”, el equipo
vapor? La energía calorífica liberada en el horno se
dirigido por el doctor Rafael Forteza, en colaboración
transmite al agua en la caldera mediante los llamados
con la Dra. Concepción Seguí del Departamento de
intercambiadores de calor. La caldera está formada
Física de la UIB, ha concluido la primera fase de
esencialmente por la cámara de combustión, el
caracterización de las escorias generadas por la planta
calderín y una serie de cambiadores de calor formados
incineradora de residuos sólidos urbanos de Mallorca,
por haces de tubos situados de manera que los gases
con el objeto de establecer los parámetros para su
de combustión que circulan por el exterior de los tubos
reutilización, como bases y subases de carreteras y
ceden el calor al fluido que circula en su interior, fluido
otros elementos de construcción.
que puede ser agua o vapor. En la caldera se pueden
distinguir dos partes, la zona de calefacción directa
Introducción: de la energía térmica
que recibe calor por radiación y la zona de calefacción
a la energía eléctrica
indirecta que recibe el calor por contacto con los gases
de combustión. En las calderas modernas además de
Una de las características de la mayoría de plantas
generarse vapor, éste se sobrecalienta hasta una
incineradoras de residuos sólidos urbanos existentes
temperatura y presión determinadas haciéndolo pasar
es el aprovechamiento del calor producido por la
a una turbina donde la energía térmica se transforma
combustión para la generación de vapor que, a su vez,
en energía mecánica de rotación. En la fase final del
alimentan sistemas de producción de energía eléctrica
proceso ese giro del rotor del generador es lo que
(turbinas).
produce energía eléctrica.
El caso de la planta de Son Reus, ubicada en Palma
(Mallorca) y con capacidad para 300.000 toneladas de
En todo el proceso descrito, un componente primordial
residuos sólidos urbanos al año, no es distinto. En
es la caldera de vapor, una instalación que siempre
esta planta el calor producido y contenido en la
supone una importante inversión económica. No es
corriente de gases calientes es utilizado para producir
extraño que las empresas explotadoras de las plantas
vapor a 400º C y 40 bares de presión (50t/h/línea) en
de incineración consideren un objetivo de primera
una caldera industrial. Ese vapor alimenta un sistema
magnitud controlar la calidad del agua que alimenta
esa caldera. Téngase en cuenta que de esa calidad
depende, por una parte, la efectividad del proceso de
intercambio de calor, impidiendo la formación de
depósitos y, por otra, que el circuito no sea atacado
por la corrosión.
Para evitar esa oxidación indeseada, las plantas
acometen su protección mediante las llamadas capas
protectoras. El tratamiento más usado, realizado
durante la instalación del propio circuito, consiste en
provocar una reacción química a partir de la cual se
forme magnetita, u óxido ferroso-férrico, en el interior
de la caldera. Esa capa superficial dificulta
enormemente la difusión de iones y electrones,
evitando la acción del oxígeno disuelto en el agua que
es altamente corrosivo. Otra de las capas utilizadas es
la formada con hematita: Fe2O3 , óxido férrico.
Una vez obtenidas las capas protectoras, el siguiente
paso es evitar su deterioro. Y eso sólo se puede
conseguir mediante un control exhaustivo e intensivo
de las condiciones fisicoquímicas del agua. Cualquier
alteración puede ser fatal para el mantenimiento
correcto del circuito.
Pequeños cambios en el valor de pH, desviaciones
respecto a los valores considerados como aceptables
(entre 9,5-10,5 ) dan como resultado fuertes
incrementos del efecto de corrosión. Dicho efecto es
más acusado a medida que el agua se va haciendo
más ácida, dando lugar a lo que se conoce como
'ataque ácido'. Si esta situación no es corregida
mediante un buen control y ajuste del pH, los tubos
sufrirán roturas parciales o totales, dando lugar a una
serie de subproductos que formarían incrustaciones en
el interior de la caldera dificultando su funcionamiento.
