UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ZONA POZA RICA-TUXPAN

“APLICACIÓN DE LA INCINERACIÓN Y PIRÓLISIS” TESINA PARA PRESENTAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO DE LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL DEL PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERÍA QUÍMICA

PRESENTA: EDUARDO SERRANO AGUILAR

ASESOR: DR. ISRAEL HERNÁNDEZ ROMERO CO-ASESOR: DR. RANULFO OSVALDO GONZÁLEZ PAREDES

POZA RICA, VERACRUZ

INDICE

CONTENIDO

PAGINA

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 CAPÍTULO I: GENERALIDADES 1.1 Residuos ........................................................................................................... 3 1.2 Tipos de residuos .............................................................................................. 4 1.3 El problema de los residuos .............................................................................. 4 1.4 Composición de los RSU................................................................................... 6 1.5 Generación de residuos sólidos municipales .................................................... 7 1.5.1 Manejo y disposición de residuos sólidos municipales ............................ 8 1.6 Residuos Peligrosos .......................................................................................... 9 1.6.1 Gestión .................................................................................................. 10 1.6.2 Sitios con residuos peligrosos ............................................................... 11 1.6.3 Generación de residuos peligrosos en México ...................................... 12 1.7 Biomasa .......................................................................................................... 13 CAPITULO II: INCINERACIÓN 2.1 Metodología de evalucación de los sistemas de incineración ......................... 16 2.2 Criterios de combustión ................................................................................... 17 2.3 Criterios para el tratamiento de gases ............................................................. 18 2.3.1 Otros criterios importantes ..................................................................... 19 2.4 Estudio de caso en plantas de incineración .................................................... 21

2.4.1 Parámetros obsevados .......................................................................... 21 2.4.2 Caracterización de las cenizas .............................................................. 25 2.4.3 Aplicación de la metodología de evaluación .......................................... 28 2.5 Componentes de una planta incineradora de residuos ................................... 29 CAPITULO III: PIRÓLISIS 3.1 Tipo de pirólisis ............................................................................................... 35 3.2 Equipo de procesamiento: Termobalanza ....................................................... 35 3.3 Balance ........................................................................................................... 36 CAPITULO IV: APLICACIÓN CONCLUSIONES.................................................................................................. 42 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 43 ANEXO .................................................................................................................. 44

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN Las cantidades de residuos sólidos urbanos (RSU) que se generan se han convertido en un problema debido a la gran cantidad de espacio que ocupan, esto se ha dado al aumento en la población la cual cada vez ha optado una cultura por así llamarlo de “usar y tirar”. Otro problema que se ha encontrado es el de los residuos hospitalarios, ya que muchos, son de trabajos clínicos o de investigación, los cuales no se les da un tratamiento adecuado y se tiran al suelo. Estas grandes cantidades de residuos tanto sólidos urbanos, industriales y hospitalarios ha hecho que los rellenos sanitarios a los cuales se envían todos estos algunos hayan llegado a su límite de capacidad por lo que con el siguiente trabajo se expone como aplicando la incineración y pirolisis llegaría a ser un buen método para reducir el tamaño ocupado por los residuos. Las reservas de combustibles fósiles son finitas y su utilización para la generación de energía ha contribuido al aumento de emisiones gaseosas que contaminan el medio ambiente y pueden incentivar el calentamiento de la atmósfera terrestre, Factores de tipo económico, de disposición de los residuos generados y de seguridad en el funcionamiento de los reactores en algunos países han impedido el crecimiento de la oferta de la energía atómica. Estos problemas han motivado las labores de investigación y desarrollo de procesos de producción y transformación de nuevas fuentes energéticas que permitan suplir la creciente y elevada demanda de energía en el mundo. La utilización de tecnologías de energías renovables como la eólica, la geotérmica, la hidráulica, la solar y la obtenida a partir de la biomasa se presentan como alternativas en el mediano y largo plazo para el reemplazo de los combustibles fósiles. En la introducción se da una breve reseña del tema, involucrando cada uno de los capítulos, así como el objetivo principal del trabajo. En el Capítulo I se mencionaran las generalidades, conceptos así como las grandes cantidades de 1

INTRODUCCIÓN residuos que se generan y también el espacio que ocupan. En el Capítulo II se describe el proceso de la incineración y el funcionamiento del mismo. En el Capítulo III se describe el proceso de incineración. En el Capítulo IV se mencionan las aplicaciones de la incineración y pirolisis. En las conclusiones se dan los objetivos por los cuales se desarrolla este trabajo y por último se hace mención de la bibliografía consultada para el desarrollo de esta tesina.

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GENERALIDADES

CAPÍTULO I GENERALIDADES 1.1 Residuos Llamamos residuo a cualquier tipo de material que esté generado por la actividad humana y que está destinado a ser desechado. Hay objetos o materiales que son residuos en determinadas situaciones, mientras que en otras se aprovechan. En los países desarrollados se desechan diariamente a la basura una gran cantidad de cosas que en los países en vías de desarrollo volverían a ser utilizadas o seguirían siendo bienes valiosos como podemos ver en la Figura 1.1 en donde los RSU obstaculizan la vialidad por el espacio que ocupan. Además muchos residuos se pueden reciclar si se dispone de las tecnologías adecuadas y el proceso es económicamente rentable.

Figura 1.1 RSU obstaculizando la vialidad Fuente: Transeúnte, Movilidad y espacio publico

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GENERALIDADES 1.2 Tipos de residuos Para poder disponer de los residuos eficazmente es importante distinguir los distintos tipos que hay. Es muy distinto el residuo industrial que el agrícola o que el doméstico y también son totalmente diferentes los residuos gaseosos o líquidos que los sólidos, o los radiactivos y los que no lo son. 1.3 El problema de los residuos El continuo aumento de la cantidad de residuos que generamos está provocando importantes problemas. Entre los bienes que usamos cada vez hay más objetos que están fabricados para durar unos pocos años y después ser sustituidos por otros y que no compensa arreglar porque resulta más caro que comprar uno nuevo. Muchos productos, desde los pañuelos o servilletas de papel, hasta las maquinillas de afeitar, los pañales, o las latas de bebidas, están diseñados para ser usados una vez y luego desechados. Se usan las cosas y se desechan en grandes cantidades, sin que haya conciencia clara, en muchos casos, de que luego algo hay que hacer con todos estos residuos. El problema se agrava porque la creciente actividad industrial genera muchos productos que son tóxicos o muy difíciles de incorporar a los ciclos de los elementos naturales. En varias ocasiones los productos químicos acumulados en vertederos que después han sido recubiertos de tierra y utilizados para construir viviendas sobre ellos han causado serios problemas, incluso dañando la salud de las personas. No hay solución única y clara a este problema. El reciclaje es la opción mejor desde el punto de vista ambiental pero tiene sus límites. En el momento actual se combina con plantas de tratamiento, vertederos e incineradoras, aunque no se debe olvidar que una actuación imprescindible es la de reducir las cantidades de residuos producidos.

