AVANCES EN EL ESTUDIO DE CARACTERIZACIÓN, MERCADOS Y DEPOSICIÓN DE CENIZAS DE CARBÓN OBTENIDAS A ESCALA LABORATORIO, DE LA FUTURA CENTRAL TÉRMICA DE RÍO TURBIO Caballero Alba 1L., Quiroga Elisa S1., Aguirre Yamila2. 1Carreras de Minería y Energía. Universidad Nacional de la Patagonia Austral. Unidad Académica Río Turbio. 2. Carrera del Profesorado en Gestión de las Organizaciones y Licenciatura en Administración de Empresas CONTEXTO Investigaciones previas realizadas por integrantes del grupo dentro de la línea temática “Estudios del medioambiente” en la Universidad Nacional de la Patagonia Austral (UNPA) Unidad Académica Río Turbio (UART) son: • • • • • 2009-2010) Proyecto semilla AL-09-PID 16 “Estudios preliminares de la Deposición final y Uso en materiales de construcción de las Cenizas volantes de la Nueva Central Térmica de 240 Mw de Río Turbio”. Lugar de radicación del proyecto: Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas (ETSIM) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Madrid-España. 2008-2009 PI 20/C033”Evaluación del Impacto Físico de Pasivos Ambientales de la Actividad Minero Industrial en Río Turbio. Güer Aike. Santa Cruz”. Radicado en la Unidad Académica Río Turbio. (2007-2008). PI 29/C026 -“Valoración Cuantitativa del Impacto Minero Industrial del Carbón en un Curso de Agua- Caso del Arroyo San José de Río Turbio. Santa Cruz. Radicado en la Unidad Académica Río Turbio. 2006-2007. “Análisis ambiental del efluente líquido de una planta depuradora de carbón. Posibilidades técnico-económicas de solución. Efectuado en el marco del Proyecto de Especialización en Ingeniería Ambiental de Ing. Alba Lucía Caballero. Relevamiento y diagnóstico de chatarra y depósitos al aire libre. Yacimiento Río Turbio. (2005). RESUMEN La futura Central Térmica de Río Turbio (CTRT) que usará carbón como combustible, tiene previsto comenzar a funcionar en los próximos años consumiendo aproximadamente 1.200.000 t de carbón anual. Como residuo sólido de dicha combustión se generarán aproximadamente 437.000 t de cenizas, de las cuales el 55% serán cenizas volantes: Estudios preliminares realizados en relación al uso de las cenizas volantes obtenidas por combustión del carbón de Río Turbio, permitió definir que las mismas pueden ser usadas en la Fabricación de Cementos Portland Tipo II (mixtos) categorías A y B según normas Españolas (UNE). La presente línea de investigación apunta a continuar los estudios realizados en relación al uso de las cenizas volantes de la futura Central, caracterizando las obtenidas mediante la combustión del carbón con el agregado de piedra caliza, condición ésta que simula la forma de operar de la nueva central. Así mismo se pretende evaluar las posibilidades de consumo del mercado de estas cenizas a fin de definir a partir del remanente, el lugar y forma más apropiada, para su deposición. Palabras clave: uso de cenizas-combustióndeposición- materiales de construcción 1. INTRODUCCIÓN La producción de energía eléctrica en centrales termoeléctricas que emplean carbón como combustible origina fundamentalmente dos tipos de residuos: a) Cenizas volantes: polvo fino de partículas principalmente de forma esférica y cristalina, procedentes del carbón pulverizado quemado, las cuales poseen propiedades puzolánicas. Las mismas están compuestas fundamentalmente de SiO2 y Al2O 3 y se obtienen por precipitación mecánica o electrostática del polvo en suspensión comprendido en los gases que proceden de la combustión. Constituyen el mayor porcentaje de cenizas. b) Cenizas de hogar: partículas más gruesas que caen al fondo y suponen un porcentaje menor al de las cenizas volantes. La cantidad de residuos depende de la calidad del combustible, del poder calorífico del mismo y del contenido de azufre así como del grado de desulfuración y de los aditivos que se utilicen. La utilización de las cenizas pueden dividirse en un sentido amplio, en aplicaciones en forma bruta o aglomerada. En el primer caso se utiliza para la construcción de caminos, vías férreas y como material de pavimentos, relleno de minería y aditivos para el suelo. En el segundo caso el mejor y más amplio