La incineración y la destrucción térmica

INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
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Capítulo 3: La incineración y la destrucción térmica
Índice:
1. NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN............................................................. 2
1.1. TIPOS DE REACCIONES EN LA COMBUSTIÓN ......................................... 3
1.2. EL PROCESO DE INCINERACIÓN............................................................... 6
1.2.1. EL CALENTAMIENTO DEL RESIDUO................................................... 7
1.2.2. FACTORES RELATIVOS A LA NATURALEZA DEL RESIDUO ............ 7
1.2.3. FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL RESIDUO ........................ 8
1.2.4. FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR ............... 9
1.3. EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN ................................................................ 11
2. LA INCINERACIÓN........................................................................................... 13
2.1.LA OXIDACIÓN............................................................................................ 13
2.2.EFECTOS DE LA ISOTERMIA SOBRE LA CALIDAD DE LA DESTRUCCIÓN
........................................................................................................................... 15
2.3.INCIDENCIA AMBIENTAL DE LA INCINERACIÓN...................................... 16
3. NOCIÓN DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA.......................................................... 19
3.1. EFICIENCIA DE LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA ......................................... 20
3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN HORNO .............................................. 22
3.3.LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA..................................................................... 22
3.4. CASO PARTICULAR DE LOS ORGANOCLORADOS ................................ 23
4. LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DE LOS HORNOS ........................ 24
4.1. PERFIL DE TEMPERATURAS EN UNA PLANTA INCINERADORA ........... 24
4.2. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS....................................................... 24
5.CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN ................................................................ 25
5.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CAMARA DE
POSTCOMBUSTIÓN ......................................................................................... 25
5.2.EJECUCIÓN DE CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN................................ 25
6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN .......................................................................... 26
6.1. INCINERACIÓN CON VITRIFICACIÓN....................................................... 26
6.2. INCINERACIÓN DE RESIDUOS SANITARIOS........................................... 26
Xavier Elías
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1. NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN
Con el nombre de combustión se designa toda reacción química que va
acompañada de gran desprendimiento de calor. Sin embargo, la combustión
propiamente dicha es una oxidación rápida que produce el calor y la temperatura
suficientes para que haya luz, bien sea con llama o sin ella. En el caso de que no
exista la llama la combustión se denomina lenta, como puede ser la combustión de
un cigarrillo. Cuando existe llama la combustión se denomina viva, como por
ejemplo la de una cerilla, el fuego del carbón en una caldera, etc.
De un modo amplio y general se llaman combustibles aquellos cuerpos que arden,
es decir, que se combinan con el oxígeno, reservándose para éste (o el aire) el
nombre de comburente. Sin embargo, actualmente, y desde un punto de vista más
riguroso y más científico, los conceptos de combustión, combustible y comburente
abarcan un campo más amplio; por ejemplo, la variada y no bien conocida serie de
combustibles sólidos y líquidos especiales empleados en astronáutica. Conocida
es en la industria química inorgánica la reacción entre el cloro y el hidrógeno
gaseosos para formar ácido clorhídrico, reacción que tiene lugar con gran
desprendimiento de calor, alta temperatura y formación de llama, tratándose por
tanto de una combustión, lo cual no quiere decir que se considere como tal
técnicamente, porque actualmente tales combustiones resultarían inaceptables por
anti-económicas, y por producir gases (ClH) inadmisibles para su emisión a la
atmósfera.
Para que tenga lugar la combustión han de mezclarse combustible y comburente
cuanto más íntimamente mejor y, ya que la combustión en general no es
espontánea, así iniciar la combustión con un punto de ignición, es decir, con un
foco calorífico (aunque sea pequeño) de elevada temperatura, como ocurre, por
ejemplo, con la chispa de la bujía en la mezcla gasolina-aire.
La combustión es tanto más perfecta cuanto más fácilmente se mezclan el
combustible y el comburente; por ello son magníficos combustibles los gases y los
líquidos fácilmente vaporizables, y también por la misma razón, entre otras, se
quema hoy día más carbón pulverizado que en trozos.
Los combustibles sólidos y líquidos deben pasar por una fase previa de
gasificación para que se desprendan los volátiles. Las reacciones de combustión
siempre tienen lugar en fase gaseosa.
Para que la combustión tenga lugar y sea estable, necesita una temperatura
elevada. La combustión sólo tiene lugar a temperatura elevada. Si el
desprendimiento de calor provocado por la combustión es suficiente para
mantener esta elevada temperatura, la combustión proseguirá, la llama será
estable.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
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Por tanto, antes de empezar la combustión, el combustible debe ser llevado a su
temperatura de inflamación, de las que se indican algunas:
Para la hulla .
.
.
Para el lignito
.
.
Para el coque
.
.
Para el petróleo
.
.
Para el gas de gasógeno .
Para el gas del alumbrado .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
400-500ºC
250-450ºC
700-750ºC
530-580ºC
700-800ºC
700-800ºC
En el caso que nos ocupa de los residuos sanitarios, por lo general al ser sólidos
de bajo poder calorífico e inflamabilidad, la temperatura mínima recomendada es
de 850ºC.
Cuando se cumplen las tres condiciones:
- Temperatura suficiente
- Presencia adecuada de combustible
- Presencia adecuada de comburente
Tiene lugar la combustión por combinación química del combustible y del
comburente.
