CAPTULO 1

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CAPTULO 1

1 EMISIONES GENERADAS DESDE UN INCINERADOR DE DESECHOS HOSPITALARIOS

La incineracin es una de las tcnicas mas utilizadas en el manejo de desechos hospitalarios, gracias a que por medio de sta se obtiene una considerable reduccin en volumen, adems de la destruccin de materia que puede convertirse en un peligro para la salud de las personas; desgraciadamente una de las desventajas que presenta la incineracin de residuos slidos es la potencial emisin de sustancias contaminantes al ambiente. Tales sustancias deben ser identificadas y cuantificadas, con la finalidad de establecer las medidas ms adecuadas que deberan tomarse para el control de su emisin al ambiente.

La manera correcta de determinar las emisiones generadas desde una fuente especifica es hacerlo utilizando los Mtodos de Medicin de la EPA (Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos de Amrica), mtodos equivalentes; sin embargo la ejecucin del muestreo utilizando tales mtodos no es fcil, dado que dicho organismo propone una serie de mtodos para diferentes tipos de medicin, as por ejemplo la medicin de las emisiones de material particulado deber hacerse segn el Mtodo 5, de dioxinas y furanos segn el Mtodo 23, de cloruro de hidrgeno segn el Mtodo 26; esto sin mencionar los mtodos para medir el contenido de humedad, o la ubicacin de la sonda de medicin, entre otros. Adicionalmente se debe tomar en cuenta la disponibilidad del equipo de medicin y anlisis de las muestras, y en algunos casos el costo que la actividad implica.

Ante la necesidad de conocer las sustancias contaminantes que van a ser generadas desde un incinerador de desechos hospitalarios, y la cantidad en que van a ser emitidas al ambiente; y dada la imposibilidad de aplicar mtodos de medicin al momento de la ejecucin de ste trabajo, nos vemos precisados a recurrir a tcnicas que permitan estimar, o predecir las emisiones que se pueden esperar en la descarga del incinerador.

El presente captulo tiene por objetivo describir el proceso de incineracin de los residuos hospitalarios y llegar a establecer las caractersticas de los gases de descarga del incinerador, de tal manera que se pueda obtener la informacin necesaria para ejecutar el diseo del sistema de remocin de contaminantes.

1.1 Incineracin de desechos hospitalarios

De una manera generalizada, podemos definir a los desechos hospitalarios como aquellos residuos generados en un hospital por la actividad propia de ste, con excepcin de cadveres o partes anatmicas que normalmente deben estar destinadas para el entierro o cremacin. Sin embargo, una definicin mas acertada [8] parece ser aquella en la cual se califica como desechos mdicos e infecciosos a los residuos generados en el diagnstico, tratamiento, o inmunizacin de seres humanos o animales, en la investigacin relacionada con ello, o en la produccin o muestreo de materia biolgica; sta definicin no incluye desechos peligrosos, cierto tipo de basura domstica, ceniza producto de la incineracin, cadveres o partes destinadas a cremacin o entierro, ni materia que se desecha por el alcantarillado.

Esta ltima definicin de desechos mdicos e infecciosos es muy importante, porque tanto los factores de emisin como los estndares de emisin que se presentan ms adelante, estn relacionados con tal definicin, aunque cabe sealar en esta parte que nosotros nos referiremos a estos residuos como desechos hospitalarios.

El proceso de incineracin de desechos hospitalarios involucra la quema de residuos producidos en hospitales; estos desechos incluyen tanto los infecciosos como los residuos de tipo domstico no infeccioso, de tal manera que al incinerador van a entrar objetos tales como gasas, vendas, sbanas, sondas, papeles, recipientes de vidrio o plstico, guantes, tejidos humanos, agujas, bisturs, slo por mencionar unos cuantos; stos a su vez podran estar impregnados con sustancias qumicas o materia orgnica proveniente de fluidos corporales. Existen varios tipos de incineradores para este tipo de residuos, pero el de ms amplia utilizacin es el de tipo aire controlado; en ste la combustin de desechos ocurre en dos etapas, en la primera los desechos son alimentados y quemados en una cmara primaria en presencia de aire y combustible auxiliar, de tal manera que los desechos van a ser consumidos en dicha cmara generando gases producto de la combustin. En la segunda etapa, los gases van a pasar a una cmara secundaria, la cual est destinada a destruir aquellos compuestos contenidos en los gases, tales como productos de combustin incompleta y compuestos orgnicos procedentes de la cmara primaria.

