Ficha nº3 - Procesos térmicos de destrucción de materia

Culturalmente,
Degrémont
tiene
por
costumbre compartir la pasión que sus
colaboradores manifiestan por las actividades
del agua con el público.
Como complemento del Manual Técnico del
Agua, Degrémont publica las «Fichas Técnicas»
para conocer mejor las diferentes técnicas disponibles y
para descubrir las novedades y los grandes avances tecnológicos.
Las Fichas Técnicas Manual Técnico
del Agua Degrémont
Biosólidos
Thermylis®
Biosólidos
Fango deshidratado
PROCESOS TÉRMICOS DE DESTRUCCIÓN
DE MATERIA ORGÁNICA
Existen numerosos procesos térmicos que permiten la
destrucción de la materia orgánica de los fangos de depuración
y, así, reducir considerablemente las cantidades a evacuar. Entre
las soluciones tecnológicas disponibles, podemos distinguir
los procesos que trabajan bajo presión y los que funcionan a
presión atmosférica.
Bajo presión
Presión atmosférica
- Oxidación por vía
húmeda
- Co-incineración con otros
desechos
- Incineración
- Gasificación bajo
presión
- Gasificación/Pirólisis-Termólisis
En este apartado, nos centramos en los procesos de incineración
a presión atmosférica.
PROCESOS A PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Los procesos a presión atmosférica se basan en el principio de
destrucción de los enlaces que forman la materia orgánica por
elevación de la temperatura y en presencia de O2 libre. Cuando
el contenido en O2 libre es en torno al 6%, aproximadamente
40% de exceso de aire, el proceso se corresponde con una
incineración tradicional (condiciones específicas de fango) o
combinada con otros productos ( como en la co-incineración
de los residuos domésticos con los desechos industriales
especiales) en industria cementera o centrales térmicas.
Si el contenido en O2 libre es, prácticamente, nulo el proceso se
corresponde con el de la gasificación o descomposición térmica
(pirólisis y termólisis).
Las tecnologías de incineración y descomposición térmica son
conocidas y aplicadas desde hace décadas en muchas industrias.
El corazón de estas tecnologías es el horno. Hay diferentes tipos
de hornos:
ÎÎ Horno rotatorio
Es un tambor rotatorio con materiales refractarios y que,
generalmente, cuando se trata de tratamiento de residuos va
seguido de una cámara de poscombustión. Su aplicación más
habitual es en la industria del cemento y en la producción de
cal. Este principio simple se ha extendido al tratamiento de
residuos, particularmente residuos heterogéneos o especiales
Procesos térmicos
que requieren un proceso de poscombustión para quemar
completamente y alcanzar la temperatura reglamentaria. Rara
vez se utiliza para fangos de depuración de aguas residuales
debido a la dificultad para controlar el exceso de aire y a
la existencia de una zona de alta viscosidad que provoca
adherencias indeseables en las paredes internas del horno.
ÎÎ Horno de parrilla
Este horno está fundamentalmente reservado para el tratamiento
de los residuos domésticos. Recordemos que los fangos pueden
ser co-incinerados, bien en forma de pre-secados o simplemente
deshidratados. Algunos proveedores, sin embargo, utilizan esta
tecnología para fangos secos.
ÎÎ Horno niveles superpuestos
Este tipo de horno, que se viene utilizando durante más de un
siglo, fue muy popular en los Estados Unidos en la década de los
60 para la incineración
directa de los fangos
de depuración. Su uso
se extendió por toda
Europa y Francia, en
particular,
pero
su
desarrollo se frenó por
las sucesivas crisis
petroleras.
Esta tecnología está
resurgiendo
ahora
en el sector de los
fangos, no ya para
incineración
directa,
sino para procesos más
elaborados de pirogasificación, como, por
ejemplo, en una planta
cerca de París.
ÎÎ Horno de lecho fluidizado
Este tipo de horno también se remonta a bastantes décadas.