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GENERALIDADES Es muy optimista el pensar que en unos pocos años se podrán procesar la inmensa cantidad de residuos que se han generado durante generaciones y los cuales no se ha tenido la cultura de separar es por eso que en este documento se plantea la aplicación de la incineración y pirolisis como método para reducir en gran cantidad el espacio que estos ocupan al mismo tiempo como método para el tratado de residuos hospitalarios e industriales. De acuerdo con el Programa para la Prevención y Gestión Integral de Residuos 2008-2012 elaborado por la Semarnat, en el país se generan alrededor de 94 mil 800 toneladas diarias de residuos sólidos urbanos, equivalentes a 34.6 millones de toneladas anuales: 53% son de tipo orgánico, en tanto que 28% son potencialmente reciclables como papel y cartón (14%), vidrio (6%), plásticos (4%), hojalata (3%) y textiles (1%), mientras que 19% restante corresponde a la madera, cuero, hule, trapo y fibras diversas. Se estima que se recolecta 87% de los residuos generados, de los cuales poco más de la mitad se envía a 88 rellenos sanitarios y a 21 sitios controlados. El resto, unas 11 millones de toneladas se depositan en tiraderos (rellenos sanitarios) a cielo abierto o sitios sin control.Ver Figura 1.2

Figura 1.2 Vertedero de basura Fuente:www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia

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GENERALIDADES Los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) son los que se originan en la actividad doméstica y comercial de ciudades y pueblos. 1.4 Composición de los RSU Los residuos producidos por los habitantes urbanos comprenden basura, muebles y electrodomésticos viejos, embalajes y desperdicios de la actividad comercial, restos del cuidado de los jardines, la limpieza de las calles, etc. El grupo más voluminoso es el de las basuras domésticas. La basura suele estar compuesta por: Materia orgánica.- Son los restos procedentes de la limpieza o la preparación de los alimentos junto la comida que sobra. Papel y cartón.- Periódicos, revistas, publicidad, cajas y embalajes, etc. Plásticos.- Botellas, bolsas, embalajes, platos, vasos y cubiertos desechables, etc. Vidrio.- Botellas, frascos diversos, vajilla rota, etc. Metales.- Latas, botes, etc. Otros En las zonas más desarrolladas la cantidad de papel y cartón es más alta, constituyendo alrededor de un tercio de la basura, seguida por la materia orgánica y el resto. En cambio si el país está menos desarrollado la cantidad de materia orgánica es mayor (hasta las tres cuartas partes en los países en vías de desarrollo) y mucho menor la de papeles, plásticos, vidrio y metales. (Ver Figura 1.3)

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GENERALIDADES

Figura 1.3 RSU llevados a un tiradero a cielo abierto Fuente: http://www.tecnun.es

1.5Generación de residuos sólidos municipales Como resultado de las diferentes actividades productivas que desarrollan las sociedades, se generan una serie de desechos sólidos, líquidos o gaseosos que pueden tener efectos negativos sobre el ambiente y la salud humana. Ejemplo de ellos son los residuos sólidos municipales (RSM). Éstos son generados en las casas

habitación

y

provienen

de

cualquier

otra

actividad

dentro

de

establecimientos o en la vía pública que genere residuos con características domiciliarias, y los resultantes de la limpieza de las vías y lugares públicos, siempre que no sean considerados por la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos como residuos de otra índole. En los últimos años, la generación total de RSM se incrementó, alcanzando 34.6 millones de toneladas en el año 2004. Los RSM se producen mayormente en la región Centro (50%), siguiéndole la región Norte (18%) y el Distrito Federal (13%). Durante el periodo 1997-2004, la zona Centro, la Frontera Norte y la zona Sur incrementaron de

manera

significativa

su

generación

de

residuos

(24,

35

y

17%

respectivamente), destacando la zona Centro que alcanzó una generación de 17 millones de toneladas de RSM en 2004.

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GENERALIDADES

Figura 1.4 Porcentaje de generación de RSM por región en el año 2004 Fuente: SEMARNAT

1.5.1 Manejo y disposición de residuos sólidos municipales:

El manejo de los residuos sólidos municipales (RSM) comprende desde su generación, almacenamiento, transporte y tratamiento, hasta su disposición en algún sitio. Aún no se han incorporado en todo el territorio nacional técnicas modernas para la solución de este problema, por lo que es relativamente frecuente que los residuos se viertan sobre depresiones naturales del terreno. Un aspecto importante del manejo es la recolección de los RSM, en 1998 se recolectaba cerca del 85% del total generado y en 2004 esta cifra ascendió a 87%. Actualmente, la mejor solución para la disposición final de los RSM son los rellenos sanitarios. México ha logrado un enorme avance, ya que de 1995 a 2004 el número de rellenos sanitarios se triplicó y la cantidad de RSM que se depositaron en ellos aumentó de 5.9 a 18.3 millones de toneladas (52% de los RSM generados en 2004). El resto aún se deposita en rellenos de tierra controlados (11.5%) y no controlados (32.9%).

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GENERALIDADES 1.6 Residuos Peligrosos Los RP se definen como aquellos que, sustancial o potencialmente, ponen en peligro la salud humana o el medio ambiente cuando son manejados en forma inadecuada y poseen una o más características CRETIB: Corrosivo, Reactivo, Explosivo, Tóxico, Inflamable y Biológico-infeccioso. Son

las

sustancias

que

son

inflamables, corrosivas, tóxicas o

pueden

producir reacciones químicas, cuando están en concentraciones que pueden ser peligrosas para la salud o para el ambiente. El impacto negativo de estas sustancias se ve agravado cuando son difíciles de degradar en la naturaleza. Los ecosistemas naturales están muy bien preparados, por millones de años de evolución, para asimilar y degradar las sustancias naturales. Siempre hay algún tipo de microorganismo o de proceso bioquímico que introduce en los ciclos de los elementos las moléculas. Pero en la actualidad se sintetizan miles de productos que nunca habían existido antes y algunos de ellos, como es el caso de los CFC, DDT, muchos plásticos, etc. permanecen muchos años antes de ser eliminados. Además al salir tantas moléculas nuevas cada año, aunque se hacen ensayos cuidadosos para asegurar que se conocen bien sus características, no siempre se sabe bien que puede suceder con ellos a medio o largo plazo. Otro hecho que aumenta el daño es la bioacumulación que se produce en sustancias, como algunos pesticidas del grupo del DDT. En otras ocasiones los residuos se transforman en sustancias más tóxicas que ellos mismos. Residuos tóxicos y peligrosos (según las directivas de la Unión Europea) son los que contienen en determinadas concentraciones: As, Cd, Be, Pb, Se, Te, Hg, Sb y sus compuestos Compuestos de cobre solubles Fenol, éteres, solventes orgánicos, hidrocarburos policíclicos aromáticos 9

GENERALIDADES cancerígenos Isocianatos, cianuros orgánicos e inorgánicos Biocidas y compuestos fito farmacéuticos Compuestos farmacéuticos Polvo y fibras de asbesto Peróxidos, cloratos y percloratos Carbonilos de metales Acidos y bases usados en el tratamiento de metales Compuestos de cromo hexavalente Organohalogenados no inertes Alquitranes Materiales químicos de laboratorio no identificados o nuevos compuestos de efectos ambientales no conocidos 1.6.1 Gestión La primera medida que se debe considerar siempre es si es posible generar menos residuos o aprovecharlos en otros procesos de fabricación. Continuamente están saliendo nuevas tecnologías que permiten fabricar con menor producción de residuos, lo que tiene la ventaja de que los costes se reducen porque se desperdicia menos materia prima y no hay que tratar tanto residuo. En la actualidad, en la mayor parte de los sectores industriales, existen tecnologías limpias y el problema es más de capacidad de invertir de las empresas y de formación en los distintos grupos de trabajadores que de otro tipo. Muchas empresas están reduciendo llamativamente la emisión de contaminantes y la generación de residuos, ahorrándose así mucho dinero. Pero al final de los procesos industriales siempre se generan más o menos residuos. Con la tecnología actual sería posible reducir el impacto negativo de cualquier contaminante a prácticamente cero. Pero hacerlo así en todos los casos sería tan caro que paralizaría otras posibles actividades. Por eso, en la gestión de los residuos tóxicos se busca tratarlos y almacenarlos de forma que no resulten 10