No sólo resulta obligado controlar el pH; en realidad es
preciso llevar un control exhaustivo de toda una serie
de parámetros, como la conductividad, el pH, el
oxígeno disuelto, SiO2, Cu, Fe, NH3, N2H4, cloruros,
fosfatos y materia orgánica.
Además de la corrosión el circuito puede verse
afectado por la formación de depósitos. El agua sin
tratar contiene cantidades variables de sales minerales
de calcio, magnesio, hierro y sílice. Cuando esos
productos exceden su punto de solubilidad debido al
aumento de temperatura, precipitan produciendo
incrustaciones que disminuyen la eficacia de la
El vapor caliente
recolectado es
conducido desde
la parte superior
de la planta
hasta la turbina,
en la planta baja,
a través de una
selva de
conductos. Antes
de alimentar la
turbina (en la
imagen inferior)
el vapor debe
haber alcanzado
400º C y 40
bares de presión.
transferencia de calor. Cuando estos depósitos son
del condensado o de aporte directo); una a la entrada
homogéneos y cristalinos se habla de incrustaciones y
de las calderas; dos correspondientes a cada uno de
suelen tratarse con fosfato que da lugar a fangos o
los calderines, punto donde se introduce el fosfato en
lodos. Todos estos depósitos se tratan con fosfato,
el circuito; otras dos muestras de vapor de cada
fosfonatos, quelatantes y polímeros.
caldera; y la última al aerocondensador.
El control de todas estas muestras y de los parámetros
Se hace, por tanto, necesario controlar la calidad del
indicados requiere mucho tiempo y esfuerzo. Téngase
agua que circula para mantener los circuitos en
en cuenta que cabe multiplicar siete puntos de
condiciones óptimas para la transferencia de calor y
muestreo por ocho parámetros a analizar. El tiempo
minimizar la corrosión y la formación de depósitos.
necesario para realizar todos los análisis es de ocho
horas.
¿Cómo se realiza ese control?
Un equipo de investigadores del Departamento de
Tomando el ejemplo de la planta incineradora de
Química de la UIB, dirigidos por el doctor Rafael
Mallorca, el número de muestras a analizar para
Forteza, se planteó desarrollar un sistema de análisis
realizar ese control son siete, debido a que la planta
del agua del circuito agua-vapor que redujera la
posee dos líneas de incineración en funcionamiento y,
complejidad y el tiempo necesario para la realización
por tanto, el ciclo agua-vapor tiene dos calderas, una
de los controles.
por cada línea, mientras que el resto de elementos son
Para ello aplicaron a la problemática específica de las
comunes para las dos líneas. Esas siete muestras se
calderas de agua-vapor la técnica del análisis por
reparten de la siguiente manera: una corresponde al
inyección secuencial (SIA) introducida en 1990 por J.
tanque de alimentación de agua (donde se recibe agua
Ruzicka y G.D. Marshall.
Como su nombre indica, esta técnica se basa en
secuenciar los análisis. Dada una muestra, el método
consiste en aspirar parte de ella y parte de los
reactivos para realizar cada uno de los análisis, uno
tras otro de forma secuencial.
Precisa por tanto de sistemas de impulsión capaces de
realizar esa aspiración y de válvulas de selección, todo
ello controlado mediante un ordenador.
¿Cómo sería el proceso de un sistema de
inyección secuencial?
Haciendo uso de un sistema de impulsión que dispone
de una jeringa de inyección, tanto la muestra a
analizar como los reactivos son aspirados y se
almacenan en un bucle de espera. Posteriormente se
invierte el flujo y se transportan a través de un reactor
(allí donde se produce la reacción química) hasta un
detector. Esta inversión del flujo se realiza para
favorecer la mezcla de la muestra y los reactivos.
El sistema posee un válvula rotatoria alrededor de la
cual están colocados los distintos reactivos que son
aspirados específicamente para cada una de las
reacciones que deben efectuarse.
Todo el sistema se halla automatizado e informatizado,
controlado desde el ordenador.
A la izquierda, el
monitor de
análisis por
inyección
secuencial en el
laboratorio. La
imagen inferior
corresponde a
un esquema del
funcionamiento
del monitor, con
el impulsor de
jeringa y las
válvulas con
tambor giratorio
para seleccionar
los distintos
reactivos, todo
controlado por
un programa
informático.