destino de las cenizas volantes es en la industria de la construcción: Fabricación de cementos, hormigones, cerámicos o áridos ligeros. Uno de los usos principales y más importantes de las cenizas volantes es la fabricación de cemento, ya que supone un importante ahorro energético y económico. La cantidad de ceniza volante que se agregan al cemento terminado es variable y está condicionada por el tipo de cemento que requiere el mercado. El agregado de ceniza mejora una serie de propiedades según el tipo de cemento: permite obtener morteros y hormigones de una elevada impermeabilidad, bajo calor de hidratación y una buena resistencia a aguas agresivas, aumenta considerablemente la retención de agua, proporcionan a los hormigones y a los morteros una gran plasticidad y facilitan la manejabilidad. (Rodríguez Santiago Jesús, 1988. Molina Bas O.I y otros, 2008.Barluenga Badiola, 2008.). Molina Bas O. I., et al determinaron la influencia de las cenizas volantes como sustituto parcial del cemento Portland en la durabilidad del hormigón: propiedades físicas, difusión del ión cloruro y del dióxido de carbono (2008), como así también “La influencia de las propiedades del cemento portland en la difusión de agentes agresivos en hormigones con cenizas volantes”. (2009). Para la fabricación de cemento portland es necesario tener en cuenta una serie de factores limitantes: la humedad debe ser menor del 5%, el contenido en SiO2 será mayor de 25%, el contenido en CaO menor del 10% y el contenido en SO3 menor al 3,5%. En la fabricación de hormigón las cenizas volantes pueden actuar de dos formas: 1) Elemento activo sustitutivo del cemento: permite disminuir la cantidad de cemento, reduce la generación de calor y consigue que la fisuración superficial sea menor. Además logra que la segregación de los áridos sea menor, disminuye la exudación, es más resistente al ataque de los sulfatos del agua de mar y lo hacen mucho más trabajable. Uno de los inconvenientes del hormigón con adición de cenizas es la lentitud del fraguado, lo cual supone un problema si se necesita que el endurecimiento sea rápido. 2) Elemento inerte sustitutivo de los áridos: para sustituir parte de los áridos se emplean las cenizas en bruto, bien en seco o en húmedo. En este caso, más importante que la composición es la finura ya que de esa forma aumenta la plasticidad de los hormigones y la resistencia mecánica en las mezclas pobres de cemento portland, se logra además disminuir la porosidad de los hormigones evitando así la segregación. Otro tipo de árido son “Los Áridos ligeros” que se obtienen a partir de cenizas volantes sinterizadas siendo las más aptas aquellas que poseen elevado contenido de carbón. Las características del árido dependerán del proceso de fabricación y de la temperatura de endurecimiento. Este tipo de árido tiene forma redondeada y gracias a su superficie rugosa y a su porosidad se adhieren muy bien al mortero con cemento. Tienen propiedades puzolánicas mayores a las de las cenizas sin sinterizar y pueden emplearse en la fabricación de hormigón aislante bajo cubiertas, rellenos, elementos prefabricados, hormigón estructural, etc. En el caso de fabricación de hormigón estructural y bloques prefabricados de hormigón se disminuye el peso propio de los edificios pero la resistencia del hormigón y su durabilidad a igual cantidad de cemento, es menor. 3) Otro tipo de Uso es el de la fabricación de ladrillos cara vista donde se sustituye parte de la arcilla plástica por las cenizas, aunque se está estudiando el uso de las cenizas como materia prima única llegando a proporciones del 90%. Las ventajas principales son: menor cantidad de agua de amasado, mayor velocidad de secado, cocción más rápida y menor porosidad. No obstante existen algunos inconvenientes: los ladrillos tienen una menor resistencia, mayor absorción, menor resistencia al hielo-deshielo pueden presentar problemas de eflorescencias. Además es necesario controlar la temperatura de cocción, ya que la calidad de los ladrillos se ve afectada al descender dicha temperatura. En países con gran tradición minera, las mezclas de cenizas volantes son usadas para