GENERALIDADES peligrosos, dentro de un costo económico proporcionado. Esto se consigue con diversos procedimientos, dependiendo de cual sea el tipo de residuo. 1.6.2 Sitios con residuos peligrosos. La problemática asociada a los residuos peligrosos (RP) tiene dos grandes líneas; por un lado, la que se deriva de la presencia de sitios ya contaminados y que requieren su remediación y la otra referente a la prevención de la contaminación proveniente de las fuentes en operación. En el país, hasta el año 2004, se tenían identificados 297 sitios contaminados con RP, de los cuales 119 se habían caracterizado (esto es, se clasificaron y priorizaron de acuerdo al grado de riesgo que representan para la salud y el ambiente), y 12 se consideraban como rehabilitados o en proceso de rehabilitación. Los estados que concentran el mayor número de sitios con RP son San Luis Potosí (15%), el Estado de México (10%), Aguascalientes (9.4%), Coahuila (7.1%) y Veracruz (6.7%). Cinco estados no reportan ningún sitio con RP: Baja California Sur, Distrito Federal, Guerrero, Quintana Roo y Tabasco. (Ver Figura 1.5)

Figura1.5: Sitios identificados con RP Fuente:SEMARNAT

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GENERALIDADES 1.6.3 Generación de residuos peligrosos en México No existe certeza plena sobre la generación de residuos peligrosos (RP) en el país. En 1999 se estimó una generación de casi 3.2 millones de toneladas (de 12 mil 514 empresas que lo manifestaron), en el año 2000 se estimó una generación de 3.7 millones de toneladas (27 mil 280 empresas) y en 2004 esta cifra subió a 6.17 millones de toneladas (35 mil 304 empresas). Aunque no se contabilizó la generación de un gran número de micro, pequeñas y medianas empresas potencialmente generadoras de RP, este valor incluye a las principales industrias generadoras del país. De acuerdo con la última información desagregada por estados (año 2000) las entidades que más residuos produjeron fueron Guanajuato y el Distrito Federal que, en conjunto, declararon casi la mitad del total nacional (cerca de un millón 150 mil y 625 mil toneladas por año, respectivamente); en contraste los estados de Baja California Sur y Quintana Roo no sobrepasaron las 160 toneladas por año. En 1996 las fuentes generadoras más importantes de RP en el país fueron los sectores manufacturero (77%) y minero y petrolero (11%). Figura 1.6

Figura 1.6 Generación de RP toneladas/año Fuente: SEMARNAT

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GENERALIDADES

1.7 Biomasa La biomasa es toda la materia que se puede derivar directa o indirectamente de la fotosíntesis de las plantas, encontrándose en forma vegetal o animal, es decir, la biomasa es energía solar transformada. La biomasa para fines energéticos puede provenir de fuentes como las cosechas de plantaciones perennes, las herbáceas de cosecha anual, las gramíneas y las oleaginosas, entre otras. También se obtiene de los residuos de la agricultura, de la industria procesadora de alimentos, de la industria manufacturera de productos de madera y de los residuos sólidos de fuente industrial y municipal. Actualmente se estima una contribución cercana al 10% por parte de los combustibles a partir de biomasa en el suministro primario de energía en el mundo, siendo el promedio del 5% en los países industrializados y cerca del 30% en los países en vías de desarrollo. Los procesos de transformación de biomasa se agrupan en tres grandes grupos: los bioquímicos por acción microbiológica, los termoquímicos, a través de tratamientos térmicos y los físico-químicos. Los procesos de transformación termoquímica son la pirolisis, la gasificación, la combustión y la licuefacción. A través de estos procesos se producen diferentes fracciones de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos y energía térmica, como se ilustra en la Figura 1.7. La fracción en masa de cada uno de estos productos puede ser influenciada por medio de la variación de los parámetros del proceso. El presente trabajo se enfoca en el proceso de pirolisis.

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GENERALIDADES

Figura 1.7: Procesos termoquímicos para la transformación de biomasa y sus principales productos y aplicaciones. Fuente:Pirolisis de masa

Cuando la biomasa se somete a un proceso de pirolisis se obtienen productos tales como: Sólidos (carbón vegetal) Líquidos (Bio-aceite)(Bio-oil) Gases (Combustible gaseoso de bajo o medio poder calorífico) La proporción de que se obtienen cada uno de los productos básicos de la pirolisis depende de: Temperatura del reactor Razón de calentamiento asociada con el tamaño de la partícula Tiempo de residencia de los productos en el reactor. Tecnología empleada (equipamiento) y parámetros de trabajo.

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INCINERACIÓN

CAPÍTULO II INCINERACIÓN

La incineración es la combustión completa de la materia orgánica hasta su conversión en cenizas, usada en el tratamiento de basuras: residuos sólidos urbanos, industriales peligrosos y hospitalarios entre otros. La incineración se lleva a cabo en hornos mediante oxidación química en exceso de oxígeno. El proceso de incineración ha existido en México desde finales de la década de los 70, antes del establecimiento de la legislación que rige actualmente a los residuos peligrosos. Los primeros incineradores se instalaron en hospitales, universidades e institutos de investigación, con el fin de cremar residuos patológicos o cadáveres. La incineración se ofreció como un servicio comercial desde 1990, sin embargo, a partir de 1996, tras la publicación de la NOM-087-ECOL-1995, donde se establecen los requisitos de manejo de los residuos biológico-infecciosos, la infraestructura instalada creció rápidamente, en especial para la incineración de estos residuos, tendencia que se observa claramente en la Figura 2.1 que se muestra a continuación. Actualmente existen en México 35 empresas autorizadas para la incineración de residuos peligrosos. Algunas de ellas cuentan con más de un equipo, por lo que hay un total de 43 incineradores operando, de los cuales el 85% se utiliza para residuos biológico-infecciosos y el 15% restante incinera residuos industriales (DGMIC 2001). A la fecha, la incineración no se aplica como método de tratamiento

para

residuos

sólidos

municipales

a

escala

industrial.

Asimismo, desde 1995 la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT), coordina el grupo de trabajo que elaboró el PROY-NOM-09815

INCINERACIÓN ECOL-2000 sobre incineración de residuos, condiciones de operación y límites de emisión de contaminantes, publicado el 8 de septiembre de 2000 en el Diario Oficial de la Federación (DOF) que actualmente se encuentra en revisión. Esta norma se elaboró considerando tanto la tendencia de la legislación sobre incineración a nivel mundial, como la situación actual de la incineración en México, incorporando condiciones de operación y límites de emisión tan estrictos como en cualquier país tecnológicamente avanzado.

Figura 1.7 Autorizaciones otorgadas para la incineración de residuos. Fuente: Carlos Peréz Torres. DGMIC

2.1 Metodología de evaluación de los sistemas de incineración El método de evaluación de desempeño de los sistemas de incineración se diseñó para valorar los diferentes parámetros de operación de los incineradores, de acuerdo con rangos de operación satisfactorios, basados en su mayoría en los

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INCINERACIÓN lineamientos establecidos por el PROY-NOM-098-ECOL-2000 y las normas aplicables en países donde la incineración es práctica común. Se incluyen también otros parámetros que no están directamente relacionados con el proceso de incineración, pero que deben atenderse para mejorar el desempeño general de las plantas. Así, se asignaron valores de acuerdo con una escala donde se distinguen condiciones y características de una operación ineficiente, satisfactoria o excelente, valoradas con los números 0, 1 y 2 respectivamente, como se muestra en añexo 1. Los criterios empleados para establecer dichos valores están basados tanto en las condiciones establecidas en el PROY-NOM-098-ECOL-2000, como en la legislación y literatura internacionales sobre el proceso de incineración, los cuales se exponen en los siguientes apartados.