1.1. TIPOS DE REACCIONES EN LA COMBUSTIÓN
Tomando el caso del metano para simplificar, se pueden distinguir 3 tipos básicos
de combustiones:
COMPLETAS: Cuando las reacciones están totalmente desplazadas hacia la
derecha, con independencia del exceso de aire empleado (todos los productos de
la combustión están oxidados. Así pues en los gases de combustión sólo existirá:
CO2, H2O, N2 y cantidades variables de O2) . La reacción típica será:
CH4 + 3O2 → 2 H2O + CO2 + O2 + CALOR
ESTEQUIOMÉTRiCA: Es aquella combustión completa que se ha llevado a cabo
sin exceso (ni defecto) de aire. Esta condición es necesaria pero no suficiente ya
que además la mezcla combustible-comburente debe ser total y homogénea. En
caso contrario, habría zonas en las que las moléculas del combustible no
encontrarían a las moléculas del comburente. Si se cumplen estas condiciones
obviamente los únicos productos de la combustión serán: CO2, H2O, N2 y la
temperatura alcanzada será la máxima.
CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR
Xavier Elías
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INCOMPLETAS: Son aquellas en que los gases de combustión contienen
compuestos parcialmente oxidados (inquemados) como el monóxido de carbono,
combustibles sin oxidar como el hidrógeno, partículas de carbón, etc. Estas
combustiones pueden efectuarse con exceso o con defecto de aire.
2CH4 + 2O2 → H2O + CO + CO2 + 3H2 + CALOR
Tomando una reacción elemental, como la combustión del metano:
CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR
los cálculos elementales de las reacciones de combustión se establecen a partir
de la tabla siguiente.
Tabla. Cantidades de masa
ELEMENTOS
CH4
O2
à
CO2
H2O
Moles
1
2
à
1
2
Peso
16
2*32 = 64
à
44
2*18 = 36
Cálculos en volumen
Un volumen de CH4 da un volumen de CO2 y necesita dos volúmenes de O2.
Como que el % en volumen de O2 en el aire es del 21 %, la cantidad de aire será
de (2 * 100) / 21 = 9,52. O sea un mol (que en condiciones normales son 22,4 l)
necesita para arder en condiciones de estequiometría 9,52 veces de aire. O lo que
es lo mismo, 1 m3 de metano precisa 9,52 m3 de aire y da lugar a 1 m3 de CO2. La
tabla siguiente ilustra el caso de una reacción estequiométrica.
Tabla. Volúmenes en reacción estequiométrica
CH4
1 m3
+
Aire
à
CO2
9,52 m3
à
1 m3
+
H2O
2 m3
+
N2
7,52 m3
y la composición, en volumen, de los productos secos de la combustión serán:
• CO2:
• N2:
11,74 %
88,26 %
Nota: Lo normal es dar la composición de los gases secos, habiendo deducido el
agua, ya que en muchas ocasiones ésta condensa y deja de formar parte de los
gases de emisión.
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Cálculos en peso
Teniendo en cuenta que, en peso, el porcentaje de O2 en el aire es del 23 %, para
combinar estequiométricamente 1 Kg de metano se precisa:
1 kg CH4
x
----------------- = ----------------16 g CH4
64 g O2
donde “x” son 4 Kg de O2, que en forma de aire será: (4 * 100) / 23 = 17,39 Kg, y
dará lugar a los siguientes productos de la combustión:
CO2
1 kg CH4
y1
----------------- = ----------------16 g CH4
44 g CO2
donde “y1" son 2,75 Kg de CO2.
H2O
1 kg CH4
y2
----------------- = ----------------16 g CH4
32 g H2O
donde “y2" son 2,25 Kg de H2O.
N2
N2 = 17,39 x 0,77 = 13,39 Kg
En términos de emisión la ecuación deberá escribirse como ilustra la tabla
siguiente.
Tabla. Cantidades másicas en la combustión
CH4
1 Kg
+
Aire
à
CO2
17,39 Kg
à
2,75 Kg
+
H2O
2,25 Kg
Esta cantidad de aire se denomina aire mínimo o estequiométrico.
Si se precisa un 50 % de exceso de aire la masa en juego será:
Aire total = 1,5 × 17,39 = 26,08 Kg aire
+
N2
13,39 Kg
Xavier Elías
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1.2. EL PROCESO DE INCINERACIÓN
La incineración no es exactamente una combustión. De hecho es un proceso muy
complejo donde, evidentemente, la combustión juega un papel esencial.
Los sólidos, aunque su poder calorífico sea importante, no reaccionan con el
oxígeno del aire como es obvio. Hay que someterlos a un determinado nivel de
temperatura para que se inicien una serie de reacciones químicas y físicas. Para
comprender el fenómeno de la incineración es necesario tener en cuenta, a la vez,
las operaciones de transferencia de materia y transmisión de calor tanto en la fase
sólida como en la gaseosa y entre ambas.
El calor desarrollado en la combustión, o bien el quemador inicial cuando se inicia
la operación, es transferido al resto del residuo lo que provoca:
•
•
•
•
•
•
Evaporación del agua residual.
Calentamiento del sólido o líquido.
Vaporización de compuestos.
Gasificación de la materia orgánica.
Pirólisis de otra fracción de la materia orgánica.
Combustión total o parcial de otra fracción de la materia orgánica.
La figura simboliza las fases o etapas descritas en el proceso de incineración.
El hecho de que se desarrolle mas o menos una de estas fases depende del tipo
de horno y de la forma en que se lleve a cabo la primera etapa de calentamiento.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
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El calentamiento tiene lugar en el horno. Los factores que propician una mayor o
menor, con independencia claro está de la caracterización del propio residuo,
intensidad de las etapas antes enumeradas son:
• Tipo de horno. De parrilla, rotatorio, lecho fluidizado, etc.
• Forma de la transferencia de calor hacia el residuo.
• Exceso de aire en el proceso.
1.2.1. EL CALENTAMIENTO DEL RESIDUO
Se pueden distinguir tres etapas:
- La primera etapa de temperatura, hasta los 300ºC, corresponde a la
eliminación del agua y al comienzo de la fase de volatilización. En esta etapa,
los compuestos más volátiles o cuyo punto de ebullición sea inferior a 300ºC se
desprenden en forma de gas. A partir de esta temperatura, 300ºC, comienzan
las reacciones de combustión.