Las ventajas son múltiples:
- Permite trabajar con volúmenes de reactivo y de
muestra muy pequeños, ya que se aspiran sólo los
necesarios. De esta manera el consumo de los
reactivos y generación de residuos es muy bajo.
- Requiere poco mantenimiento y no se manipulan las
muestras.
- El sistema es muy versátil, puesto que puede
utilizarse para distintas determinaciones sin
modificarlo.
- Permite analizar hasta ocho parámetros, realizando
tres réplicas de cada análisis, es decir 24 análisis en
total y en tan solo 30 minutos.
La comparación por métodos estadísticos de los
resultados obtenidos por el método de inyección
secuencial con el método clásico manual ha arrojado
excelentes resultados ya que no existen diferencias
significativas.
El desarrollo de este monitor multiparamétrico de
análisis por inyección secuencial ha sido probado a
nivel de laboratorio. En una segunda fase, este
monitor podría ser transferido del laboratorio a las
plantas incineradoras para su utilización, sustituyendo
al método actual, manual, más lento y costoso.
A la izquierda,
las escorias tal
como son
extraidas de la
fosa del horno.
Se pueden
apreciar los
fragmentos de
distinto tamaño.
Esta escoria es
sometida a un
primer
tratamiento para
separar la
fracción férrica.
Después es
tamizada
(fotografía de la
derecha) para
separar las
distintas
partículas según
su tamaño.
La reutilización de las escorias
materiales es también muy heterogénea, desde
fragmentos que superan los 10 centímetros hasta
El proceso de incineración de residuos sólidos urbanos
partículas de dimensiones comprendidas entre la
es un sistema que, idealmente, convierte los
arena y la grava. Desde el punto de vista de su
materiales orgánicos en dióxido de carbono y agua.
composición química, las escorias son alcalinas, con
Sin embargo deja residuos inorgánicos que, aunque
un pH comprendido entre 10 y 12,5, siendo la sílice,
con un volumen mucho menor que el correspondiente
hierro, calcio, aluminio, magnesio, sodio y potasio en
a los residuos incinerados, presentan un potencial de
forma de óxidos sus componentes principales (un 75%
impacto ambiental elevado. Reducir ese impacto hasta
del peso total). Si las escorias sólo estuvieran
anularlo y, además, proponer los tratamientos físicos y
compuestas por estos elementos su reutilización seria
químicos que permitan la reutilización de estos
simple, ya que estos son los elementos comunes de
residuos inorgánicos es también el objetivo del
los materiales geológicos. Sin embargo, en las
proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia y
escorias pueden también estar presentes otros
Tecnología en el que también se ha desarrollado el
elementos tales como cloro, zinc, cobre, plomo, cromo,
sistema de inyección secuencial tratado anteriormente.
estaño, arsénico, manganeso, níquel, cadmio,
mercurio, bromo, flúor y yodo; todos ellos en
Los residuos inorgánicos resultantes de la incineración
proporciones mayores a los que se presentan en los
de RSU suponen alrededor de un 30% del volumen
materiales geológicos.
total incinerado. De estos residuos inorgánicos cabe
hacer una primera distinción entre escorias y cenizas.
En cuanto a las cenizas (un 5% de los residuos de la
Las escorias son el subproducto incombustible del
incineración de RSU) se trata de partículas de
proceso de incineración que se recoge en las fosas del
pequeño diámetro, compuestas esencialmente por
horno. Las cenizas, originadas en la cámara de
silicio, calcio, aluminio. cloro, sodio, potasio, azufre y
combustión son recogidas a la salida del horno y en
hierro. También poseen cantidades sustanciales de
los distintos filtros. Veamos las características físicas y
zinc, magnesio y plomo; y trazas de titanio, bario,
químicas de cada una de ellas:
estroncio, manganeso, cobre, cromo, cadmio, etc., así
como un pequeño porcentaje de carbono orgánico.