2.2 Criterios de combustión Temperatura en la cámara de combustión primaria. Por tratarse de un proceso térmico, la temperatura es uno de los parámetros más importantes para garantizar la destrucción eficiente de los residuos. Sin embargo, para la cámara de combustión primaria existen escasas referencias, ya que este parámetro depende de diversos factores, como el tipo de residuo o de incinerador. En la literatura se reportan rangos de temperatura desde 400 hasta 1,600 °C, no obstante, se recomienda que en el caso de los residuos hospitalarios la temperatura mínima en esta cámara de combustión sea mayor a 760 °C (MidwestResearchInstitute, 1989, USEPA 1990 California Air ResourcesBoard 1992). Asimismo, se recomienda que la temperatura no exceda de 1,000 °C, debido que a partir de este punto, las cenizas pueden fundirse y provocar la incrustación de escorias en el material refractario, ocasionando deterioro en el equipo (Brunner 1993, USEPA 1990).

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INCINERACIÓN Temperatura en la cámara de combustión secundaria. Dependiendo de factores como el tipo de incinerador o de residuo, la cámara de combustión se opera entre 900 y 1,600 °C. Por su parte el PROY-NOM-098-ECOL-2000 señala que aún en las condiciones más desfavorables, los incineradores deben alcanzar una temperatura mínima de 850 °C y en caso de incinerar compuestos clorados, la temperatura debe elevarse hasta 1,000 ± 100 °C. Estas condiciones son similares a las establecidas en la Directiva 2000/76/CE del Parlamento Europeo y del consejo relativo a la incineración de residuos. La USEPA (1990), , sugiere que en esta cámara la temperatura no exceda de 1,200 °C para evitar daños en el material refractario del incinerador.

Tiempo de retención de los gases en la cámara de combustión secundaria. Existe una relación estrecha entre el tiempo de retención de los gases y la temperatura de combustión en la cámara de combustión secundaria, observándose que a mayor tiempo de retención de los gases, la temperatura necesaria para la destrucción de los residuos disminuye (Brunner 1993). En la práctica, se recomienda que el tiempo de retención de los gases en la segunda cámara de combustión sea de uno a tres segundos, en tanto otras regulaciones coinciden en establecer un mínimo de dos segundos (Directiva 2000/76/CE: 4; PROY-NOM-098-ECOL-2000).

Pérdida de materia volátil de las cenizas. En cenizas de fondo, la pérdida de materia volátil es una aproximación de la calidad de combustión de los residuos, debido a que estas cenizas generalmente se exponen a temperaturas iguales o mayores a los 550 °C que se especifican en la prueba estandarizada para su determinación. No obstante, en el caso de las cenizas volantes, éste no es un parámetro representativo debido a que los equipos de control de emisiones operan a temperaturas considerablemente más bajas; además de que en ocasiones se adicionan reactivos que a esa temperatura pueden representar una pérdida de 18

INCINERACIÓN peso adicional. La pérdida de materia volátil permitida en el PROY-NOM-098ECOL-2000 es de 10%, mientras que en la regulación europea y japonesa debe ser menor a 5%.

2.3 Criterios para el tratamiento de gases Control de partículas y gases ácidos. Las partículas se generan por la presencia de materiales no combustibles que alimentan al incinerador por productos de la combustión incompleta de los residuos o por la condensación de compuestos volatilizados. Su concentración en los gases emitidos a la atmósfera depende de la turbulencia así como de la velocidad de los gases en la cámara secundaria. Los equipos que se emplean con mayor frecuencia en la remoción de partículas son los lavadores de gases, ciclones, precipitadores electrostáticos y filtros de bolsas. Por otra parte, los gases ácidos que comúnmente se generan son: HCl, SOx y NOx. En el caso de los dos primeros, no se requieren condiciones especiales de operación para inducir o evitar su formación, pero se pueden remover con relativa facilidad al neutralizar el flujo de los gases con reactivos alcalinos (NaOH y CaOH₂). Sin embargo, la generación de NOx depende de la temperatura de combustión, encontrándose que a partir de 1,000 °C, su concentración en los gases de combustión se incrementa sustancialmente (Brunner 1993). Entre las medidas empleadas para la remoción de NOx se encuentran la recirculación de los gases de la cámara de combustión secundaria y/o la adición de amoniaco en la zona de combustión (IAWG 1997). Por lo tanto, el tratamiento completo de los gases de combustión implica la combinación de varios procesos específicos.

Temperatura de salida de los gases. Se han establecido límites para la temperatura de salida de los gases, principalmente para minimizar la formación de dioxinas por medio de las reacciones de Novo. De acuerdo con esta teoría, la 19

INCINERACIÓN formación de dioxinas y furanos es mínima cuando la temperatura es menor a 250 °C (Lanier 1998), por lo que el PROY-NOM-098-ECOL-2000 establece ese valor como máximo para los gases emitidos a la atmósfera. En Japón se establece que la temperatura de los gases debe reducirse hasta 200 °C para disminuir aún más la posibilidad de generación de dioxinas (Matsumura 1998).

2.3.1 Otros criterios importantes

Manejo de cenizas. Las cenizas de fondo o escorias generadas en la cámara de combustión primaria, se componen principalmente de materiales inertes mientras que las cenizas volantes que se atrapan en los equipos de control de emisiones, presentan mayor concentración de materia orgánica y de metales en forma de compuestos relativamente solubles, algunos de los cuales como el Cd, Ni o Pb, están regulados como constituyentes peligrosos en la NOM-052-ECOL-1993. En Japón y en los países europeos se recomienda que las dos corrientes de cenizas se manejen por separado y que al menos las cenizas volantes se estabilicen antes de su disposición (IAWG 1997). En México y los Estados Unidos de América, las cenizas deben disponerse como residuos peligrosos cuando al realizar una prueba de extracción se encuentren compuestos en concentraciones mayores a las permitidas (IAWG 1997, PROY-NOM-098-ECOL-2000). Tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales de las plantas de incineración provienen de los equipos de lavado de gases o de la limpieza de contenedores, vehículos, derrames, entre otros, y en general se depuran por medio de trenes de tratamiento físico-químico. No obstante, sólo la Directiva 2000/76/CE ha incluido límites para sólidos suspendidos y metales pesados además de dioxinas y furanos en las aguas provenientes de los incineradores. Igualmente, El PROY-NOM-098-ECOL-2000 establece que las aguas residuales deberán ajustarse a los criterios particulares de descarga o a los ordenamientos 20

INCINERACIÓN jurídicos aplicables que en este caso serían las Normas NOM-001-ECOL-1996 Y NOM-002-ECOL-1996. Almacenamiento de residuos. Las condiciones de almacenamiento de residuos peligrosos que aplican para México, están establecidas en el Reglamento en Materia de Residuos Peligrosos de la LGEEPA. Sin embargo, adicionalmente deben considerase para los residuos patológicos las condiciones particulares establecidas en la NOM-087-ECOL-1995, donde se indica que el almacenamiento de estos residuos deberá ser en cámaras de temperatura controlada no mayor a 4 °C. Estas condiciones se respetan en el PROY-NOM-098-ECOL-2000. 2.4 Estudio de caso en plantas de incineración 2.4.1 Parámetros observados Con la finalidad de aplicar la metodología propuesta para la evaluación de la eficiencia de los procesos de incineración que se llevan a cabo en México, se visitaron diez plantas de incineración de residuos peligrosos, biológico-infecciosos y medicamentos caducos. Durante las visitas se observaron equipos de incineración de lecho fijo, de semisuspensión y hornos rotatorios, con cámaras de combustión primaria y secundaria. Las capacidades de operación de estos equipos van desde 109 hasta 588 kg/hora y la operación se realiza en uno o dos turnos, dependiendo de la demanda del servicio. Todos los incineradores de lecho fijo que se visitaron funcionan bajo el régimen de alimentación por lotes o semi-continuo; entre los incineradores de alimentación continua se encontraron dos rotatorios y dos con sistema de semi-suspensión. Estos últimos tienen como característica que los residuos pasan por una operación de reducción de tamaño antes de ser alimentados de forma neumática al incinerador, con lo que se consigue la combustión completa de los residuos en un tiempo más corto que con otros tipos de incineradores. 21