Los principales objetivos de un incinerador de desechos hospitalarios son: reducir el peligro asociado con los desechos y reducir el volumen y masa de los mismos. Estos objetivos son consumados gracias a la exposicin de los desechos hospitalarios a altas temperaturas durante un periodo de tiempo lo suficientemente largo para destruir organismos que pudieran ser una amenaza, y para quemar la porcin combustible de los desechos. El poder calorfico es obtenido de los mismos residuos y del combustible auxiliar, al ser quemados en presencia de aire; las desventajas de la incineracin incluyen la necesidad de la disposicin de cenizas y la potencial emisin de sustancias txicas y otros contaminantes.

El incinerador de desechos hospitalarios para el cual se disear el sistema de remocin de contaminantes del aire, es similar al de la figura siguiente

Figura 1.1 Incinerador de desechos hospitalarios

con dos cmaras

1.2 Emisiones generadas por el proceso de incineracin

Un incinerador de desechos hospitalarios puede emitir una cantidad significativa de contaminantes a la atmsfera, el nmero de estas sustancias puede superar el centenar. Tales contaminantes incluyen:

Material particulado (PM)

Metales

Gases cidos

xidos de nitrgeno (NOx)

Monxido de carbono (CO)

Compuestos Orgnicos

Otros materiales presentes en desechos mdicos

Material particuladoEs emitido como resultado de la combustin incompleta de orgnicos y el ingreso de materia no combustible en la corriente gaseosa de descarga. El material particulado puede salir como slido o como aerosol, y en adicin a las cenizas voladoras, ste puede contener metales pesados, cidos y restos orgnicos. El ingreso de material particulado a la corriente gaseosa de descarga est relacionado con la turbulencia en la cmara primaria y con el tipo de incinerador, de tal manera que mientras un incinerador de cmara rotatoria emite mucho material particulado, uno del tipo aire controlado en el cual los desechos estn fijos, ser el que emita menor cantidad de material particulado.

Por lo general, el tamao de las partculas generadas desde un incinerador de desechos hospitalarios, est principalmente en el rango inhalable, es decir material particulado menor a 10 m (PM10). Las buenas condiciones de combustin sern de mucha ayuda para reducir la cantidad de partculas as como tambin el tamao de las mismas.

Metales

La cantidad y tipo de metales que se emiten en la descarga, estn en funcin del contenido de compuestos orgnico-metlicos e inorgnicos presentes en los desechos hospitalarios, los cuales pueden ser volatilizados y oxidados bajo las condiciones favorables de alta temperatura y oxidacin en el incinerador. Los compuestos orgnico-metlicos volatilizados, tienden a condensarse sobre la superficie de las partculas, de tal manera que las ms pequeas van a tener una alta concentracin de estos compuestos; los metales tambin pueden ser emitidos como materia en partculas.

Objetos como bisturs de ciruga, bateras y aparatos de medicin son fuentes de restos de metales; plsticos como el policloruro de vinilo (PVC) contienen Cadmio, el cual junto con el Cromo, Mercurio y Plomo son los metales de mayor inquietud para la salud pblica.

El control de emisin de metales a la atmsfera incluye la minimizacin de la vaporizacin de metales presentes en los desechos y la maximizacin de la captacin de partculas pequeas. Por lo general, el sistema de control de emisin de partculas servir tambin para el control de metales, incluyendo el mercurio si se provee un enfriamiento adecuado de los gases.

Gases cidos

La combustin de desechos hospitalarios puede producir emisiones gaseosas en las formas de cloruro de hidrgeno (HCl) y dixido de azufre (SO2), adems de cantidades ms pequeas de otros compuestos, como el fluoruro de hidrgeno (HF). El HCl se forma a partir del cloro contenido en los residuos a incinerarse, el cual a su vez puede encontrarse en plsticos (como el PVC, polietileno y poliestireno) o en ciertos productos qumicos. As mismo, el SO2 se forma segn el contenido de azufre en los desechos y el combustible auxiliar.