- La siguiente etapa abarca desde los 300 hasta los 1.000 ºC y es
considerada la zona fundamental. Corresponde a la oxidación de la materia
orgánica con la consiguiente formación de SOx y CO2. En esta etapa se
suceden y superponen una serie de fenómenos. A los 300ºc se produce la
oxidación de los sulfuros y posteriormente la formación de SOX. Al mismo
tiempo se produce la descomposición de la materia orgánica. Mientras todo
esto sucede (si hay productos fundentes) hacia los 700ºC, se producen
sinterizaciones. A mayor temperatura y en función de la naturaleza reductora
del medio, las reacciones de gasificación, es decir las combustiones en defecto
de aire, toman fuerza. Esto provoca que el equilibrio se desplace y se formen
CO y SOx. A partir de los 900ºC se inicia la formación de NOx de origen térmico
a partir del nitrógeno del aire y se ve favorecida la fase vítrea de la escoria
formada.
- En la última etapa, a partir de los 1000ºC, se inicia la volatilización de
metales pesados (Cadmio, Níquel, Zinc,...) y continúa el desprendimiento de
NOX. En esta etapa, es cuando hay mayor peligro de contaminación
medioambiental debido a la volatilización de los metales.
1.2.2. FACTORES RELATIVOS A LA NATURALEZA DEL RESIDUO
Los residuos, y en particular los sanitarios, son compuestos complejos y durante el
proceso de incineración es posible la formación de compuestos que no han sido
identificados a la entrada.
El nombre genérico de estos compuestos es el de “Productos de la Combustión
Incompleta” (PCI). Por lo general estos compuestos pertenecen a la extensa
Xavier Elías
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familia de los alquitranes. Parece obvio que, no estando presentes en la
composición inicial del residuo, no debe permitirse que la generación de estos
compuestos supere una concentración de 100 µg/g, o bien 10-7g/g con respecto la
cantidad entrante.
Los productos de la combustión incompleta tienen un origen complejo y, por lo
general, se deben a las numerosas reacciones intermedias que tienen lugar en las
fases de alta temperatura.
La tabla siguiente muestra una relación de los PCI mas frecuentemente hallados
en la incineración de residuos especiales.
Compuesto volátil
Benceno
Tolueno
Clorobenceno
Cloruro de metileno
Tetracloruro de carbono
Cloroformo
Tetracloroetileno
1, 11-Tricloroetano
Compuesto semivolátil
Fenil
Naftaleno
Butilbencilftalato
Dietilftalato
Bis (2-etilexil)ftalato
Es de notar que los hidrocarburos que aparecen en la tabla son volátiles o
semivolátiles. De lo cual se deduce que la etapa de gasificación, pirólisis y
vaporización que se realiza en el horno es necesaria pero no suficiente para
asegurar su destrucción.
De ahí la importancia de la cámara de postcombustión. La combustión de
productos clorados ha demostrado la tendencia a la formación de inquemados y
pueden formar compuestos exentos de cloro a causa de la debilidad del enlace CCl. Estos productos a lo largo de la instalación interaccionan de nuevo para dar
lugar a reacciones de recombinación para formar otros hidrocarburos clorados.
1.2.3. FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL RESIDUO
No es suficiente con el hecho que el combustible posea un determinado PCI para
garantizar un éxito en su combustión. Es preciso que el combustible esté bien
subdividido para que la superficie específica sea la mayor posible.
Esta
circunstancia, si bien deseable, a veces es imposible en el caso de los residuos
sanitarios puesto que la ley obliga a incinerarlos tal y como llegan a planta, esto es
en el interior de los contenedores de plástico.
Hay que tener presente que todas las reacciones de combustión tienen lugar entre
gases y vapores. En el caso de los combustibles sólidos y líquidos es preciso una
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
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previa vaporización, destilación y gasificación para convertirlos en gases y así
favorecer la combinación con el oxígeno del aire.
En el caso de los combustibles líquidos la subdivisión de las partículas se denomina
atomización y esto se consigue en unas boquillas o dispositivos especiales que
tienen por misión reducir al mínimo el tamaño de la gota de líquido. Mientras que si
se desean muchas gotas y de pequeño tamaño para que la superficie expuesta a la
radiación sea máxima es necesario pulverizar el líquido. Esto se consigue en los
quemadores.
Para el caso de los combustibles sólidos el problema es paralelo y el efecto se
denomina micronización del combustible (subdivisión de las partículas). En este caso
hay que recurrir a los diversos tipos de molinos que existen en el mercado para
conseguir una reducción del tamaño.
1.2.4. FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR
La transmisión de calor tiene lugar de tres maneras: conducción, convección y
radiación. Estas tres formas de transmitir el calor están ligadas a una diferencia de
temperatura, ya que el calor siempre pasa del cuerpo caliente al más frío.
La transmisión de calor por conducción tiene lugar en el interior de los cuerpos sin
que haya desplazamiento de la materia, puesto que el calor es atribuido al
movimiento vibratorio de las partículas (moléculas, átomos, iones) que, por su
proximidad, ceden la energía calorífica en forma de energía vibrante. Lo que
ocurre es que la partícula que tiene mayor temperatura vibra más rápidamente que
la que está más fría, cediendo energía y perdiendo temperatura, al mismo tiempo
la partícula que estaba fría gana temperatura y energía vibrante.
La transmisión de calor por convección tiene lugar en los fluidos. En este caso,
nuevas partículas de fluido sustituyen a las que, ya calientes, se despegan de la
superficie de calefacción. Como se trata de un verdadero transporte de calor, será
tanto más intenso cuanto mayor sea la velocidad del desplazamiento de las
moléculas fluidas, lo que se consigue provocando una fuerte caída de presión o
por medio de agitadores (convección forzada).