Cuando en Europa en la década de los 70 comenzó la incineración
de fangos, se impuso este horno y actualmente es la técnica
más usada para la incineración de fangos deshidratados.
Thermylis®
Descripción, a continuación, de esta tecnología.
PRINCIPIOS GENERALES DE FUNCIONAMIENTO
DE UN HORNO DE LECHO FLUIDIZADO
ÎÎ Fluidización
En un reactor que contiene partículas sólidas a través de las
cuales circula un fluido de abajo hacia arriba, cada partícula se
somete en parte a la fuerza de la gravedad y en parte a la fricción
debido al paso del fluido. Balance que define una velocidad
crítica. Si la velocidad ascendente es menor que la velocidad
crítica la partícula sedimenta, pero si la velocidad ascendente
es mayor la partícula será impulsada hacia la parte superior por
el fluido.
Un lecho fluidizado no se comporta como un conjunto de
partículas libres. Por el contrario, como consta de un conjunto de
partículas que interactúan entre sí, se comporta más como un
líquido, razón por la cual el proceso se denomina “fluidización”.
La expansión del material, que es inexistente en principio (lecho
fijo o “compacto” ), se incrementa con la velocidad del fluido. En
otras palabras, “el lecho fluidizado se expande”.
Por el contrario, la pérdida de carga, en principio creciente en
el lecho compactado, luego se mantiene constante entre dos
velocidades características. Cuando excede una determinada
velocidad el lecho pierde su cohesión y sus materiales son
gradualmente arrastrados por el flujo ascendente.
De hecho, los lechos fluidizados se utilizan, principalmente,
dentro del intervalo de velocidades de fluidización.
En general, para un correcto funcionamiento un reactor fluidizado
necesita:
• buena distribución de fluido en la base del reactor;
• un material de contacto homogéneo y resistente a la abrasión.
La mezcla completa del lecho de partículas en el fluido a tratar
maximiza el intercambio entre el material y el líquido presente.
ÎÎ Horno de lecho fluidizado
Un horno de lecho fluidizado se basa en el principio de la
suspensión de fangos deshidratados en una corriente de aire
precalentado que contiene partículas de arena calibradas.
El lecho de arena fluidizado que alcance la temperatura de
incineración es un entorno extremadamente turbulento, en
el que los intercambios de calor alcanzan coeficientes de
transferencia muy elevados. El fango deshidratado que alimenta
este lecho se desintegra rápidamente por la turbulencia de
la arena, produciéndose instantáneamente la evaporación,
así como la combustión de la materia orgánica con el aire de
fluidización como carburante.
EL HORNO HTFB* DE DEGRÉMONT
ÎÎ Principio de construcción
El horno se presenta como un recipiente vertical de acero,
ligeramente acampanado, con elementos refractarios. Cuenta
con seis secciones que se apilan de abajo hacia arriba en un
sistema auto-estabilizado y autosuficiente. Se describen a
continuación.
• Caja de viento
De sección cilíndrica, su entrada radial amplia acepta el conducto
de entrada para el aire de fluidificación del ventilador. Si el aire
precalentado que llega está por debajo de 450 ° C se denomina
caja de viento frío; por encima de esa temperatura se llama caja
de viento caliente. La mayoría de los hornos de lecho fluidizado
que tratan los lodos se diseñan como cajas de viento caliente.
Esta caja de viento se compone de
elementos silico-aluminosos de tipo
refractario. La parte superior de la
caja de viento sostiene la cúpula
de fluidización. La caja de viento
está equipada de un quemador
(eventualmente retractable) que
se usa para el precalentamiento
durante el proceso de puesta en marcha.
*HTFB = High Temperature Fluidised Bed
Fichas Técnicas Manual Técnico del Agua Degrémont
• La cúpula de fluidización
Es la parte esencial del horno, ya que a través de esta cúpula se
distribuye el aire de fluidización. En la versión de caja de viento
caliente, la cúpula se compone de un conjunto de anillos de
ladrillo refractario. Estos anillos se aprietan unos contras otros
para formar una bóveda autoportante. Cada ladrillo tiene un
agujero vertical que contiene las boquillas de fluidización.