Las escorias son una mezcla heterogénea de metales,
compuestos cerámicos, vidrios, minerales, y otros
El equipo de investigadores del Departamento de
materiales no combustibles. La medida de estos
Química de la UIB dirigidos por el doctor Rafael
Imagen de la
escoria aun sin
tamizar pero a la
que se ha
eliminado la
fracción férrica.
Forteza y en colaboración con la Dra Concepción
Los investigadores partieron de muestras de escorias
Seguí del Departamento de Física de la UIB centró su
de mil kilógramos, recogidas en la misma fosa de
estudio en el tratamiento de las escorias para su
escorias. Siguiendo la metodología habitual en la
posible reutilización. En el caso de las cenizas, los
planta incineradora, se retiró la fracción férrica
investigadores realizaron pruebas de resistencia
mediante un electroimán. A continuación se eliminaban
después de su inertización y posterior depósito. Los
todas las partículas con un diámetro superior a los 5
estudios se centraron en sumergir bloques de cemento
cm y se extendían bajo cubierto para su
que contenían cenizas tanto en agua como en
caracterización. Sobre estas primeras escorias se
diferentes ácidos, analizando los lixiviados con el
escogían tres tipos de muestra según el tiempo de
objeto de perfeccionar esa inertización.
maduración: un mes, tres meses o seis meses a la
intemperie.
En cuanto a las escorias, se trataba de conocer su
composición y su comportamiento para evaluar la
A partir de estas muestras los investigadores
viabilidad de las posibles aplicaciones especialmente
realizaban los distintos análisis físicos y químicos
para su utilización en subbases de carreteras. Esta
sobre las mismas escorias y sobre sus lixiviados. De
evaluación se hizo teniendo en cuenta:
los resultados cabe destacar los siguientes:
1) las características especificadas en la normativa del
Pliego General de Carreteras PG-3/75 para los
Materia orgánica
materiales utilizados, normativa que hace referencia a
El contenido en materia orgánica, en torno al 4 por
parámetros físicos y geotécnicos: granulometría,
ciento en el caso de una calcinación a 500º C es
plasticidad, compactación, etc.
ligeramente superior al valor recomendado para
2) parámetros y valores máximos admisibles que
escorias reutilizables.
establece la normativa de la Generalitat de Catalunya
para la valorización de las escorias de incineración de
Porosidad
RSU en subbases de carreteras, terraplenes, rellenos
Aunque la escoria es porosa, con un volumen de
y restauración de áreas degradadas por la extracción
vacíos del 10% respecto al volumen total, la densidad
de áridos. Esta normativa sí hace referencia a
del conjunto es parecida a la de los áridos naturales
parámetros analíticos, determinados tanto sobre las
(2,4g/cm3 de promedio), aunque para alcanzar esta
escorias como sobre sus lixiviados: contenido de
densidad las partículas deben situarse entre unos
metales pesados, fracción soluble, etc.
límites máximos y mínimos de dimensiones.
Lixiviados
adición de áridos naturales será necesaria.
Aunque el contenido en plomo resultó ser muy elevado
En cuanto a la seguridad ambiental, tanto la escoria,
en el momento de la recogida de la escoria, los
como sus lixiviados son seguros, siempre que se deje
investigadores comprobaron como el tiempo de
aquella reposar durante un mínimo de un mes para
maduración (mínimo de un mes) reduce
que el proceso natural y espontáneo de carbonatación
considerablemente el contenido en plomo, gracias a
elimine el exceso de plomo.
procesos de carbonatación y oxidación. Las pruebas
La reutilización de escorias en subases de carreteras
efectuadas, además, con escorias inertizadas con
es práctica común en varios países europeos como
hormigón han dado resultados muy favorables
Dinamarca, Alemania, Holanda y Suecia. También se
respecto a los lixiviados.
reutilizan en Estados Unidos.
Según las conclusiones del estudio, la escoria
Una vez concluido el primer proyecto de investigación,
resultante de la incineración de RSU resulta un
la empresa Tirme SA, gestora de la incineradora de
material apropiado para la realización de capas (bases
Son Reus, en Palma, construyó una planta específica
y subbases) granulares de las carreteras, si bien cabe
para la reutilización de las escorias. En dicha planta,
refinar la granulometría.