La transmisión de calor por radiación tiene lugar siempre que se encuentran dos
superficies separadas una de otra por un medio permeable a las radiaciones
caloríficas. Los medios conocidos más permeables para las radiaciones caloríficas
son el vacío y el aire (tanto mejor cuanto más limpio y seco).
En un horno, es preciso un nivel de temperatura para generar los volátiles. Esta
temperatura se alcanza mediante el aporte de energía en forma de calor. En la
combustión, el calor se transmite desde el foco emisor hacia la carga o combustible
por convección y por radiación.
A continuación se muestran las fórmulas para la convección y la radiación.
Xavier Elías
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La convección
A continuación se muestran las fórmulas para la transferencia de calor por
convección y la del coeficiente de convección.
d 0, 2 K
Fórmulas para la convección: QC = hC· S· (T1 − T2 ) ; hC = 0,020· 0,3 v 0,8
υ
QC = calor por convección en Kcal/h
hC = coeficiente de convección en Kcal.m-2h-1K-1
d = diámetro en m
K = conductividad térmica de los gases en Kcal. m-1.h-1.K-1
υ =viscosidad cinemática de los gases en m2.h-1
v = velocidad de los gases m.h-1
En resumen, a efectos prácticos puede concluirse que la tasa de transmisión de
calor por convección aumenta en la medida que lo hace la velocidad de circulación
de gases.
Es preciso aumentar mucho la velocidad para tener un valor significativo de la
transferencia de calor. Ahora bien si la velocidad es elevada, en la incineración el
arrastre de partículas es muy importante y con ello la generación de inquemados.
La radiación
Las fórmulas que gobiernan la transferencia de calor por radiación son:
(
)
QR = hi· S Te − T p ;
4
4
(T
= σ· e·
4
e
4
)
− Tp )
QR = calor por radiación en Kcal/h
hi = coeficiente de radiación en Kcal.m-2h-1K-1
σ (constante de Stefan Boltzmann) = 4.9·10-8 Kcal.m-2h-1K-1
e (emisisvidad global relativa de la llama): 0<e<1
Te = temperatura emisor en K
Tp = temperatura paredes en K
hi
(T
− Tp
e
La tasa de transferencia de calor por radiación es muy superior a la de
convección, en particular a alta temperatura motivo por el cual es conveniente
potenciar la zona radiante.
La isotermia
Este es el motivo por el cual, siempre que sea posible debe potenciarse la zona
radiante, en particular cuando el residuo a incinerar es sólido.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
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El factor que más contribuye a la mala isotermia es la calidad de la tasa de
transferencia de calor. La radiación térmica se transmite en línea recta, por lo que
se debe garantizar una correcta transferencia de calor en todos los puntos del
combustible a incinerar. A mayor temperatura, la radiación térmica es muy eficaz,
siempre y cuando se permita la correcta transferencia de calor. En la mayoría de
los hornos la propia carga actúa de pantalla térmica y reduce la tasa de
intercambio calorífico.
Se observa en la figura de la izquierda como la carga puesta en el horno actúa de
pantalla térmica. Los puntos expuestos se quemarán con más facilidad y los
internos quedarán tal cual. Mientras que en la figura de la derecha, al tener un
horno de sección transversal “lineal”, la carga está irradiada homogéneamente.
1.3. EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN
En los procesos industriales es difícil conseguir una combustión completa, o sin la
presencia de inquemados. Durante el proceso de combustión se presentan
oscilaciones de la temperatura que es preciso corregir de manera constante. Esta
corrección suele llevarse a cabo por medio de la cantidad de aire.
Cuando la masa de comburente varía la hidrodinámica de la mezcla se altera y las
probabilidades de que aparezcan inquemados, aunque sea de forma instantánea, es
muy grande. De hecho esta contingencia ya la prevé el diagrama de combustión,
donde la posibilidad de tener inquemados es muy elevada.
100
99,95
50 ppm CO
Eficienci
99,9
a
100 ppm CO
150 ppm CO
99,85
200 ppm CO
99,8
99,75
9
1
1
1
1
1 de Escape
2 por Unidad
3 de
% CO2 0
en los Gases
Volumen
1
4
1
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Xavier Elías
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El primer inquemado, y más común, que aparece es el monóxido de carbono (CO).
Se trata de un gas venenoso, cuya ecuación de formación:
CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CO (trazas)
indica, suponiendo que la mezcla sea correcta, que:
- Cuanto más carbono este presente en el combustible, mayor
potencial de formación de CO.
- La producción de CO disminuye con el incremento del exceso
de aire.
- La producción de CO aumenta con el incremento de la
temperatura.
Se define la eficacia de la combustión (CE) como el resultado de:
CO2
CE = 100 x --------------CO2 + CO
Si bien desde el punto de vista técnico una CE = 99%, es un buen resultado,
transponiendo este valor a la ecuación anterior resulta CO = 0,08081 %, o sea 808
ppm de CO, valor inaceptable desde la óptica medioambiental. La gráfica indica la
evolución del CO en función de la CE.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
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2. LA INCINERACIÓN
2.1.LA OXIDACIÓN
La combustión se define como una oxidación rápida de la materia combustible con
desprendimiento de calor. Así pues se precisa, en primera instancia, que el residuo a
oxidar tenga, al menos, uno de los tres únicos elementos susceptibles de
combinarse con el oxígeno con liberación de calor: C (carbono), H (hidrogeno) y S
(azufre).
Los combustibles sólidos y líquidos deben pasar por una fase previa de gasificación
para que se desprendan los volátiles. Las reacciones de combustión siempre tienen
lugar en fase gaseosa (reacciones homogéneas). Existen reacciones heterogéneas
(sólido-gas) que tienen una cinética mas complicada y, desde el punto de vista
ambiental, son mucho más conflictivas.
Otro factor indispensable es la mezcla íntima y adecuada del combustible (se
entiende los volátiles) y el comburente, que suele ser aire.
Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta se debe producir la ignición. A partir
de este momento el calor generado permite mantener un nivel de temperatura que
asegura la continuidad de la reacción.
En la combustión de un sólido se desarrollan una serie de complejas reacciones
químicas, llevadas a cabo mediante radicales libres. Para la descripción completa del
mecanismo es necesario tener en cuenta, las operaciones de transferencia de
materia y transmisión de calor que ocurren tanto en la fase sólida como en la
gaseosa y entre ambas.
En el caso que nos ocupa el combustible siempre es un residuo, una mezcla de gran
diversidad de componentes o bien composiciones químicas complejas.
El calor desprendido en la combustión de un sólido es absorbido por el resto del
combustible existente, aprovechándose una parte para vaporizar el agua existente
como humedad y por otra para calentar el seno del sólido hasta iniciar su fase de
volatilización.
En la fase de volatilización depende de la composición del sólido, la temperatura y
de la cantidad de oxígeno disponible, puede llevarse a cabo de dos formas
distintas:
Ø
Pirolisis. Se produce cuando existe ausencia de oxígeno aunque este
sea puntual. Se inicia a una temperatura entre 250 y 350ºC el resultado es
la formación de gases como CO, CO2, CH4 y un sinfín de hidrocarburos y
Xavier Elías
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un sólido carbonizado de alto contenido en carbono (coque). Está
favorecido por el pequeño tamaño de las partículas, así como incrementos
bruscos de temperatura.
Ø
Fusión y ebullición o bien sublimación. El cambio gradual o no de
estado hasta la fase gaseosa.
La combustión de los residuos debe generar la energía térmica suficiente como
para que el proceso continúe sin necesitar aportaciones importantes de un
combustible adicional.Puede aplicarse a residuos sólidos, líquidos o gaseosos.
El residuo ideal para la incineración, desde el punto de vista económico, es aquel
que contenga una alta proporción de materia orgánica y baja de agua e inertes, de
forma que pueda ser quemado sin el empleo de combustible adicional y con el
aprovechamiento del calor producido, para dar lugar a un residuo final cuyo
volumen representa no más que una pequeña fracción del de partida. En algunos
casos, se recupera con fines industriales, energía en forma de vapor o electricidad
o también materiales tales como el ácido clorhídrico o sulfúrico.
Con la incineración se busca oxidar el carbón y el hidrógeno presente en los
residuos. Los incineradores deben contar con doble cámara: una primaria con
temperatura entre 600 y 850 ºC; y una secundaria con 1200ºC, además debe
contar con filtro y lavador de gases, según los contaminantes esperados.
Los procesos de incineración incluyen: sistemas de oxidación térmica; procesos
industriales a altas temperaturas en los que se utilizan los residuos como
combustible y tecnologías de vanguardia que utilizan altas temperaturas, tales
como sales licuadas, plasma u hornos eléctricos.
El aspecto más interesante de la incineración es su carácter de solución final, en
cuanto que consigue la destrucción de los contaminantes. El atractivo de la
incineración, y lo que determina su interés, radica en la importancia de la
disminución del volumen final de residuos respecto a las cantidades procesadas y
en la eliminación o reducción sustancial de la toxicidad y/o peligrosidad de los
mismos.
Los procesos de incineración de residuos tóxicos y peligrosos se diseñan
incluyendo diversos dispositivos de control de las emisiones a la atmósfera. En la
mayoría de los casos, éstos se concretan en la utilización de las cámaras de
postcombustión, en el lavado de gases.
Las cámaras de postcombustion se utilizan para controlar la emisión de
subproductos orgánicos no quemados, proporcionando un volumen adicional de
combustión y, en consecuencia, un mayor tiempo de combustión a temperatura
elevada.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
15
Los factores más importantes para el buen diseño y funcionamiento de un
incinerador son la temperatura de combustión, el tiempo de permanencia del gas
de combustión y la eficacia de la mezcla del residuo con aire de combustión y
combustible de apoyo. Estos parámetros varían según la estructura química y
forma física del residuo y el tipo de técnica de incineración empleada.
Las propiedades químicas y termodinámicas del residuo, que son importantes
para determinar sus requisitos de tiempo y temperatura de destrucción, son su
composición elemental, su poder calorífico inferior y cualquier otra cualidad
especial que pueda requerir consideraciones especiales de diseño. Es preciso
conocer el porcentaje de carbono, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, azufre,
halógenos y fósforos en el residuo, así como su contenido de humedad, para
determinar los requisitos estequiométricos de aire de combustión y precombustión.
2.2.EFECTOS DE LA ISOTERMIA SOBRE LA CALIDAD DE LA DESTRUCCIÓN
Conjunto de factores endógenos, inherentes al propio combustible como las
alteraciones en el poder calorífico y, principalmente exógenos o dependientes de
la geometría y sistema de funcionamiento de los hornos conduce a que la
distribución de temperaturas en su interior sea bastante irregular. O sea las
temperaturas no son regulares en una misma sección transversal del horno.
El factor que más contribuye a la mala isotermia es la calidad de la tasa de
transferencia de calor. A mayor temperatura la radiación térmica es muy eficaz,
siempre y cuando se permita la correcta transferencia, puesto que se transmite en
línea recta. En la mayoría de los hornos la propia carga actúa de pantalla térmica y
reduce la tasa de intercambio calorífico.
El otro factor deviene como consecuencia del régimen de presiones internas en la
cámara de combustión. Una cámara muy presionada, si bien mejora la isotermia,
aumenta las pérdidas de calor lo que puede propiciar fugas de contaminantes. Una
cámara depresionada provoca estratificaciones de láminas de fluidos que empeoran
la distribución de temperatura.