INCINERACIÓN Las temperaturas de operación en la cámara de combustión primaria que se registraron en los incineradores de residuos industriales estuvieron entre 650 y 1,100 °C; en el caso de los incineradores de residuos biológico-infecciosos y medicamentos caducos, se encontró un rango considerablemente amplio, desde 500 hasta 1,100 °C. Las temperaturas encontradas en la cámara de combustión secundaria oscilaron entre 900 y 1,250 °C, aunque en la mayoría de las plantas se encontraron temperaturas entre 1,000 y 1,100°C, un rango apreciablemente más compacto, probablemente debido a que éste es uno de los parámetros establecidos en el PROY-NOM-098-ECOL-2000. Todos los datos obtenidos en relación con el tiempo de retención de los gases en la cámara de combustión secundaria fueron mayores o iguales a dos segundos; sin embargo, debe aclararse que en todos los casos, el valor fue proporcionado por los operadores de cada planta, sin que se tuviera la oportunidad de comprobar la veracidad de la información. En tres de los casos, el operador manifestó desconocer el dato correspondiente. Se observó una variedad de tecnologías en los sistemas de control de emisiones, desde sistemas unitarios donde se realiza el lavado y enfriamiento de los gases en el mismo equipo, hasta trenes completos que incluyen la remoción de partículas empleando lavadores, ciclones o filtros de bolsas y la neutralización de gases ácidos por medio de neutralizadores de HCl y SOx, que emplean reactivos como NaOHy CaOH₂, o la recirculación de los gases para la remoción de NOx. En el 70% de las plantas evaluadas se encontró que empleaban más de uno de los equipos mencionados anteriormente. Las temperaturas de salida de los gases fluctuaron entre 75 y 330 °C, pero se observó que ocho de las diez plantas visitadas cumplen con el estándar de 250 °C establecido en el PROY-NOM-098-ECOL-2000, y cinco de ellas presentaron temperaturas de salida de los gases menores a 200 °C.

22

INCINERACIÓN Por otra parte, se observó que las plantas en general almacenan las cenizas volantes y de fondo de forma conjunta en contenedores temporales dentro de sus instalaciones y posteriormente se vierten sin tratamiento en sitios de disposición de residuos sólidos municipales. La única planta de incineración que manifestó manejar por separado las diversas corrientes de cenizas fue la No. 9, que reincinera las cenizas volantes generadas en el proceso; sin embargo, éste no se considera un tratamiento completamente eficiente, ya que ocasiona que los metales fluyan constantemente en un circuito cerrado dentro del sistema, sin posibilidad de salida, incrementando cada vez su concentración en las cenizas volantes. En cuanto al tratamiento del agua, el 50% de las plantas aplica un tratamiento físico-químico al agua residual generada en el proceso, el cual consiste básicamente en un tratamiento primario de floculación y sedimentación de las partículas arrastradas. Otros sistemas incluyeron la reutilización del agua de lavado de contenedores para el proceso de enfriamiento de los gases o la introducción a la cámara de combustión primaria después de absorberla en una matriz sólida como aserrín. Solamente dos plantas manifestaron no dar tratamiento al agua residual antes de descargar al drenaje municipal. Todas las plantas presentan buenas condiciones de almacenamiento, a excepción de la planta No. 4, que no cuenta con cámara fría para el almacenamiento de los residuos patológicos. El resumen de las condiciones encontradas en las plantas de incineración se muestra en la tabla 1, numeradas en el orden en que se visitaron.

23

INCINERACIÓN Tabla 1. Resumen de prácticas de operación observadas en plantas de incineración

Parámetro

1

RPBI Residuos tratados Medicam. Caducos Tem. CC₁ (°C) Tem. CC₂ (°C) Tiempo CC₂

Tratamiento de gases

2

3

4

RPBI Patológicos

RPBI

RPBI Patológicos

Nº de planta 5 RPBI Patológicos

6

7

RPBI

RPBI Patológicos

650 500 1100 1100 800 725 1100 900 900 1000 1100 1000 2 seg. 2.4 seg 2 seg. Enfriador NTR Lavador/Enfriad Enfriador/Lavad Enfriador Lavador/Enfriad Lavador/Enfriad Ciclón or or NTR or or Filtros Filtros bolsa Ciclón Lavador Chimenea Chimenea bolsa Chimenea Chimenea Chimenea Chimenea

8 RPBI RPI Medicame n. y Agroquími cos 1000 1000 4.3 seg.

Recirculación Lavador NTR Sedimentador Chimenea

800 1100 2 seg.

9

10

RPBI

RPBI Medicam. Caducos

950 1250 < 7 seg.

640 970 2 seg.

Quencher Lavador NTR Chimenea

Lavado NTR Chimene a

Medio absorbente Chimenea

CaOH₂

No

No

No

-

NaOH

NaOH

CaOH₂/Na OH

NaOH

No

130

250

160

300

75

80

200

79

200

330

-

140 Kg/día

67 Kg/día

-

-

250 Kg/día

300 Kg/sem.

1000 Kg/día

-

100 Kg/día

No

No

No

No

No

No

No

No

Reincine ración

No

Tratamiento de agua

Reciclaje

Desinfección

No

No

Floculación

Trat. Fisicoquímico

Floculación/ Recirculación

Trat. Fisicoquímico

Sedimen tación

Incineración

Almacenamiento

Adecuado

Adecuado

Adecuado

No Adecuado

Adecuado

Adecuado

Adecuado

Adecuado

Adecuad o

Adecuado

Combustible

Gas natural

Gas LP

Gas natural

Gas LP

Gas LP

Gas LP

Gas LP

Gas LP

Gas LP

Gas LP

Reactivo Temperatura salida de gas Cenizas Generadas Manejo de Cenizas

Nota: CC₁= Cámara de combustión primaria; CC₂= Cámara de combustión secundaria; - = no especificado; RPI = Residuos peligrosos industriales; RPBI= Residuos peligrosos biológico-infeciosos; NTR= Neutralizador

25

INCINERACIÓN 2.4.2 Caracterización de las cenizas Además de los datos de operación obtenidos de las plantas de incineración, se tomaron muestras de mezclas de cenizas en los contenedores de almacenamiento temporal. En la planta No. 1 se tomaron muestras separadas de cenizas de fondo y volantes. No se obtuvo ninguna muestra en las plantas No. 4 y 10 debido a que el

día

de

la

visita

no

se

encontraban

en

operación.