Las tcnicas de control para los gases cidos incluyen la depuracin hmeda y la depuracin seca; la idea fundamental es neutralizar el cido y/o colectar los constituyentes cidos en soluciones acuosas o en adsorbentes secos. Otro mtodo de control consiste en separar los componentes de los residuos que contienen grandes cantidades de cloro y azufre, de manera que se obtendr una reduccin en los niveles de emisin de HCl y SO2.

xidos de nitrgeno

Representan una mezcla constituida principalmente de monxido de nitrgeno (NO) y dixido de nitrgeno (NO2). stos a su vez son formados en la combustin como NOx trmico y NOx combustible, el primero es producto de la reaccin a alta temperatura entre el nitrgeno y el oxgeno del aire de combustin, mientras que el segundo se forma mediante reacciones entre el oxgeno y nitrgeno orgnico del combustible.

El control de emisiones de NOx incluye, por un lado, la separacin en el origen de desechos que pueden aportar con nitrgeno orgnico, para el caso del NOx combustible, y por otro lado, los controles de combustin y el tratamiento de los gases de combustin por medio de mtodos como la reduccin cataltica selectiva y la reduccin cataltica no selectiva, para el caso del NOx trmico.

Monxido de carbono

Se presenta como un producto de combustin incompleta (PIC) de materiales que contienen carbono; la emisin de ste contaminante se debe principalmente a tiempos de residencia muy cortos en el incinerador, bajas temperaturas y condiciones de mezclado inferiores a las requeridas. Cuando la combustin no es completa se formar CO en lugar de CO2 (dixido de carbono), por lo tanto como mtodo de control bastar con aplicar buenas prcticas de combustin.

Compuestos orgnicos

Este tipo de compuestos se presentan en la descarga del incinerador debido a fallas en el proceso de combustin, de tal manera que se obtendrn productos de combustin que reaccionaron parcialmente o compuestos que no reaccionaron, es decir se obtendrn productos de combustin incompleta. Tales productos pueden ir desde hidrocarburos de bajo peso molecular hasta compuestos clorados de alto peso molecular como son las policlorodibenzo-p-dioxinas y los ploliclorodibenzofuranos (PCDD y PCDF), conocidos simplemente como dioxinas y furanos; la importancia de estos compuestos radica en que algunos ismeros de estas familias se encuentran entre las sustancias ms txicas que existen.

Para el control de compuestos orgnicos se recomiendan las buenas prcticas de combustin; las cuales incluyen la alimentacin uniforme de los desechos, buena distribucin del aire, y, temperatura, tiempo de residencia y turbulencia suficientes; la aplicacin de stas reducir su emisin. Adicionalmente se puede utilizar el CO como sustituto para supervisar las emisiones de dioxinas y furanos, debido a que el CO tambin depende de las buenas prcticas de combustin.

El tema de las PCDD y los PCDF es complejo, controversial y relativamente nuevo, por lo que an se discuten aspectos sobre sus mecanismos de formacin, sus efectos sobre el ser humano, entre otros. Segn informacin actualizada [3], el control de partculas es importante para reducir las emisiones de dioxinas y furanos, y adems existe evidencia de que los depuradores hmedos pueden capturar estos compuestos si se mantienen por debajo de los 140 oC; sin embargo los controles de combustin siguen siendo la principal estrategia de control.

Otros contaminantes en los desechos hospitalarios

Entre estos podemos encontrar qumicos citotxicos usados en quimioterapia, los cuales son capaces de daar, afectar o matar clulas; tambin podemos encontrar especies radioactivas utilizadas en estudios de diagnsticos in vitro. Los primeros pueden ser destruidos con temperaturas superiores a los 1095 oC; por otro lado, la incineracin se recomienda como un excelente mtodo para el manejo de desechos de baja radioactividad.

En los residuos hospitalarios se pueden encontrar objetos (como sbanas y vendas) o instrumentos que estuvieron en contacto con materiales infecciosos como sangre, fluidos corporales y partes anatmicas. Tanto bacterias como patgenos sern destruidos fcilmente en el incinerador siempre y cuando se aseguren las condiciones que maximizan la destruccin de compuestos orgnicos, es decir, las buenas prcticas de combustin.

1.3 Estimacin de las emisiones contaminantes

El objetivo en esta parte del trabajo es obtener los parmetros bsicos que se requieren para el diseo del sistema de control de emisin de contaminantes, es decir vamos a determinar cules sustancias sern emitidas, en qu cantidad van a ser generadas y cuanto debe removerse de stas para reducir su emisin hasta un nivel aceptable. Estos valores se determinarn a partir de la informacin obtenida del diseo del incinerador, la cual se expone en las siguientes lneas.