la estabilización de antiguas explotaciones mineras. La utilización de cenizas volantes en la restauración de minas a cielo abierto y canteras supone aproximadamente un 40% de la producción en la Unión Europea y alrededor de un 2% es almacenado para su futuro uso. Gracias a los avances tecnológicos y a la investigación surgen nuevos productos y aplicaciones (Paul F. Ziemkiewicz and Jeff Skousen, 2000). Recientemente se han obtenidos resultados satisfactorios con respecto a la inmovilización y estabilización de lodos de plantas de tratamientos de aguas residuales, polvos de fundición de acero, lodos de hidróxidos de la industria galvánica y en residuos industriales. También se ha estudiado la recuperación de metales a partir de cenizas volantes. Por tanto, la posibilidad de procesar las cenizas volantes para convertirlas en productos de interés para mercados específicos es hoy una realidad. Este aprovechamiento no solo representa una oportunidad única de mercado, sino una necesidad dado el impacto ambiental que se deriva del almacenamiento indiscriminado de estos residuos. El aislamiento completo se consigue mediante barreras impermeabilizantes/absorbentes, normalmente multicapa. Con ello lo que se pretende es confinar los lixiviados para que los mismos puedan ser tratados en forma separada. Entre los estudios realizados específicamente para las cenizas del carbón de Río Turbio se puede mencionar los resultados obtenidos mediante la “Caracterización de las cenizas del carbón bruto y depurado procedentes de la combustión a escala laboratorio”, sin agregado de caliza (Ramos A. et al). En la República Argentina los procedimientos ambientales de las centrales térmicas convencionales, su construcción y operación están normalizados por la Resolución SSE Nº 149/90 (Manual de gestión Ambiental de Centrales Térmicas Convencionales de Generación Eléctrica), modificada por Resol SE Nº 154/93 y 182/95 para aplicación al sector privado. En la provincia de Santa Cruz, los procedimientos ambientales están regulados por la ley 2658 de Evaluación de Impacto Ambiental mientras que la generación manipulación, transporte, tratamiento y disposición final de residuos peligrosos están regidos por la ley provincial N° 2567. Entre las conclusiones más importantes se determinó que: “Los contenidos de óxidos determinados permiten inferir el uso de las cenizas volantes para la fabricación de cemento portland II (mixto) en categorías A y B (Normas Españolas- UNE). Como el CEM II/A puede tener un contenido de ceniza entre un 6 % al 20 % y el CEM II/B entre un 21 % a 35 % se puede estimar la cantidad de estas categorías de cemento que se pueden fabricar mediante el aprovechamiento de las cenizas: § § CEM II/A: 4 Mt – 1,15 Mt CEM II/B: 1,15 Mt – 0,69 Mt Tal como se infiere de estos primeros ensayos, si se destinaran las cenizas para la fabricación de cemento de acuerdo a la Norma UNE, habrá un excedente de cenizas importante. Por tal motivo y teniendo en cuenta ya sea que la cantidad de ceniza a ser reutilizada no sea absorbida por el mercado, o bien que las características de las mismas no permita un aprovechamiento significativo; la producción de este material debe ser almacenada en depósitos apropiados con características adecuadas desde el punto de vista paisajístico y ambiental. Al realizar un depósito es necesario considerar dos aspectos: el aislamiento del suelo, y de la atmósfera. En el primer caso se trata de impedir la infiltración de los lixiviados o su dispersión por escorrentía. Para ello se trata de impermeabilizar el suelo mediante la realización de un diseño y uso de materiales adecuados para que el mismo sea duradero y efectivo. Los materiales impermeabilizantes pueden ser sintéticos (plásticos: PVC de alta densidad), naturales (arcillas especiales, que produzcan un máximo efecto impermeabilizante y desorción de los posibles lixiviados) y materiales mixtos. Las características fisicoquímicas de las cenizas determinarán si se realiza un recubrimiento más o menos natural o mediante un impermeabilizado completo. El primer caso se aplica cuando no hay materiales lixiviables nocivos por lo que el suelo permite la entrada y salida del agua de lluvia. 2. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO Los ejes en los que se centra esta investigación son fundamentalmente tres: •Caracterizar las cenizas obtenidas por combustión del carbón bruto de Río Turbio, mediante el agregado de proporciones variadas de carbonato de calcio, a fin de definir si las concentraciones en óxidos de Silicio, Calcio, Aluminio. Férrico y de Magnesio presentes, responde a las especificaciones para usos en materiales de construcción. Así mismo definir el tipo y porcentaje de metales pesados presentes a la fecha. •Evaluar, en forma preliminar, el volumen y las posibilidades de colocación de las cenizas en el mercado local y/o regional. •Establecer el lugar y forma más apropiada para realizar la deposición de las cenizas teniendo en cuenta las características de lixiviados y el impacto paisajístico. •Analizar la factibilidad de construcción de uncombustor piloto con material de rezago que emule las condiciones del lecho fluidizado de la central. 3. RESULTADOS OBTENIDOS/ESPERADOS Se ha realizado un muestreo de frentes de depuración nuevos incluyéndose también muestras de galerías en preparación. La obtención de las cenizas de dichas muestras fueron realizadas a menor temperatura que las obtenidas en los estudios preliminares (2009 Ramos, et al) y actualmente están siendo analizadas a las temperaturas en las que se estima trabajará el lecho fluidizado. El propósito, es abarcar rangos de temperaturas y calidades de alimentación que pudieran darse en la realidad. Los valores obtenidos en el último muestreo serán comparados con los de las mismas muestras combustionadas a temperatura del lecho fluidizado y con las de un segundo muestreo a realizar en octubre del corriente año mediante un análisis estadístico. Por tal motivo no se puede sacar conclusiones definitivas de un solo ensayo. Por lo que respecta al análisis de demanda de materiales de construcción se ha analizado la demanda de cemento Portland de los últimos años discriminado por provincia en donde la provincia de Santa Cruz representa el 1,16% del total del país en el año 2011 y el 1,28% en el primer semestre de 2012. Si se tiene en cuenta la región Patagónica (Tierra del Fuego, Santa Cruz, Chubut, Río Negro y Neuquén) el porcentaje de consumo asciende a 7,76% en el año 2011 contra 24,97% del Gran Buenos Aires y el 7,84% contra el 25,85% del Gran Buenos Aires en el primer semestre de 2012. Por lo cual el porcentaje de consumo de la Región Patagónica respecto del Gran Buenos Aires (mayor porcentaje de consumo del país) es 3,3 veces menor. Pero, si al análisis anterior lo comparamos con el consumo per cápita1 los resultados son inversos, pues el liderazgo lo tiene la provincia de Chubut con 544 kg. anuales (2011), seguido por Santa Cruz con 476 kg. anuales; y sumando el consumo por persona de la región patagónica se obtiene un valor de 2072 kg. anuales contra 283 kg. anuales del Gran Buenos Aires; entonces la primera tiene un consumo per cápita 13,6 veces mayor que la segunda. En consecuencia para abastecer el mercado interno, las industrias deben garantizar dichos porcentajes de consumo, y para ello se debe recurrir en primera instancia a la producción del principal componente del cemento, el clinker, el cual puede ser obtenido a partir de la ceniza en función de su composición. No obstante para que se pueda llevar a cabo alguna de estas alternativas existe una restricción: las grandes distancias a recorrer desde Río Turbio hasta los centros de producción más cercanos. En tal sentido se está analizando una serie de alternativas de transporte y de costos: transporte a partir del ferrocarril de la empresa YCRT, traslado en barcos, costo-beneficio social, posibilidades de instalar cementera, o fábricas de bloques, precio de mercado del cemento, costo de producción del clinker, entre otras variables. 