Todas las muestras de cenizas fueron caracterizadas en cuanto a la pérdida de materia volátil y metales lixiviables. La pérdida de materia volátil se determinó de acuerdo con el método 2540 E de la APHA (1998). Los metales lixiviables se extrajeron de acuerdo con el método descrito en la NOM-053-ECOL-1993, y se cuantificaron por espectrofotometría de emisión atómica por plasma, empleando el método EPA 6010A. Los resultados de estas determinaciones analíticas se muestran en la tabla 2. Nota 1: LD= Límite de detección del laboratorio de espectrofotometría de absorción y emisión atómica del CENICA; LMP= Límite máximo permisible (NOM-052-ECOL-1993); -= No se determinó; g: Fuera del límite. Planta Parámetr o

1 Fond Volante o s

Pérdida de materia 19 volátil (%) Metales lixiviables (mg/L) 0.001 As 0.0013 6

LD mg/L

LM P

2

3

5

6

7

8

9

11.5

0.3

14

0

17.2

2.7

0

0.024 .0.184 3 7

0.050 8

< LD

0.001 1

< LD

0.005 7

0.001

5

10 %

Ba

< LD

3.36

0.47

0.64

0.73

3.48

< LD

0.18

2.26

0.034

100

Cd

1.05

3.91

0.03

< LD

0.04

< LD

20.5

< LD

< LD

0.01

1

Cr

< LD

6.94

0.15

0.24

0.08

< LD

< LD

< LD

0.21

0.01

5

Ni

3.44

29.02

0.28

0.04

0.26

0.53

1.6

0.53

0.62

0.014

5

Hg

0.002

0.0108

Ag

< LD

< LD

0.003 0.0017 0.002 1 < LD < LD < LD

0.08 < LD

0.002 0.001 3 3 < LD < LD

0.001 0.00005 3 3 0.03 < LD

0 5

26

INCINERACIÓN

Pb

3.1

25.86

< LD

< LD

0.19

< LD

0.35

< LD

< LD

0.017

5

Se

0.011 9

0.0041

0.004 0.005 0.0034 4 4

0.003 8

0.007 0.004 4 4

0.002 7

0.001

1

En el caso de la pérdida de materia volátil, se encontraron muestras que presentan valores muy pequeños, desde 0 hasta 2.7%, pero otro grupo tuvo pérdidas de materia volátil muy elevadas, todas mayores a 10% y una cercana al 20%. A partir de estos resultados, se encontró una relación directa entre el mezclado de los residuos en la cámara de combustión primaria y la pérdida de materia volátil de las cenizas resultantes; es decir, en los hornos rotatorios y de semi-suspensión, donde existe mejor contacto de los residuos con el aire y la temperatura, las cenizas presentan valores mínimos de pérdida de materia volátil, mientras que todos los hornos de lecho fijo generan cenizas con pérdida de materia volátil superior al límite dispuesto en el PROY-NOM-098-ECOL-2000, como se aprecia en la Figura 2.2.

Figura 2.2. Relación de la capacidad de mezclado de los tipos de incineradores con la pérdida de materia volátil de las cenizas que generan Fuente: www2.ine.gob.mx

27

INCINERACIÓN En cuanto a metales lixiviables, resalta el hecho de que las muestras de cenizas de fondo y volantes de la planta No. 1 presentan el comportamiento esperado, encontrando cantidades de Cd, Cr, Ni y Pb que rebasan los límites máximos permisibles establecidos en la NOM-052-ECOL-1993 en la muestra de cenizas volantes. En las cenizas de fondo el Cd también rebasa el límite máximo permisible, aunque ésta puede ser una condición inusual debido a la variabilidad de la composición de los residuos hospitalarios. En el resto de las muestras no se encontraron metales en concentraciones superiores a los límites máximos permisibles, probablemente debido al manejo conjunto de cenizas volantes y de fondo que ocasiona la dilución de la concentración de metales lixiviables. Este no es el caso de la muestra de cenizas de la planta No. 9, ya que cuenta con un manejo separado para los diferentes tipos de cenizas.

2.4.3 Aplicación de la metodología de evaluación Después de obtener los parámetros de operación de las plantas de incineración y la caracterización de las cenizas, se aplicó el método de evaluación planteado, asignando puntuaciones a los parámetros de operación de cada planta de acuerdo con los criterios mostrados en la tabla 1. El resultado de la evaluación del desempeño de los incineradores se presenta en la tabla 3, donde se incluye el promedio de la puntuación obtenida por planta y por cada uno de los parámetros evaluados. El promedio se realizó con base en los datos disponibles para cada caso, debido a la falta de información para algunas plantas en cuanto a dos parámetros de combustión.

28

INCINERACIÓN Tabla 3. Evaluación de las plantas de incineración Parámetro

Planta 6 7

1

2

3

4

5

8

9

10 PROM

Temperatura en CC₁

0

0

1

1

2

0

2

2

2

0

1

Temperatura en CC₂

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

1.9

Tiempo en CC₂

-

2

-

2

-

2

2

2

2

2

2

Pérdida de material volátil

0

0

2

-

0

2

0

2

2

-

1

Criterios de combustión

Criterios para el tratamiento de gases Control de partículas y gases ácidos

2

1

1

1

1

2

2

2

2

1

1.5

Temperatura de salida

2

1

2

0

2

2

1

2

1

0

1.3

Manejo de cenizas

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0.1

Tratamiento de agua

2

2

0

0

2

2

2

2

2

2

1.6

Almacenamiento

2

2

2

0

2

2

2

2

2

2

1.8

Otros criterios importantes

Promedio

1.3 1.1 1.3 0.8 1.4 1.6 1.4 1.8 1.7 1.1

1.35

Nota: CC₁= Cámara de combustión primaria; CC₂= Cámara de combustión secundaria; -= No especificado

0 = ineficiente; 1 = satisfactorio; 2 = excelente; c dxn = dioxinas y furanos Fuente: Evaluación de la incineración de residuos peligrosos.

De acuerdo con la metodología aplicada, en la cual se asignan puntuaciones de 0 a 2, se observa que la planta No. 4 obtuvo una puntuación promedio menor a uno, lo que representa un desempeño inferior a lo que se considera una operación satisfactoria. Las plantas No. 2 y 10 escasamente superaron esta cifra; y las plantas 1, 3, 5 y 7 representaron un mejor desempeño con promedios de 1.3 y 1.4. Aunque ninguna planta de incineración alcanzó una evaluación excelente, las plantas No. 6, 8 y 9 se acercan a esta condición.

29

INCINERACIÓN En general, los parámetros donde se registraron los mejores cumplimientos en el proceso fueron la temperatura y el tiempo de retención en la cámara de combustión secundaria, mientras que el desempeño más bajo se encontró en el manejo de cenizas; nueve de las diez empresas manejan las cenizas volantes y de fondo de forma conjunta, disponiéndolas como un residuo no peligroso.

2.5 Componentes de una planta incineradora de residuos Se van a tener distintos tipos de plantas incineradoras según el tipo de residuo que se vaya a tratar en ellas ya sean residuos sólidos urbanos, hospitalarios o industriales. Pero el esquema inicial es el mismo en todos los casos, lo que varían son los tratamientos posteriores de los efluentes gaseosos, los líquidos y las cenizas para eliminar los contaminantes (que varían en cada caso). El esquema básico es el siguiente: 1º- Depósito donde se introducen los residuos que se van a tratar. 2º- De aquí pasan al horno de combustión donde se introduce la cantidad necesaria de aire. 3º- Las cenizas y escorias caen por debajo de un depósito. 4º- Los gases van a una cámara de post-combustión de donde salen hacia unosequipos de control de contaminación de aire. 5º- De aquí salen los gases limpios y a baja temperatura hacia la atmósfera por la chimenea y las cenizas solidas que se han formado, son arrastradas por agua hacia otro depósito para su posterior tratamiento. Figura 2.3

30

INCINERACIÓN

Figura 2.3 Esquema del funcionamiento de una incineradora Fuente:www.tecnun.es

Es muy conveniente quitar algunos de los componentes de la basura antes de incinerarlas. Uno de ellos es el vidrio porque si no, se funde y es difícil de retirar del incinerador. Otro son los restos de los alimentos que contienen demasiada humedad y hacen más difícil la incineración. Al incinerar se produce CO2, partículas diversas, metales tóxicos y otros compuestos que salen como humo. Para evitar que salgan a la atmósfera se deben limpiar los humos con filtros electrostáticos que atraen las partículas, las aglutinan y caen por gravedad a unirse a las cenizas. También pasa el humo por una lluvia de agua con productos químicos que neutraliza y retira compuestos tóxicos del humo. Al final salen los humos mucho más limpios si el proceso funciona bien, lo que no siempre ocurre si no se vigila y pone a punto continuamente.