Podemos considerar que el aparato tiene las cmaras primaria y secundaria conectadas en serie como una sola cmara cuyas paredes estn cubiertas por material refractario de 22 cm de espesor, quedando finalmente las dimensiones de 37 cm de dimetro interno por 300 cm de longitud, para dicha cmara. En la cmara primaria se alcanzar una temperatura de 800 C, mientras que en la cmara secundaria se espera alcanzar 1200 C.

El diseo trmico del incinerador de desechos hospitalarios fue realizado haciendo un anlisis de la distribucin de temperaturas en las paredes del aparato y considerando el tiempo de residencia de los gases en su interior; tal anlisis fue hecho para las primeras 5 horas de operacin del incinerador.

El aparato fue diseado considerando como la situacin ms crtica aquella en la que el incinerador trabaja sin carga de desechos hospitalarios, por lo que el flujo msico de combustible obtenido en los clculos representa el mximo valor que se necesitara para obtener en su interior la temperatura deseada; adems se consider para dichos clculos que el flujo msico de los gases de combustin era 20 veces el del combustible.

Hemos extrado parte de la informacin del diseo trmico del incinerador y la presentamos en la siguiente tabla

TABLA 1

DATOS DEL DISEO DEL INCINERADORHoraConsumo de dieselFlujo de los gases de combustinTemperatura de los gases de combustin

(gal/h)(kg/h)(kg/h)(oC)

18.2230.41608.2922.46

24.2915.88317.61006.48

33.3312.34246.81047.74

42.7610.20204.01073.1

52.348.65173.01090.8

Como podemos ver, el mayor consumo de combustible se da en la primera hora, ya que durante sta se deber alcanzar la temperatura deseada, que se ha establecido en 1200 oC para la cmara secundaria, partiendo desde la temperatura ambiente. Durante las siguientes horas, el consumo de combustible desciende gradualmente junto con el flujo msico de los gases de combustin, notndose cierta tendencia a la estabilizacin a medida que transcurre el tiempo.

Adems de esto, se conoce que el combustible a utilizarse es Diesel producido en Ecuador y que el diseo incorpora un sistema de recuperacin de energa a partir de los gases calientes de descarga, mediante la utilizacin de un intercambiador de calor, por esta razn aunque la temperatura alcanzada en el interior del incinerador ser de 1200 oC, su valor a la salida del intercambiador de calor ha sido establecido en 600 oC; ste valor corresponde a la temperatura a la cual se reciben los gases para ser tratados, los cuales se asume que salen a 1 atm. de presin.

Para nuestros clculos en el presente trabajo, nos vemos precisados a escoger los datos correspondientes a una hora determinada de funcionamiento del incinerador. Partiendo del hecho de que la primera hora de operacin del aparato servir en parte para calentar su interior, consideramos que tomar los datos de la primera hora de funcionamiento sera errneo y dara como resultado un sobredimensionamiento del sistema de remocin de contaminantes. Tampoco sera correcto tomar los valores correspondientes a la cuarta o quinta hora de funcionamiento, ya que no podemos despreciar el hecho de que estamos tratando con perodos de 1 hora de operacin, es decir no se puede pasar por alto la operacin durante las primeras horas ya que de todas maneras se va a generar contaminacin por periodos de tiempo considerables. Por lo tanto hemos llegado a la conclusin de que los valores presentados en la segunda hora de funcionamiento sern los ms adecuados para su utilizacin en nuestros clculos.

Adicionalmente es necesario modificar ligeramente el flujo msico de los gases de combustin para tomar en consideracin el aire adicional requerido al incluir los desechos a incinerarse, puesto que en los clculos realizados para llegar a los resultados presentados en el diseo trmico del incinerador, no se consider la presencia de los desechos. Por ello, vamos a tomar un 20% adicional al valor presentado como flujo msico de los gases de combustin, en la segunda hora, es decir: G = 1.2 317.6 = 381.12 kg/h

Este flujo, junto a los dems datos con los cuales vamos a trabajar de aqu en adelante, y que son de gran importancia para la realizacin de esta tesis se presentan en resumen en la tabla siguiente

TABLA 2

VALORES SELECCIONADOS PARA EL DISEO

DEL SISTEMA DE REMOCIN

ParmetroValor

Cantidad de desechos a incinerarse5 kg/h

Tipo de combustible auxiliarDiesel 2

Flujo de combustible auxiliar15.88 kg/h

Flujo de los gases de combustin381.12 kg/h

Temperatura de salida de los gases600 oC

1.3.1 Descripcin del procedimiento empleado

Para llevar a cabo el proceso de estimacin de emisiones contaminantes generadas por el incinerador de desechos hospitalarios, vamos a hacer uso de dos tcnicas; cada una va a generar resultados diferentes, sin embargo finalmente podremos combinar ambos resultados con la finalidad de obtener valores representativos de las emisiones reales que se generarn.

