Incineración Residuos Sólidos

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5.0 INCINERACIÓN
Grandes volúmenes de residuos sólidos se generan diariamente en nuestras ciudades, lo que
constituye un serio problema para la sociedad y el medio ambiente. Por esta razón, desde fines
del siglo pasado, ha existido un gran interés por reducir el volumen de los desechos urbanos
generados y buscar procesos alternativos al vertido directo en espacios abiertos. La incineración
es una de las alternativas de importancia creciente en la eliminación de los residuos sólidos
urbanos, ya que permite disminuir su volumen hasta en un 90%, aunque genera algunos
subproductos gaseosos que, de no manejarse adecuadamente el proceso, pueden causar la
contaminación del ambiente.
La incineración se define como un proceso térmico que conduce a la reducción en peso y
volumen de los residuos sólidos mediante la combustión controlada en presencia de oxígeno.
El objetivo de la incineración es reducir el volumen de los residuos sólidos urbanos
transformándolos en materiales sólidos, gaseosos y líquidos, que pueden ser más manejables
para su disposición final. Durante el proceso de incineración los residuos sólidos reciben un
tratamiento térmico en presencia de aire transformándose en constituyentes gaseosos, los cuales
se liberan a la atmósfera y en un residuo sólido relativamente no combustible. Durante la
combustión de los residuos en un incinerador se genera calor, lo que se conoce como “calor de
combustión”, el cual puede ser aprovechado como fuente de energía para el mismo proceso o
para otros como el calentamiento de agua o la generación de vapor.
5.1 Antecedentes
La incineración de los desechos sólidos urbanos es una práctica muy antigua. El primer
incinerador diseñado para el tratamiento de los residuos sólidos de recolección municipal fue
construido por Alfred Fryer en 1874 en Nottingham, Inglaterra. Este dispositivo tenía un sistema
de operación manual para atizar el fuego en los hornos. Doce años después se construyó la
primera planta industrial en Hamburgo, Alemania, mejorando el diseño inglés al introducir una
corriente de aire forzada y además el aire era precalentado. No fue sino hasta 1895 que en los
Estados Unidos de América se desarrolló el primer horno incinerador y el primero construido en
Montreal, Canadá aparece hasta 1906.
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Capítulo 5. Incineración
Con el inicio de este siglo, este proceso es cada vez más utilizado en el tratamiento de los
desechos sólidos urbanos, principalmente los residuos peligrosos y al final de los 20’s, Inglaterra
disponía de más de 200 plantas incineradoras, en otros países de Europa había otras 100 y en los
Estados Unidos de América operaban alrededor de 200 plantas más.
En los 50’s se inició la automatización de los incineradores de residuos sólidos urbanos haciendo
más eficiente el proceso. En los últimos años se ha incrementado el número de plantas
incineradoras privilegiándose las tecnologías que consideran la recuperación de energía,
particularmente en los países con escasez de energéticos.
5.2 Descripción del Proceso y Tecnologías
5.2.1 Tipos de Incineradores
Un esquema general que describe el proceso de la incineración se indica en el diagrama de flujo
de la Figura 5.1.
Existen dos sistemas de incineración de los residuos sólidos municipales que se diferencian por
el requerimiento de tratamiento previo de los residuos. El primer sistema requiere eliminar los
elementos no combustibles de los residuos sólidos y además reducir el tamaño de las partículas
para su incineración, pero el segundo no tiene estos requerimientos, por lo que la incineración se
hace al total de los residuos sin ningún tratamiento previo. A este segundo método se le
denomina incineración en masa.
La incineración en masa se encuentra actualmente en un estado muy avanzado en su desarrollo
tecnológico. Las parrillas de incineración y las calderas de recuperación térmica están bien
probadas y los sistemas de limpieza de gases están bien establecidos. Actualmente, este sistema
es el más implantado y conocido. En la Figura 5.2 se muestra un esquema de la sección
transversal de un incinerador municipal típico, el cual consta de 6 secciones. La primera es por
donde se alimenta el horno de combustión primaria que, junto con el de combustión secundaria
constituyen la segunda sección. Después se encuentra la cámara de enfriamiento. La siguiente es
la sección de depuración de los gases de combustión. La quinta es la de evacuación de escorias,
cenizas y gases de combustión. La última es la sección de recuperación del calor de los gases
emitidos antes de ser enviados a la atmósfera.