Desde el punto de vista medioambiental, y de destrucción térmica, es evidente que
se precisa un nivel térmico determinado para que el proceso sea efectivo, de ahí el
interés en que la isotermia sea lo más perfecta posible. Por lo general las llamas
generadas en la zona de la parrilla conduce a que las temperaturas en esta sección
sean muy dispares. La temperatura estática que indica el pirómetro inserto en la
bóveda de la cámara poco tiene que ver con las diversas temperaturas reales en
otras tantas zonas del horno.
Xavier Elías
16
2.3.INCIDENCIA AMBIENTAL DE LA INCINERACIÓN
La correcta ubicación de la planta de incineración implica la minimización de
impactos ambientales, antes que la prevención de los mismos mediante medidas
correctoras, disminuyendo riesgos sobre la salud de la población.
Recomendaciones para la correcta instalación de una planta de incineración:
•
Es evidente la necesidad de una estabilidad geológica en la zona de
ubicación, evitando fenómenos, corrimiento de suelos, deslizamientos,
hundimientos o actividad sísmica. Los suelos óptimos son los de baja
permeabilidad.
•
Se descartan las áreas que presentan limitaciones a la dispersión de
las emisiones, ya sea por inversiones térmicas, regímenes inadecuados de
vientos en dirección o velocidad, períodos de calma.
•
Bajo nivel de precipitaciones, con el fin de reducir la rápida
deposición de los gases y la generación de efluentes pluviales en la planta.
•
Es aconsejable el alejamiento de la instalación de cursos fluviales y
sistemas acuíferos, ya que, la proximidad de las superficies de agua
implica un riesgo de contaminación de las mismas por deposición de los
contaminantes emitidos a la atmósfera.
•
La localización de las plantas de incineración, deben orientarse a
zonas de baja calidad paisajística y alta capacidad de enmascaramiento y
ocultación.
•
Incluir la no afección de espacios naturales, ecosistemas o
comunidades faunísticas o botánicas consideradas de interés.
•
Es fundamental evitar los territorios de tradición ganadera, cuidando
la no afección de pastizales y prados por altos niveles de deposición de
contaminantes.
•
Evitar los territorios de tradición hortícola, donde las emisiones
pueden llegar a afectar a los cultivos de huerta, frutales, forrajeras y todos
aquellos cultivos de consumo.
•
La ubicación óptima de la incineradora será aquella que minimice las
inmisiones sobre las zonas pobladas.
•
Evitar cualquier repercusión negativa sobre el medio ambiente.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
17
•
Los problemas medioambientales están inducidos fundamentalmente
por la emisión de contaminantes vía atmósfera, y en menor medida, por los
residuos generados por el propio proceso de incineración.
•
Los elementos del medio se destacan la fauna y la salud humana por
ser estos elementos receptores finales de los contaminantes y presentar
una alta sensibilidad a los mismos. En segundo nivel de afección se
encuentran el paisaje y los usos del suelo, receptores de una actividad
presumiblemente distorsionante y contaminadora del ámbito local.
•
Fase de construcción:
En la fase de obras se contabilizan los efectos de todas aquellas actuaciones
que conllevan una modificación:
Acondicionamiento del terreno: caminos y pistas de acceso,
movimiento de tierras, explanaciones. Producción de polvo y ruido
por parte del tráfico de materiales y maquinaria.
Obras en construcción propiamente dichas, reforzándose los
impactos por modificaciones del relieve, generación de polvo y ruido,
derivados del continuo movimiento de maquinaria.
Vertido de tierras, escombreras y materiales sobrantes de la
construcción.
•
En la fase de explotación, generación de impactos en función de la
adecuación ambiental del proyecto y del nivel tecnológico incorporado a la
planta.
•
Emisiones a la atmósfera. Son el principal riesgo para la salud y el medio
ambiente. La presencia de contaminantes en la atmósfera implica una
contaminación global, al dispersarse los mismos en el aire, suelo y agua,
así como los organismos que se desarrollan en ese entorno, incluyendo el
hombre.
METODOLOGÍA DE LA EVALUACIÓN DE RIESGO:
Se basa en analizar distintas variables que conforman el proceso de
contaminación, desde la generación de los gases hasta la vía de incorporación y el
efecto sufrido por el receptor. La metodología incluye:
Ø
Caracterización de emisiones: proporciona datos o supuestos que
permiten estimar los contaminantes y las concentraciones aproximadas de
los mismos para cada vía de emisión. Los contaminantes más significativos
en el proceso de incineración son los policlorodibenzo para dioxinas
(PCDD), policlorodibenzo-furanos (PCDF), a los que se añaden
hidrocarburos polinucleares aromáticos, bifenilos policlorados, aldehídos,
fenoles clorados, metales pesados (Pb, Hg, Cd, Zn, Cr, Mn, As, Ni, Sb) y
también los óxidos de azufre y nitrógeno y ácidos como el clorhídrico y el
fluorhídrico.
Xavier Elías
18
Ø
Estudios de dispersión y deposición: se basan en la utilización de
modelos en los que se combinan características de la instalación y emisión
con los datos meteorológicos y otos parámetros físicos, para predecir la
concentración de contaminantes en la atmósfera en el nivel del suelo y la
deposición en suelos y superficies de agua del entorno emisor.
Ø
Valoración de la exposición: las vías de exposición son muy variadas
pero incluyen, en todos los casos, la inhalación y la ingestión. Se considera
un individuo como expuesto cuando, con un peso entre los 60 y los 70 kg,
cuando se ha visto sometido a la exposición durante 70 años de vida.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
19
3. NOCIÓN DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA
El fin que se persigue en la conversión térmica de residuos o destrucción, es liberar
la energía almacenada, o bien, en el caso de los residuos, eliminar toda toxicidad. Es
evidente que el tratamiento como residuo ha de ser, en principio, más restrictivo que
como combustible convencional.
Como se ha visto las etapas claves de la incineración son la destilación, pirólisis,
gasificación y combustiones parciales todas ellas tienen lugar en el horno. En la
fase siguiente, en la cámara de oxidación se añade una cantidad significativa de
aire en exceso para propiciar la combustión de todas las fases anteriores
(gasificación, pirólisis, volatilización, etc.).