La primera tcnica que vamos a utilizar para lograr nuestro objetivo, es la ejecucin de un balance de masa sobre el incinerador, para lo cual se va a considerar como masa de ingreso el conjunto formado por los desechos, el combustible y el aire de combustin, mientras que como masa de salida se considerarn los gases producto de la combustin y la ceniza generada en la combustin; las sustancias que se generan en el proceso de incineracin de residuos hospitalarios son muy numerosas, resultara imposible predecir todas las sustancias que se van a generar, por lo tanto vamos a considerar solo las principales en el balance de masa partiendo de ciertas asunciones que se hacen ms adelante.

El balance de masa consistir en hallar una frmula aproximada de la mezcla combustible total (desechos hospitalarios + combustible lquido), para luego haciendo uso de dicha frmula, balancear una reaccin qumica de combustin y de esta forma obtener los productos de combustin. Esto a su vez permitir establecer, por medio del nmero de moles de los productos gaseosos, el volumen de los gases de descarga a la salida del incinerador.

La segunda tcnica consiste en la utilizacin de los factores de emisin publicados por la U.S. Environmental Protection Agency (EPA) en el documento Compilation of Air Pollutant Emission Factors [7] mejor conocido como AP 42. Entre los usos que se les da a tales factores de emisin, est el de estimacin de emisiones desde una fuente especfica, en nuestro caso el incinerador de desechos hospitalarios. Los factores de emisin requeridos se encuentran en la seccin 2.3 del mencionado documento.

1.3.2 Caracterizacin de materiales a incinerarse

Para poder ejecutar el balance de masa, es necesario conocer la composicin qumica de los desechos a incinerarse; debido a que tal composicin vara con el tipo de material, sera muy til conocer cules materiales y en qu cantidad van a ser incinerados.

Por esta razn vamos a recurrir a la informacin obtenida en un estudio realizado en Ecuador bajo el nombre de Proyecto de Asesora Tcnica en Incineradores de Desechos Hospitalarios [15], auspiciado por la Red Panamericana de Manejo de Residuos y el Ministerio de Salud Pblica; en ese estudio se presenta, grficamente, la composicin aproximada de los desechos hospitalarios en base a informacin obtenida en hospitales de las principales ciudades del pas. El objetivo principal de ese estudio realizado en 1998 fue examinar el estado de la incineracin de desechos hospitalarios en Ecuador, por medio del monitoreo de las emisiones gaseosas, de las variables del proceso termo-qumico y de las condiciones de operacin; entre los aspectos que fueron estudiados, estuvieron la caracterizacin de los desechos hospitalarios, la caracterizacin de los gases de descarga, el anlisis de las escorias, entre otros.

Se destaca en los resultados que los residuos hospitalarios estaban constituidos, en una proporcin mayor al 70%, por papeles, plsticos y textiles, lo cual era evidencia de que en los desechos existan materiales que deberan haber sido manejados como residuos comunes, es decir no deban entrar al incinerador.

A continuacin mostramos la composicin aproximada de los desechos hospitalarios a incinerarse, en porcentaje de masa, la cual ha sido extrada del estudio mencionado anteriormente. Adicionalmente se calcula el peso en base seca de los mismos de acuerdo al contenido de humedad tpico (apndice A) que presentan los residuos slidos, siendo 5 kilogramos por hora la cantidad a incinerarse.

TABLA 3

CARACTERIZACIN DE LOS DESECHOS HOSPITALARIOS

ComponentePeso*Peso hmedoContenido de humedad tpicoPeso seco

(%)(kg) (%)(kg)