Las boquillas de fluidización tienen forma
de champiñón con la cabeza circular. La
velocidad del aire en la boquilla es del
orden de 40 m·s–1. Esta boquilla, de hierro
fundido resistente al calor, sellado en el
orificio del soporte de ladrillo refractario,
es un factor clave en la construcción del
horno. Cualquier pérdida de boquilla crea una seria disfunción,
ya que la arena de fluidización pasará directamente a la caja de
viento y la fluidización se verá afectada.
• Zona propiamente dicha de fluidificación
Esto corresponde a la altura del lecho de arena expandido que
está entre 1,30 y 1,50 m en la mayoría de los casos. Esta zona
también cuenta con materiales silico-aluminosos refractarios. Es
en esta zona donde se disponen las alimentaciones de fangos y
las inyecciones de combustible complementario (petróleo, gas,
biogás).
• Zona de expansión
Se ensancha para acoger el aumento de volumen de los
productos gaseosos debido a la temperatura y a la finalización
de la combustión. Esta forma ensanchada también ayuda a
reducir progresivamente la velocidad de conducción con el fin
de desfluidificar las partículas de arena más finas, evitando su
arrastre. Esta zona de expansión también sirve como área de
poscombustión. Los productos de combustión se mantienen ahí
durante largo tiempo (como mínimo 5 segundos), lo que, bajo
cualquier circunstancia, garantiza que se
cumplan los estándares de incineración
de residuos. El complemento de arena de
fluidificación que compensa las pérdidas
por desgaste se realiza en esta zona.
• La bóveda superior
Está hecha de anillos de ladrillo refractario
para crear una bóveda autoportante. Se apoya en la envoltura
externa de la zona de expansión. El centro de esta bóveda está
hueco y forma el conducto de humos de salida de los productos
de combustión. Esta bóveda también contiene inyectores de
agua que permiten controlar la temperatura (seguridad).
• Conducto de humos de conexión
Está situado entre la salida del horno y la entrada del
intercambiador de recuperación. Este conducto es también
resistente al calor y debe contener una junta de dilatación.
ÎÎ Principio de funcionamiento
El lecho de arena está en suspensión por el aire de fluidificación
precalentado que llega de la caja de viento; la arena de
fluidificación se comporta como un líquido en ebullición. La
turbulencia que reina en este lecho permite la total combustión
de la materia orgánica de los fangos. De hecho, el fango que
entra en el lecho de arena es inmediatamente desintegrado en
finas partículas, creando contacto entre la materia orgánica y el
oxígeno suministrado por el aire de fluidificación.
La combustión de las materias orgánicas residuales se consigue
en la zona de poscombustión donde los humos alcanzan una
temperatura de unos 850°C durante 6 o 7 segundos (incluyendo,
al menos, 2 segundos de tiempo de contacto a una temperatura
superior o igual a 850°C , de acuerdo con la reglamentación
europea).
La inyección de fango puede ir acompañado de una inyección de
combustible auxiliar (gas o líquido), dependiendo de si el fango
es autotérmico o no.
Se dice que un fango es autotérmico si las calorías que transporta
son suficientes para mantener la incineración a una temperatura
de 850°C en la zona de poscombustión.
En términos de tamaño, un fango con 70% de materia volátil (MV)
y 28% de sequedad puede ser considerado como autotérmico.
ÎÎ Unidad Thermylis®
La unidad Thermylis® de Degrémont incluye una zona de
almacenamiento del fango a incinerar, un horno de lecho
fluidificado, un sistema de recuperación de calor y un sistema de
tratamiento de humos.
Cuando el fango biológico entra en el incinerador a menudo
todavía contiene un 80% de agua. Ello requiere un combustible
adicional para quemar el fango a 850°C.