Sin embargo durante estas etapas se han formado unos nuevos compuestos, o
bien otros que por una serie de motivos ha permanecido casi inalterable, que es
preciso destruir. De ahí la necesidad de la destrucción térmica.
La destrucción térmica o bien la conversión térmica de residuos peligrosos
orgánicos sólidos, líquidos o gaseosos son tecnologías rápidamente emergentes,
que comprenden una o varias de las combinaciones siguientes:
• Combustión: descomposición de la materia por medio del oxígeno del aire.
• Gasificación: operación que convierte un sólido en un gas.
• Licuefacción: operación que convierte un gas en un líquido.
• Oxidación húmeda: descomposición de la materia por medio de aire
comprimido o de aire húmedo.
Normalmente se aplica la tecnología de combustión (incineración) para controlar la
contaminación atmosférica, la cual se produce por la emisión de gases tóxicos.
Las tecnologías de incineración más comunes que, habitualmente, se aplican a
los residuos peligrosos son los hornos rotativos, los de parrilla, el hogar múltiple y
el lecho fluidizado.
La aplicabilidad de los métodos para eliminar los residuos tóxicos y peligrosos
depende de un gran número de parámetros, no sólo físicos y químicos, sino
también económicos y medioambientales. Entre estos parámetros, los más
importantes son:
• El poder calorífico del residuo.
• El estado físico.
• La composición química: residuo organoclorado, nitrogenado, fosforado,
sulfurado; orgánicos o inorgánicos; con o sin metales pesados, etc.
• La cantidad a eliminar.
• Los condicionamientos económicos y medioambientales.
Xavier Elías
20
Si Me es la masa del contaminante a la entrada y Ms la masa a la salida, la
destrucción térmica (TD) se define como:
Me - Ms
TD =
%
Me
3.1. EFICIENCIA DE LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA
La destrucción térmica es el proceso mediante el cual las moléculas de un residuo
tóxico y peligroso se rompen para originar otras de menor tamaño, o bien los
productos finales de cualquier combustión orgánica (CO2 y H2O).
La cinética de destrucción térmica de los residuos tóxicos y peligrosos depende de
la naturaleza del compuesto a destruir, el tiempo necesario y la temperatura.
Por lo que hace referencia a la calidad de la destrucción térmica, si se supone que
la pirólisis es despreciable frente a la combustión y que la cinética de la reacción
es de primer orden, la velocidad de destrucción térmica se expresa como:
∂C
= k· C
∂t
Siendo C la concentración en el tiempo t.
-
Integrando esta ecuación se obtiene:
−E
 − ln (1 − N ) 
R·ln

V ·t


T: es la temperatura del incinerador en ºK.
E: es la energía de activación (o disociación) en cal/gr.mol.
R: es la constante universal de los gases 1,987 cal/gr.mol ºK
V: es el factor de frecuencia (o de Arrhenius) en seg-1.
t: es el tiempo de residencia en seg.
N: es la eficacia de la destrucción térmica.
T=
Los valores de V y E son característicos para cada residuo y se encuentran
tabulados. El valor de N viene definido por la legislación particular (recuérdese que,
como mínimo N debe ser del 99,99 %). Estos valores se sustituyen en la ecuación
anterior y se construye la curva (t vs. T) de destrucción térmica del residuo.
Como ejemplo, se construye la curva de destrucción térmica para el benceno. El
benceno tiene una energía de activación de 95.9 kCal / (gr.mol) y el factor de
frecuencia es de 7.42·1021 s-1.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
21
La interpretación práctica de este gráfico indica que para conseguir una destrucción
efectiva del 99,99% del benceno entrante en el residuo, los gases deberán
permanecer en el horno 1 segundo a 730ºC, o 2 segundos a 712ºC, o cualquiera de
las combinaciones que muestra la gráfica siguiente.
850
Temperatura (ºC)
830
810
790
770
750
730
710
690
0
1
2
3
Tiempo (s)
Curva T en función de t del benceno
Temperatura (ºc)
A continuación se representa la curva t vs. T para una destrucción térmica del
99,9999%. En el gráfico siguiente, se comparan dos curvas de destrucción térmica
para el benceno con valores de 99,99% y 99,9999%.
850
830
810
790
770
750
730
710
690
99,9999%
99,99%
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Tiempo (s)
Curva T en función de t del benceno para distintos valores de destrucción térmica.
Del gráfico anterior, se observa que es necesario una temperatura más alta para un
valor de destrucción térmica mayor.
Xavier Elías
22
3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN HORNO
Una vez definido un régimen de funcionamiento en un horno es fácil establecer la
gráfica temperatura-tiempo. Si ahora se actúa sobre los parámetros de
funcionamiento, básicamente el volumen de gases, se altera la gráfica t-T. Así la
figura expone dos típicas curvas t-T.
El resultado que se extrae de esta información es conocer el tiempo tA en que los
gases permanecerán sobre dicha temperatura (tiempo de residencia). Así pues es
posible construir la curva característica t-T, para éste horno, e indica el tiempo que
los gases van a permanecer por encima de cierta temperatura.
Para conocer el éxito de la destrucción de un residuo determinado en un horno
determinado, será preciso superponer la curva característica de funcionamiento del
horno sobre la del residuo y determinar a que temperatura se debe trabajar.
1400
1200
1000
800
A
B
600
400
200
0
tb
ta
3.3.LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA
Para conocer el éxito de la destrucción de un residuo determinado en un horno
determinado, será preciso suponer la curva característica de funcionamiento del
horno sobre la del residuo y determinar a que temperatura se debe trabajar.