Entre las tecnologías más modernas se encuentra el incinerador rotatorio en el cual los residuos
sólidos son vaciados dentro de una cámara cilíndrica que puede tener hasta 18 m o más de
longitud y son quemados hasta convertirlos en cenizas y agua. El horno gira muy lentamente y
el tiempo de residencia de los sólidos es de 30 minutos. Los productos de los gases combustibles
provenientes del horno son enviados a una cámara secundaria. Estas unidades alcanzan
temperaturas de 1,260 ºC (ver Figura 5.3).
Como alternativas a la incineración en masa han aparecido otras tecnologías como la del lecho
fluidizado y sobre todo la incineración mediante el empleo de combustibles a partir de los
residuos sólidos. Con estas tecnologías se asegura una incineración más limpia y eficiente
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considerando una recuperación más efectiva de la energía calorífica, además de un mejor
cumplimiento con las estrictas normas ambientales que establecen los organismos ecológicos
reguladores.
PROCESO GENERAL DE INCINERACIÓN
DE RESIDUOS SÓLIDOS
FIGURA 5.1
R E C E P C IO N Y
A L M A C E N A M IE N T O
F R A G M E N T A C IO N
A L M A C E N A D O
C O M B U S T IB L E
A IR E
H O R N O D E
IN C IN E R A C IO N
H O R N O D E
G A S IF IC A C IO N
A G U A
C A L E N T A D O R
U S A N D O C A L O R D E
C O M B U S T IO N
S O L ID O S
A R E A
D E
A P A G A D O
V A P O R
S E P A R A D O R
M A G N E T IC O
A G U A
L A V A D O R
D E
G A S
B O M B A
L A V A D O
V E N T IL A D O R
C A R B O N
H U M E D O
R E T E N C IO N
D E L A P L U M A
F IE R R O
S E P E R A C IO N
Y
R E C U P E R A C O N
En la Figura 5.4 se muestra un incinerador de lecho fluidizado. Este consta de un cilindro
vertical que puede medir hasta 14 m de alto; en su interior se encuentra un lecho de arena
alumínica o de carbonato de calcio, los cuales se mezclan con el residuo por medio de aire. El
residuo es alimentado inicialmente con líquidos o lodos y mezclado con la arena o el carbonato
de calcio, alcanzando temperaturas cercanas a los 871°C, lográndose así su combustión. Los
gases que se producen fluyen a un quemador posterior para permitir una mejor combustión a
mayor temperatura.
91
Capítulo 5. Incineración
SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN
INCINERADOR MUNICIPAL TÍPICO
FIGURA 5.2
1. Estación de camiones
4. Grúa
7. Cámara de combustión
10. Cenicero después del quemador
13. Equipo eliminador de gases nocivos
16.Ventilador de aire inducido
19. Empujador de cenizas
22. Depósito de cenizas
25. Humidificador de cenizas volátiles
FUENTE
2. Puerta del depósito
5. Cuarto de operación de la Grúa
8. Cenicero de Secado
11.Camara de gas
14. Precipitador electrostático
17. Chimenea
20.Transportador de desechos
23. Grúa de cenizas
3. Depósito de desechos
6. Zona de Espera de carga
9. Cenicero de Combustión
12. Precalentador de aire-gas
15. Generador de Vapor
18. Ventilador de aire forzado
21. Transportador de cenizas
24. Transportador de cenizas volátiles
UNAM. “Tratamiento y Disposición Final de Residuos Sólidos Municipales”, DECFI, México,
1992
Los parámetros críticos que determinan la eficiencia en el proceso de incineración de los
residuos sólidos urbanos se indican en el Cuadro 5.1.
5.2.2 Recuperación de la Energía de Combustión de los Residuos como Energía
Eléctrica
La recuperación de la energía de los residuos sólidos como energía eléctrica presenta grandes
posibilidades y hace más atractivo el proceso de incineración desde el punto de vista económico.
La compañía de electricidad de combustión de los Estados Unidos de América diseñó un
sistema denominado CPU-400 para recuperar la energía de los residuos sólidos urbanos, como
energía eléctrica. Los desechos son quemados en un incinerador de lecho fluidizado y los gases
calientes del horno pasan a través de una turbina de gas y llegan a un generador de electricidad.
Adicionalmente, este sistema incluye la separación para la recuperación de materiales de los
residuos sólidos antes de la combustión y sistemas alternos de procesamiento de materiales. La
Figura 5.5 muestra un esquema de un sistema de tratamiento de residuos sólidos, con
recuperación de energía.