1 Fuente: Asociación de Fabricantes de cemento portland. Finalmente y por lo que respecta a la deposición de cenizas, tema éste de una tesis de maestría incluida en el proyecto. Se ha realizado a fines del año pasado un reconocimiento de posibles zonas de deposición propuesta por el Tesista, Ingeniero Héctor Tornese, quien realizó el reconocimiento de tres zonas propuestas divididas en diez estaciones georeferenciadas. El plan de trabajo fue realizado en conjunción con dos geólogos provenientes de la Escuela de Minas de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIM-UPM) y como resultado se presentó una memoria descriptiva donde figura un análisis geomorfológico de las nueve estaciones recorridas. Como acción posterior se ha adquirido un mapa a escala de la mina a fin de definir durante la época invernal los sitios ambientalmente más convenientes a analizar. 4. FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS El equipo de Investigadores incluye dos investigadores categoría V y dos de categoría IV ( CONEAU) estando integrado por cuatro profesionales jóvenes que se inician en la investigación y que por lo tanto aún no han entrado en ninguna convocatoria de categorización . Esto último constituye una fortaleza del equipo en relación a la capacidad de formación de nuevos recursos humanos, puesto que a fin de paliar la falta de profesionales con categorías 1, 2, o 3, se ha recurrido a la figura de Asesor Científico en la persona del Dr. Alberto Ramos Millán de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Minas de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIM-UPM), a quien la Secretaría de Ciencia y Tecnología ( SECyT) le otorgó por sus antecedentes, una categoría equivalente a 2(dos- CONEAU). Así mismo y teniendo en cuenta la necesidad de profesionales geólogos, se incorporó como integrantes al Dr. Ing. Geólogo Jorge Costafreda Mustellier, “Especialista en tecnología de áridos” (ETSIM- UPM) y al Dr. en Cs. Geológicas Domingo Martín Sánchez (ETSIM-UPM) quien además de integrar el equipo, es codirector de tesis del Ing. Héctor Tornese. Los estudios preliminares relacionados al presente proyecto se iniciaron en la UPM en la Convocatoria de proyectos Semilla y actualmente el mismo se haya radicado en la Universidad nacional de la Patagonia Austral- Unidad Académica Río Turbio, identificado como PI 29/C044. 5. BIBLIOGRAFÍA Barluenga Badiola G. “Técnica del Hormigón y sus aplicaciones”. Curso 2007-2008. EUAT. Campus de Guadalajara. Universidad de Alcalá. (2007-2008). Beltramini L, Suárez M y otros. “Aprovechamiento de Residuos de la depuración del Carbón Mineral: Obtención de Adiciones Puzolánicas para el cemento portland. Revista tecnología y Ciencia. Universidad tecnológica Nacional – Año 1 N° 2. Págs. 7 a 18. (2009) Molina Bas O. (2008) “La influencia de las cenizas volantes como sustituto parcial del cemento Portland en la durabilidad del hormigón. Tesis Doctoral. Escuela Técnica Superior de ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid. (2008). Molina Bas O. I., Moragues Terrades A., Gálvez Ruiz J. C. (2008).# La influencia de las cenizas volantes como sustituto parcial del cemento Portland en la durabilidad del hormigón: propiedades físicas, difusión del ión cloruro y del dióxido de carbono”http://oa.upm.es/3885/ Molina Bas O., Antón Fuentes R.,, Moragues Terrades A. y Gálvez Ruiz J. C.(2009) “La influencia de las propiedades del cemento portland en la difusión de agentes agresivos en hormigones con cenizas volantes”. http://academic.uprm.edu/laccei/index.php/RIDNAIC/arti cle/viewFile/216/229 Rodríguez Santiago Jesús. “El empleo de las cenizas volantes en la fabricación de hormigones”. Revista de obras públicas. Págs.. 663 a 676. (1988). Segovia M, Hillar P, Zocco C Y Otros. “Estudio para el aprovechamiento de residuos de la explotación de carbón de Río Turbio en el ámbito de la Ingeniería Vial”. Memorias del tercer encuentro PROCQMA, CórdobaArgentina, 21 y 22 de abril de 2005: Publicado en CD ISBN 950-42-0055-9, (2005). Ziemkiewicz P. and Jeff Skousen. “Use of coal combustion Products for Reclamation”. Green Lands magazine. Primavera del 2000. Resolución SSE Nº 149/90 - Manual de gestión Ambiental de Centrales Térmicas Convencionales de Generación Eléctrica, modificada por Resol SE Nº 154/93 y 182/95 para aplicación al sector privado. Ley 2658 de Evaluación de Impacto Ambiental Ley provincial N° 2567.