éstas son sometidas a la eliminación de la fracción
Según los investigadores, la utilización de la escoria
férrica. Posteriormente, las escorias son tamizadas y
en bases de grava-cemento y en pavimentos de
separadas en diversas fracciones de granulometría
hormigón sería factible, siempre que se refine esa
homogénea. Las partículas más finas son reutilizables
granulometría y se aumente la resistencia al desgaste.
para la fabricación de otros productos como bordes de
Ambas cosas pueden conseguirse mezclando la
aceras o incluso baldosas, previamente inertizadas
escoria con áridos naturales. En este sentido, los
con cemento. Sin embargo, sólo la fracción de grava
investigadores han constatado que la presencia de
es utilizable como base para carreteras.
vidrio en las escorias aumenta esa resistencia al
desgaste.
La empresa TIRME es la primera interesada en
abordar la segunda fase del estudio, una fase
Se advierte también que un aumento de la recogida
selectiva tendrá como consecuencia un descenso en
la fracción de vidrio en las escorias, por lo que esa
Vista general de
la planta de
tratamiento de
escorias. Estas
son
amontonadas
según su
granulometría.
Antes de
cualquier
reutilización
deben pasar por
un periodo de
maduración para
que de manera
natural se
produzca la
carbonatación
que elimina el
exceso de
plomo.
tendente a la reutilización efectiva de las escorias.
Proyecto financiado
Referencia: PPQ2001-0347.
Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología
Titulo: Contribución a la valorización de productos resultantes de la incineración de residuos sólidos urbanos.
Acrónimo: VALSRU
Periodo: 2001-2004
Investigador responsable
Rafael A. Forteza Coll, profesor de
Química Analítica.
Departamento de Química
Edificio Mateu Orfila i Rotger
Tel.: 971 17 24 81
e-mail: rafel.forteza@uib.es
Otros miembros del equipo
Departamento de Química
Víctor Cerdà Martín, catedrático de Química Analítica
Francesca Mas Torres, profesora ayudante
Enrique Gómez Benito de Valle, profesor asociado
María Micaela Far Sánchez, becaria
Departamento de Física
Concepción Seguí
Entidades e instituciones colaboradoras
Frederic Theraulaz, Universidad de Provence
Bruno Coulomb, Universidad de Provence.
Maria Teresa Oms Mollà, Incineradora RSU de Son Reus (Mallorca)
Amalia Cerdà Lacaci, TIRME
Francesca Bauzà de Mirabó Darder, TIRME.
Publicaciones
R. Forteza, M. Far y V. Cerdà. "Propiedades físicas y químicas de las escorias resultantes de la incineración de
residuos sólidos urbanos". Retema, 91, 9 - 19 (2002).
R. Forteza, M. Far, C. Seguí, y V. Cerdá. "Characterization of bottom ash in Municipal Waste Solid Incinerators
for their use in road base" . Aceptado para su publicación en la revista Waste Management.
Comunicaciones a congresos
F. Bauzá de Mirabó , Z. Legnerová, M.T. Oms , R. Forteza y V. Cerdà "Sequential injection analysis
determination of phosphates and silicates in power plant steam waters". VII Int. Symp. on Anal. Methodology in
the Environm. Field Valladolid. 2002.
F. Bauzá de Mirabó, M.T. Oms, R. Forteza, y V. Cerdà. "Sistema múltiple de análisis por inyección secuencial
para la monitorización de la calidad del agua de un sistema de cogeneración de energía". X Jornadas de Análisis
Instrumental. Barcelona. 2002.
F. Bauzá de Mirabó, M.T. Oms, R. Forteza and V. Cerdà. "Sistema por Inyección Secuencial para la
determinación de la conductividad del agua de un sistema de generación de vapor". VIII International
Symposium on Analytical Methodology in the Environmental Field / XIII Reunión de la Sociedad Española de
Química Analítica. A Coruña. 2003.