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Una planta piloto fue construida en Menlo Park, California, con el fin de probar varios sistemas
prototipo, con capacidad para procesar 80 toneladas/día de residuos sólidos urbanos.
Procesando esta cantidad de residuos se generan 1,000 Kilowatts de electricidad.
FIGURA 5.3
ESQUEMA DE UN INCINERADOR ROTATORIO
1. Dispositivo de alimentación
3. Cámara de post-combustión
5. Eliminador de cenizas
7. Precipitador electrostático
9. Lavador de gases (2 etapas)
FUENTE
2. Horno rotatorio
4. Caldera de recuperación de calor del desecho
6. Eliminador de escoria
8. Ventilador de aire inducido
10. Conexión a chimenea
UNAM. “Tratamiento y Disposición Final de Residuos Sólidos Municipales”, DECFI, México,
1992
5.3 Uso a Nivel Mundial
El proceso de incineración de los residuos sólidos urbanos fue utilizado inicialmente en la Gran
Bretaña, extendiéndose su aplicación a otros países europeos como Alemania, Francia, España,
etc., así como a los Estados Unidos de América, Canadá y Japón. Datos presentados por la
International Solid Waste Association (ISWA) en su VI Congreso realizado en Madrid, España,
en junio de 1992, indican que es en Japón donde existe el mayor número de plantas
incineradoras, con 1893; le sigue Francia con 170; los Estados Unidos de América con 168; Italia
con 94; Alemania con 47; Dinamarca, 38; Gran Bretaña, 34; Suecia y España 23 y 22
respectivamente; Canadá, 17; Holanda 12 y Hungría 1.
En Suecia, Dinamarca y Japón se incineran aproximadamente el 60% de los residuos sólidos
municipales y sólo en los dos primeros países se recupera el 100% de energía generada durante
el proceso; en Japón en muy pocas plantas se aprovecha el calor generado por la combustión de
los residuos sólidos. A excepción de Holanda, Francia e Italia, donde se utiliza alrededor del
50% de la energía liberada, en los otros países con incineradores, es muy bajo o nulo el
aprovechamiento del calor generado.
93
Capítulo 5. Incineración
PARÁMETROS QUE DETERMINAN LA EFICIENCIA
DEL PROCESO DE INCINERACION
CUADRO 5.1
FACTORES
PARÁMETROS
Relacionados con los Residuos Sólidos
Relacionados con la Operación
Relacionados con el Equipo
Relacionados con las Emisiones
FIGURA 5.4
INCINERADOR DE LECHO FLUIDIZADO
1. Dispositivo de carga
3. Combustor de lecho fluidizado
5. Ventilador de aire forzado
7. Planta lavadora de gases
9. Ventilador de aire inducido
FUENTE
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Composición química
Poder calorífico
Contenido de cloro/halógenos
Velocidad de dosificación
Temperaturas máximas y mínimas (1200 ± 100ºC)
Aprovisionamiento de agua de Enfriamiento
Aprovisionamiento de solución Absorbedora
Porcentaje de destrucción
Porcentaje de eficiencia
Capacidad calorífica del incinerador
Fallas mecánicas del ventilador de solución
Eficiencia de remoción del HCl (99%)
Concentración de partículas (180 mg/m3)
Concentración de oxígeno (mínimo de 3%)
Altas concentraciones de CO (100 ppm)
Concentración de bifenilos policlorados (0.001 g/kg. de BPC
alimentados)
2. Platos de distribución
4. Precalentador de aire forzado
6. Separador ciclónico de polvos
8. Neutralización y tanque de sedimentación
10. Chimenea
UNAM. “Tratamiento y Disposición Final de Residuos Sólidos Municipales”, DECFI, México,
1992
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FIGURA 5.5
SISTEMA DE RECICLAMIENTO DE ENERGÍA
FUENTE
Kreith, F. ”Hand Book of Solid Waste Management”, McGraw Hill, U.S.A. 1994
5.4 Situación en México
Por lo que respecta a nuestro país, a la fecha no funciona ninguna planta incineradora de
desechos sólidos municipales. Aún cuando hace algunos años existió el interés por instalar un
incinerador móvil de gran capacidad en la frontera con los Estados Unidos de América para el
que se invirtieron entre 10 y 12 millones de dólares, nunca se obtuvo el permiso para su
funcionamiento y se paró la construcción.