31

PIRÓLISIS

CAPÍTULO III PIRÓLISIS

La pirólisis es la degradación térmica o volatilización de la biomasa en ausencia de oxígeno y aire. Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor. Productos: Los productos primarios formados son los siguientes en diferentes proporciones según el proceso empleado: 

Gases:

Compuestos

principalmente

de

CO

(Monóxido

de

Carbono),

CO₂(Dióxido de carbono), CH₆(Metano), C₂H₆(Etano) y pequeñas cantidades de hidrocarburos ligeros. 

Líquidos: Compuesto por una gran mezcla de distintos productos como pueden ser: cetonas, ácido acético, compuestos aromáticos, y otras fracciones más pesadas.



Sólidos: El producto sólido de la pirólisis es un residuo carbonoso char que puede ser utilizado como combustible o para la producción de carbón activo.

A través de la variación de los parámetros del proceso de pirolisis como el tipo de biomasa, la temperatura máxima, las condiciones de la atmósfera de reacción, la tasa de calentamiento y el tiempo de permanencia de los productos en el reactor, es posible influir en la distribución y características de sus principales productos. De acuerdo al producto cuya generación se requiere optimizar se selecciona el tipo de reactor que permita controlar las variables de los procesos de transformación termoquímica de la biomasa de manera adecuada. La clasificación de los reactores se hace en cuatro grupos principales, según el movimiento relativo de las fases sólidas y volátil, en reactores de lecho fijo, móvil,fluidizado y 32

PIRÓLISIS de flujo. La característica básica de esta clasificación es la velocidad relativa de las fases sólida y volátil respecto al reactor. Así se pueden lograr condiciones diferentes de permanencia y contacto entre ellas dentro del reactor. La pirólisis se realiza con temperaturas entre 400 ºC y 800 ºC. A estas temperaturas los residuos se transforman en gases, líquidos y cenizas sólidas. Las proporciones relativas de los elementos producidos dependen de la composición de los residuos, de la temperatura y del tiempo que ésta se aplique. Durante la pirólisis se presentan procesos de transformación del material y de la energía que se asocian bajo las variables químicas, y procesos de transferencia de calor y de masa. La presencia de gradientes de temperatura en la cama de material y en las partículas las ocasionan que la biomasa no reaccione de manera homogénea. También se presentan diferencias en la secuencia de las reacciones debidas a las condiciones del transporte de los productos primarios de las reacciones hacia el exterior de las partículas y a través de la cama del material. Estos procesos de transporte son responsables en gran parte de las reacciones secundarias, que se generan a partir de los productos primarios de la pirolisis. El material sólido o carbonizado obtenido se puede utilizar como combustible en procesos industriales, en la cocción de alimentos o como materia prima para la producción de carbón activado. El gas producido se utiliza para la generación de energía mecánica y térmica o puede ser sintetizado para la producción de otros productos químicos. El producto líquido, también identificado como condensado o bioaceite, puede ser convertido en un combustible rico en hidrocarburos para su combustión en motores y en la generación de energía mecánica y térmica. Una corta exposición a altas temperaturas se denomina Pirólisis Rápida, y maximiza el producto líquido. (verFigura 3.1) Con la exposición a temperaturas más bajas durante períodos de tiempo más largos, predominarán las cenizas sólidas. (verFigura 3.2)

33

PIRÓLISIS PIROLISIS

LENTA

COMBUSTIBL ES LÍQUIDOS Metanol

RAPIDA

GAS POBRE

CARBON VEGETA L

CARBON VEGETAL

GAS RICO

COMBUSTI ON GASIFICAD A

COMBUSTIÓ N GASIFICADA

GAS DE SINTESIS METANOL

Figura 3.1 Principales productos y utilización Fuente:Pirólisis de biomasa experiencias y aplicaciones

Tecnología

Tiempo de residencia

Temperatura máxima (ºC)

Producto Final

Carbonización

Horas-días

300-500

Carbón vegetal

Lenta

5-30 min

400-600

Bio-óleo Carbón Gas Rápida

≤1

450-600

Carbón Gas

Rápida

≤1

700-900

Carbón Gas

Figura 3.2: Tecnologías de pirolisis Fuente:Pirólisis de biomasa experiencias y aplicaciones

34

PIRÓLISIS 3.1 Tipos de Pirólisis Anhidra, por ejemplo, al freír, asar o quemar madera para producir carbón vegetal. En aplicaciones industriales se realiza bajo presión y a temperaturas que sobrepasan los 430 ºC. Tratamiento termal por el que se reducen volúmenes inútiles de materiales como el plástico, basura agrícola o residuos de madera, para producir algunos combustibles sintéticos como por ejemplo diesel. Al vacío el material orgánico se calienta para reducir el punto de ebullición y evitar reacciones químicas peligrosas. 3.2 Equipo de procesamiento: Termobalanza Para determinar los parámetros cinéticos de reacción pueden utilizarse diferentes equipos de análisis térmico, que se describen brevemente a continuación Análisis de termogravimetría (TGA): Permite la medición en continuo de la variación de la masa de una muestra de material en función de la temperatura, que puede incrementarse de manera continua o incluir escalones de tratamientos isotérmicos. Los análisis de termogravimetría se pueden realizar a nivel de laboratorio en diferentes escalas de procesamiento que van desde pocos mg hasta varios gramos de la materia prima. Calorimetría diferencial de barrido (DSC): Con esta técnica la muestra se somete a un programa controlado de calentamiento, de tal manera que las diferencias de temperaturas entre la muestra y un material de referencia permiten determinar información como las entalpías de reacción y las temperaturas de transición entre fases y estados de la reacción. Análisis térmico simultáneo (TSA): Esta técnica combina simultáneamente al análisis de termogravimetría con el análisis térmico diferencial o la

35

PIRÓLISIS calimetría diferencial de barrido. Se miden simultáneamente la variación de la masa (TG) y la diferencia de temperatura entre la masa que se procesa y un material de referencia. Análisis continúo de gas generado (EGA): Para el análisis del gas generado durante el procesamiento térmico se acoplan sistemas de análisis que permiten la medición e identificación de diferentes componentes de la mezcla de gas, principalmenteCO, CO₂, CH₄, H₂. El uso de otras técnicas de medición en continuo, como los detectores de ionización por llama (FID), permiten la medición de compuestos de hidrocarburos de mayor peso molecular (

) en la fase volátil.

Otras técnicas: Para el análisis del gas y la fase volátil condensable es corriente el uso de la cromatografía de gases (GC) y de líquidos (HPLC). También se hace uso de la espectrometría de masas (MS) para la identificación de

componentes, especialmente en los

estudios

de

microcinética. Con el uso de las técnicas anteriores es posible determinar el comportamiento de descomposición térmica del material, realizado normalmente en una atmósfera inerte de nitrógeno, aunque pueden usarse otros gases como el argón y el helio. También es posible el estudio bajo condiciones reactivas, utilizando H₂O, CO₂o aire (oxígeno). Balance En el caso de la pirolisis de una llanta se estima que la cantidad de gas que se genera es el 55% en peso y se generan un 35% en peso de cenizas .

36

PIRÓLISIS

B 55 % = 0.55 Kg A C

1 Kg

¿?