De hecho los hornos no tienen una isotermia perfecta, y además ésta es más
precaria según va descendiendo la temperatura. En otras palabras tm representa la
curva teórica de funcionamiento t a la que se ha aplicado un coeficiente de
seguridad. Obviamente, es la curva tm que debe usarse.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
23
La intersección de la curva característica del horno con la del residuo indica la
mínima temperatura a la que debe funcionar el horno y el tiempo de residencia. En
los tramos en que la curva de destrucción térmica del residuo se halla por encima
la del horno, el residuo no será destruido, al menos en el 99,99%.
3.4. CASO PARTICULAR DE LOS ORGANOCLORADOS
Las dioxinas y furanos son compuestos organoclorados muy estables. De ahí que
cuando en el proceso de combustión se destruyan se corre el peligro de su
reformación (síntesis de “novo”) en la fase de enfriamiento.
Como muestra el gráfico, o bien su curva de destrucción térmica, una temperatura
de 850ºC durante un periodo de tiempo superior a los 0,1 segundo es suficiente
para destruir estos compuestos con una eficacia superior al 99,9%.
Diversas medidas efectuadas en hornos incineradores de Alemania y Estados
Unidos han demostrado que aun siendo mucho menor la cantidad de
organoclorados emitidos a la salida, la toxicidad equivalente de la mezcla es
superior en la emisión.
Un grupo de precusores son los fenoles y otro los PCB’s, presentes en los
residuos o formados durante los procesos de combustión. La oxidación parcial de
PCB a PCDF (dioxina) se produce de manera relativamente rápida en condiciones
de deficiencia de oxigeno.
Xavier Elías
24
4. LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DE LOS HORNOS
4.1. PERFIL DE TEMPERATURAS EN UNA PLANTA INCINERADORA
C.
POSTCOMBUSTIÓN
800
600
400
CALDERA
200
HORNO
F. ELECTROESTÁTICO
SCRUBBER CHIMENEA
El perfil de temperaturas típico de una incineradora es como el de la figura. Desde el
punto de vista de la destrucción térmica el tiempo de residencia debe ser el que
tiene lugar en la cámara de postcombustión, ya que dentro del horno se desarrollan,
esencialmente las fases de destilación y gasificación.
4.2. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS
Por todo lo explicado, la distribución de temperaturas en el interior de un horno de
incineración de residuos es muy irregular en la sección longitudinal del horno (Sin
embargo, éstas se estabilizan en la cámara de postcombustión). Esto conduce a la
generación de partículas inquemadas en suspensión. Obviamente, ciertos
contaminantes no serán destruidos.
La generación de llamas conduce a una irregular distribución de la temperatura en
toda la sección transversal del horno.
INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA
25
5.CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN
5.1.
PRINCIPIO
DE
POSTCOMBUSTIÓN
FUNCIONAMIENTO
DE
LA
CAMARA
DE
La cámara de postcombustión tiene la misión de asegurar que los gases
procedentes del horno, en parte no quemados, permanezcan en ella el tiempo de
residencia preciso, con una temperatura superior a la que indica la curva de
destrucción térmica del residuo. Con ello se garantiza una destrucción térmica
superior al 99,99% de los compuestos entrantes.
Cuando no se dispone de datos concretos, una buena aproximación, si no existen
compuestos halogenados es de 2 segundos a 850ºC. Este tiempo de residencia
es el recomendado por la “Mejores Tecnologías Disponibles” de acuerdo con la
propuesta de Directiva sobre Incineración de Residuos Industriales de 8 de
Septiembre de 1.993. (Decreto 323/1994 de 4 de Noviembre).
Para ello la citada cámara suele estar construida en diversos tabiques de forma
que los gases la atraviesen siguiendo un recorrido laberíntico. A la entrada se
disponen de quemadores que aseguran la elevación y mantenimiento de la
temperatura hasta los valores preestablecidos. Los quemadores queman con
bastante exceso de aire para asegurar la combustión de los gases y/o vapores no
quemados procedentes del horno.
La cámara está constituida por un recipiente de acero recubierto interiormente con
una capa de refractario y aislante.
Las paredes laberínticas interiores son de material refractario para resistir el
esfuerzo mecánico. La velocidad de los gases a la salida debería ser inferior a 1
m/s, lo que permite la deposición del posible material particulado que haya podido
arrastrar durante la etapa de incineración en el horno.
5.2.EJECUCIÓN DE CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN
La imposibilidad de conseguir una correcta destrucción de sólidos en una cámara
de combustión, obliga a la incorporación de una cámara de postcombustión. Así,
existen incineradores con una cámara de postcombustión de ejecución horizontal
acoplada.
Otra ejecución de la cámara de postcombustión es la vertical. Por lo general estas
cámaras de postcombustión aseguran una aceptable combustión cuando se trata
de combustibles líquidos. Si el residuo a incinerar es sólido se aconseja instalar
una cámara de postcombustión laberíntica.
Xavier Elías
26
6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN
6.1. INCINERACIÓN CON VITRIFICACIÓN
Cuando un residuo, por ejemplo el ASR (Residuo de la Trituración de
Automóviles), cuyos principales parámetros se hallan en la tabla adjunta, se
incineran, la gran cantidad de cenizas presentes aconseja a una fusión, con
vitrificación de las mismas.
PCI (Kcal/kg)
% de cenizas
% de humedad
% de cloro
% de azufre
3.500
43
15
1,8
0,7
La instalación consta de un reactor de gasificación de lecho fluidizado, los gases
atraviesan un horno de fusión donde la elevada temperatura de combustión de los
gases facilita la fusión.
Los gases, después de atravesar la caldera, se lavan antes de ser evacuados a la
atmósfera.
6.2. INCINERACIÓN DE RESIDUOS SANITARIOS
La incineración se realiza en plantas más o menos convencionales, dando prioridad
a la destrucción térmica sobre la recuperación. El lavado de gases se diseña con los
contaminantes previstos.