El Departamento del Distrito Federal instaló hace varios años una planta incineradora en la
Ciudad de México que sólo se ha utilizado con fines experimentales.
Sin embargo, existen en nuestro país incineradores rotatorios pequeños entre los que podemos
citar el de la corporación CIBA-GEIGY, una compañía farmacéutica que lo utiliza para la
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Capítulo 5. Incineración
incineración de los residuos peligrosos generados en sus laboratorios; éste es uno de los más
modernos pues se opera a través de un sistema computarizado. Este incinerador es el resultado
de tecnología suiza y mexicana desarrollada en la UNAM.
5.5 Costos de Instalación y Funcionamiento
La instalación de una planta de incineración de desechos municipales implica casi siempre un
elevado costo de inversión.
El costo de inversión de una planta grande de incineración de residuos sólidos municipales que
procese 320,000 toneladas de estos residuos al año es de alrededor de 142 millones de dólares y
el costo de tratamiento por tonelada de residuos es alrededor de 60 dólares/tonelada.
Para una instalación mediana que procese 150,000 toneladas/año el costo de inversión es de
alrededor de 88 millones de dólares, con un costo de funcionamiento de 70 dólares por tonelada
de residuos.
En una instalación pequeña de 90,000 toneladas/año de residuos, el costo de inversión
aproximado será de 53 millones de dólares, con un costo de funcionamiento de 80 dólares por
tonelada tratada.
5.6 Ventajas y Desventajas
Actualmente la incineración es uno de los métodos más utilizados en los países desarrollados
para el control de los residuos sólidos municipales. Las ventajas y desventajas con relación al
uso de este proceso para el manejo de este tipo de residuos de las ciudades se indican en el
Cuadro 5.2.
La principal ventaja del proceso es que reduce el volumen y el peso de los desechos sólidos
hasta en un 90%. Sin embargo, entre las desventajas se tiene que es una tecnología muy costosa y
en la que no se recuperan básicamente los costos de la inversión, además de que se generan
emisiones contaminantes a la atmósfera que se acrecientan con una operación no adecuada del
proceso. Aún cuando en el presente se cuente con equipos que tienen sistemas para un mayor
control de las emisiones a la atmósfera, éstos se incrementan en su costo hasta en un 20% con lo
que resulta una tecnología casi inaccesible para países en vías de desarrollo.
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CUADRO 5.2
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA INCINERACIÓN
VENTAJAS
Permite la reducción del volumen de los
desechos sólidos hasta en un 90%
Tecnologías modernas permiten tener un
mayor control de las emisiones a la
atmósfera aunque elevan demasiado los
costos
Tecnologías
modernas
permiten
la
recuperación de la energía calorífica
generada durante la combustión de los
residuos sólidos la cual se puede emplear
en la generación de electricidad, calefacción
y otros usos
Si no existe terreno disponible para
construir un relleno sanitario o facilidades
para compostaje, dentro de una distancia
en que resulte económico el transporte de
los residuos sólidos desde el centro de
producción,
un
incinerador
puede
representar el sistema total más económico
para el tratamiento de estos
Un incinerador diseñado de manera
adecuada es capaz de procesar mezclas
variables de residuos y no depende de
variaciones climáticas
La recuperación de los materiales del
residuo de la incineración y del calor del
proceso de incineración puede producir
ingresos significantes
DESVENTAJAS
La operación de incineradores universales
está asociada con emisiones a la atmósfera
de metales pesados, sustancias orgánicas
(dioxinas y furanos), hexaclorobencenos e
hidrocarburos
poliaromáticos,
éstos
últimos derivados de procesos de
combustión
incompleta,
sustancias
potencialmente tóxicas y bioacumulables
muy peligrosos
Las emisiones de partículas y gases que se
generan en este proceso, provocan la
contaminación de áreas cercanas a la
planta, y en algunos casos, en zonas más
alejadas al ser acarreadas por el viento
La mala o deficiente operación del proceso
conduce a una combustión incompleta de
los residuos, con lo que se generan gases
tóxicos que son emitidos a la atmósfera
Es una tecnología que requiere de altos
costos de inversión para la construcción y
funcionamiento de una planta, costos
prácticamente no recuperables.
Se recomienda a los ayuntamientos analizar cuidadosamente los proyectos de incineración, en
caso de que pretendan utilizar este método para el tratamiento de los residuos sólidos
municipales.
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