La sección de recuperación de calor se divide en dos partes:
- el recuperador de energía permite precalentar a 650ºC el aire
de fluidificación que alimenta la caja de viento, recuperando las
calorías contenidas en los humos que salen del horno;
- El intercambiador refrigerador que permite enfriar los gases de
combustión a una temperatura adecuada para el tratamiento
de los mismos.
La optimización del consumo de energía es un punto esencial
en el diseño de una unidad de incineración: se busca
sistemáticamente la autotermicidad mediante la valorización
óptima del calor de los productos de combustión. Es un
compromiso entre la minimización del consumo adicional de
combustible y la inversión y los costes de operación.
ÎÎ Thermylis® 2S
La unidad de incineración de fangos Thermylis® 2S tiene 2 fases.
Basado en el principio de recuperación de energía, combina el
secador y el horno de incineración para conseguir autonomía
energética. La energía de los gases de combustión recuperada
en el intercambiador se utiliza para precalentar el aire de
fluidificación, así como para presecar los fangos. El objetivo
de este proceso de pre-secado es conducir los fangos a la
sequedad de autotermicidad. En el horno la materia orgánica
en el fango mantiene la temperatura de 850°C, reduciendo la
necesidad de combustible adicional a 0. La combinación de presecado y la recuperación de calor de los vapores permite reducir
las emisiones de CO2 de origen fósil y los costes de explotación.
Fichas Técnicas Manual Técnico del Agua Degrémont
ÎÎ Thermylis® 2R
Cuando los fangos son suficientemente térmicos o cuando la
cantidad de fango incinerado es suficiente, se puede utilizar
el segundo recuperador de calor para calentar un fluido
térmico para conseguir unas necesidades de calentamiento
o de producción de electricidad. Thermylis® es un verdadero
“concepto verde”.
Algunas referecias DEGRÉMONT
40 unidades Thermylis® instaladas alrededor del mundo
• Lakeview (Canada) - 4 reactores - 4 x 100 t. MS(1)/día
• Duffin Creek (Canada) – 2 reactores - 2 x 105 t. MS(1)/día
• Cleveland (Estados Unidos) - 3 reactores - 3 x 91 t. MS(1)/día
• Le Havre (Francía) - 1 reactor - 33 t. MS(1)/día
• Bilbao (España) - 1 reactor - 63t. MS(1)/día
• Shenzhen (China) - 2 reactores - 2 x 80 t. MS(1)/día
ÎÎ Thermylis®
• Focus en la instalación Mill Creek (Cincinnati, Ohio, Estados Unidos)
(planta tratamiento aguas residuales)
- Reactores I, II, III
- Capacidad
- Características fangos
- Recuperación energía
- Sistema de tratamiento gases
: Ø 8.1m unitario, caja de viento caliente
: 3 x 100 t. MS(1) por día, 22.5 MM kcal/kg
: 26% sequedad, 70% MV(2), 5,800 kcal/kg MV(2)
: intercambiadores de calor primario y secundario
: lavador húmedo de gases CAG(3)
ÎÎ Thermylis® 2S
• Focus en instalación Kielce (Gdansk, Polonia
(planta tratamiento aguas residuales)
- Sistema tratamiento gases
(1)
Materia Seca
-
(2)
: Ø 5.2m cada, caja de viento caliente
: 20 t. MS(1) por día, 7.1 MM kcal/kg
: 35% sequedad, 60% SV(2), 5,500 kcal/kg MV(2)
: secador, intercambiadores de calor primario y
secundario de aceite térmico
: ciclón seco, filtro de mangas, inyección de reactivos
Materias Volátiles
-
(3)
Carbon Activado Granulado
Contacto Thermylis®: innovation.mailin@degremont.com
DEGRÉMONT S.A.
WWW.DEGREMONT.COM
Ficha Manual Degrémont n°3 - Diciembre 2011 - Fotos créditos: Degrémont
- Reactores I, II, III
- Capacidad
- Características fangos
- Recuperación energía