T˃ 800

D Combustible

35 % = 0.35 Kg

Balance General

Datos:

A

A= Llanta B= Gases C= Alambres D= Cenizas

B+C+D

1 Kg = 0.55 Kg + 0.35 Kg + D D = 1 Kg – 0.55 Kg – 0.35 Kg D = 0.10 Kg

CH₄ + 3O₂ + S

CO₂ + 2H₂O + SO₂

16 + 96 + 32

44 + 18 + 64

144

144

¿Qué cantidad de O₂ se necesita para quemar CH₄ y así obtener CO₂?

37

APLICACIÓN

CAPITULO IV APLICACIÓN

Incinerar los residuos sólidos tiene dos aspectos muy positivos. Se reduce mucho el volumen de restos a almacenar porque, lógicamente, las cenizas que quedan ocupan mucho menos que la basura que es quemada y además se obtiene energía que se puede aprovechar para diferentes usos. Otra aplicación con respecto a la incineración es la generación de energía la cual se muestra a continuación en la Figura 4.1y Figura 4.2.

Figura 4.1 Representación esquematica de la instalación Fuente: Hitachi ZosenCorporation

38

APLICACIÓN Características de sistema de incineración: Sistema de reciclado térmico que recupera la energía de los residuos Reducción drástica del consumo de combustibles fósiles mediante el uso de los residuos como combustible El calor de la incineración de residuos se utiliza para la caldera de vapor e impulsar la turbina de vapor para generar la energía. Mediante la compactación de los residuos debido a la incineración, se usa eficazmente para el relleno sanitario. Las sustancias nocivas generadas por la combustión, se eliminan en las instalaciones de tratamiento de gas escape Las cenizas volátiles con contenido de sustancias nocivas se estabilizan mediante un tratamiento especial Se realiza la combustión estable que se adapte a los residuos diversificados.

Descripción o principios

Los residuos incinerables del foso son incinerados después de ser enviados mediante el aire al horno de cargador mecánico. El gas de la combustión de alta temperatura de aprox. 800 ºC se recupera por la caldera de vapor. El vapor generado por la caldera se envía a la turbina de vapor y se utiliza para generar la energía. Después de haberse recuperado el calor del gas de escape, se trata enla instalación de tratamiento hasta un valor que esté por debajo de la norma ambiental y se descarga en la atmósfera. Los residuos incinerados se extraen como ceniza voladera y después de la compactación hasta 1/10 del volumen de los residuos. Se disponen en los rellenos sanitarios.

39

APLICACIÓN

Figura 4.1 Representación esquematica de la instalación Fuente:JASE-W Productos y Tecnologías Japonesas de Punta para el Ahorro Inteligente de Energía

Utilización de los productos de la pirolisis Líquidos El bioaceite puede sustituir los aceites combustibles o al diesel en muchas aplicaciones estáticas como calderas, hornos, motores diesel y turbinas de gas. Productos químicos están siendo extraídos o derivados del bioaceite entre los que incluyen: aditivos para combustibles y productos para la industria como son: resinas. Carbón vegetal Se emplea directamente en la metalurgia y en fogones domésticos.

40

APLICACIÓN Gas El gas de calor específico de combustión bajo se puede emplear en motores de combustión interna y el de calor específico alto tanto en motores como en turbinas de gas

41

CONCLUSIONES

En este trabajo recepcional se vio la incineración como un manejo de los RSU para poder reducir el espacio que ocupan asi como para el tratamiento de residuos peligrosos y hospitalarios. Existen aspectos muy importantes que deben mejorarse para incrementar la eficiencia de los incineradores en México; uno de los principales es el diseño de las parrillas en la cámara de combustión primaria, ya que actualmente la mayoría de los equipos son de lecho fijo. Para mejorar el mezclado y consecuentemente la calidad de la combustión de los residuos en la cámara de combustión primaria, debe emplearse tecnología más eficiente como los hornos de alimentación continua. Asimismo, se deben controlar las temperaturas mínimas de combustión, ya que algunas plantas presentaron temperaturas menores a 800 °C en la cámara de combustión primaria, la cual no garantiza la combustión adecuada de los residuos. Es importante destacar que en México, escasamente se contempla el tratamiento adecuado de las cenizas de fondo y volantes, las cuales pueden contener concentraciones importantes de metales capaces de lixiviar por lo que deberían separarse y, al menos las cenizas volantes, estabilizarlas antes de ser enviadas a su disposición final. La pirólisis podría convertirse en una alternativa para contrarrestar el calentamiento global, debido a su eficacia en generación de bioenergía, obtenida de materiales biológicos, también conocidos como biocombustibles.

La pirólisis como generadora de bioenergía ayudaría a reducir las emisiones por combustibles fósiles. Entre sus ventajas está que no exige un desarrollo científico elevado y es una tecnología ecológicamente limpia, sencilla y sólida, aplicable y conveniente para distintas zonas.

42

BIBLIOGRAFIA Evaluación de la incineración de residuos peligrosos Anabell Rosas Domínguez Gestión de residuosindustriales Autor: Jesús Pérez Gómez Kirk-Othmer. (1999). Enciclopedia tematica de la Quimica. Mexico D.F: Grupo Noriega. PIRÓLISIS DE BIOMASA EXPERIENCIAS YAPLICACIONES. Autor: Dr. Ing. PT René LesmeJaén. Pirolisis de Biomasa Alexánder Gómez Wolfgang Klose Sonia Rincón

Paginas de internet El blog verde. (14 de 07 de 2009). Obtenido de El blog verde: http://elblogverde.com/contaminacion-del-suelo/ Water treatment solutions. (2009). Obtenido de Water treatment solutions: http://www.lenntech.es/efecto-invernadero/combustibles-fosiles.htm Contaminación del medio ambiente. (2010). Obtenido de Contaminación del medio ambiente: http://html.rincondelvago.com/contaminacion-delmedioambiente.html Caloryfrio. (2011). Obtenido de Caloryfrio: http://www.caloryfrio.com/energiasfosiles.Html En buenas manos. (2010). Obtenido de En buenas manos: http://www.enbuenasmanos.com/articulos/muestra.asp?art=231 La ruta de la energía. (2010). Obtenido de La ruta de la energía: http://www.larutadelaenergia.org/tipos/v1_b1.asp?v=0&b=0

43

ANEXO 1

Criterios aplicados para valorar el desempeño de las plantas

Parámetro

Rango Valor (b) Observaciones Criterios de combustión (a)

Temperatura en CC₁

Temperatura en CC₂

Tiempo de retención en el CC₂

Pérdida de materia volátil de las cenizas

< 800 °C

0

Combustión incompleta

800 a 1000 °C

2

Combustión adecuada

>1000 °C

1

Daño al material refractario

1200 °C

1

Daño al material refractario

< 2 seg.

0

? Seg

2

> 10 %

0

5 a 10 %

1

Representa combustión satisfactoria

250 °C

0

Altas probabilidades de 44

salida de los gases

generación de dxnc 250 a 200 °C

1

Se reduce la generación de dxn ( C )

< 200 °C

2

La generación de dxn es casi nula

No adecuado

0

Genera condiciones de inseguridad en la planta

Adecuado

2

Existe buen manejo de los residuos

S/separación

0

Procura diluución y disposición inadecuada

Otros criterios importantes Almacenamiento de residuos

Manejo de cenizas

Tratamiento de agua

C/separación

Evita la dilución

C/separación y estabilización

2

Provee el manejo adecuado

Nulo

0

Provoca descarga de contaminantes

Físico-químico

2

Provee tratamiento adecuado

a CC1 = cámara de combustión primaria; CC2 = cámara de combustión secundaria; b 0 = ineficiente; 1 = satisfactorio; 2 = excelente; c dxn = dioxinas y furanos Fuente: Evaluación de la incineración de residuos peligrosos.

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