PAPEL231.15061.081

PLSTICOS35.31.76521.730

TEXTILES130.650100.585

METAL20.10030.097

MADERA0.30.015200.012

VIDRIO110.55020.539

FLUIDOS90.450410.266

INERTES0.40.02080.018

ORGNICOS60.30078.290.065

TOTAL10054.393

*Distribucin aproximada de desechos hospitalarios en Ecuador

1.3.3 Estimacin por balance de masa

El objetivo en esta parte del problema es obtener una reaccin qumica con sus reactivos y productos debidamente balanceados. Pero antes es necesario hallar una frmula aproximada del material combustible, que en nuestro caso es la mezcla de los desechos hospitalarios con el combustible (5 kg/h de desechos + 15.88 kg/h de diesel); para ello es necesario caracterizar la composicin qumica de la mezcla combustible, es decir el contenido de Carbono, Hidrgeno, Oxgeno, y dems elementos que fuera posible. Esto ltimo se puede hacer conociendo el anlisis elemental de los componentes de residuos slidos, que no es ms que el contenido promedio de los elementos qumicos que se encuentran en residuos comunes como papel, metales, plsticos, etc. De manera similar se debe proceder con el contenido del combustible lquido.

En el apndice B se muestra una tabla con la distribucin de los elementos qumicos, tanto para los desechos hospitalarios como para el combustible auxiliar (Diesel 2); los valores entre parntesis son porcentajes de masa.

Para hallar la distribucin de los elementos qumicos contenidos en los desechos hospitalarios, se utilizaron tablas (apndice C) que muestran la composicin del diesel, producido en Ecuador, y datos tpicos sobre el anlisis elemental de residuos slidos en porcentaje del peso en base seca.

De los resultados obtenidos en la ltima fila de la tabla del apndice B, podemos conocer la distribucin de cada uno de los elementos contenidos en la mezcla, en base seca y en base hmeda. Para obtener el peso en base hmeda, simplemente se debe aadir la humedad (la diferencia entre el peso seco y el peso hmedo), descompuesta en hidrgeno y oxgeno, a la composicin en base seca. El resultado obtenido es el siguiente

TABLA 4

COMPOSICIN DE LA MEZCLA COMBUSTIBLE

ComponentePeso (kg)

Sin aguaCon agua

CARBONO15.78615.786

HIDRGENO2.3962.464

OXGENO0.8991.443

CLORO0.2920.292

AZUFRE0.0590.059

NITRGENO0.0560.056

CENIZA0.7810.781

Total20.26920.880

El siguiente paso consiste en expresar los resultados obtenidos en moles, para luego hallar la fraccin molar de cada elemento en la mezcla. Este ltimo valor representa el subndice de cada elemento en la frmula qumica aproximada del combustible libre de cenizas, es decir, los subndices de:

CzHyOxClwSvNuLos resultados obtenidos se muestran a continuacin en la tabla 5

TABLA 5

FRACCIN MOLAR DE LOS ELEMENTOS

ComponentePeso atmicoMolesFraccin molar

(g/mol)Sin AguaCon AguaSin AguaCon Agua

CARBONO121315.4691315.4690.34790.3387z

HIDRGENO12395.8752463.7730.63360.6344y

OXGENO1656.21890.1670.01490.0232x

CLORO35.458.2338.2330.00220.0021w

AZUFRE321.8551.8550.00050.0005v

NITRGENO144.0094.0090.00110.0010u

Donde los moles de cada componente han sido obtenidos por la relacin: n = m / MW, siendo:

m = peso del componente, g

MW = peso molecular del elemento, g/mol

La fraccin molar es simplemente la relacin del nmero de moles del componente para el nmero de moles total, por lo tanto la frmula aproximada del combustible es la siguiente:

C0.3387H0.6344O0.0232Cl0.0021S0.0005N0.0010Finalmente podemos proceder a desarrollar y balancear la reaccin qumica que describe el proceso de combustin, partiendo del balance de masa sobre el incinerador, el cual se muestra esquemticamente en la figura 1.2

FIGURA 1.2

BALANCE DE MASA DEL INCINERADOR

La reaccin de combustin balanceada y expresada en funcin de la fraccin molar de los elementos presentes en la mezcla combustible, ha sido tomada de un texto que trata el tema de incineracin de desechos slidos [3]. Dicha ecuacin ha sido desarrollada en base a la composicin de la mezcla combustible libre de ceniza y asumiendo que:

Se desprecia la formacin de Cl2, SO3 y NOx El oxgeno en la mezcla desechos + combustible est disponible qumicamente como un oxidante (y no por ejemplo, ligado como un xido inorgnico)

La composicin del aire es 79% de Nitrgeno y 21% de Oxgeno

La combustin es completa

Basndose en estas condiciones, la ecuacin puede ser escrita como:

CzHyOxClwSvNu + r(z + + v - x/2) O2 + r(79/21)(z + + v x/2) N2 ( z CO2 + 2 H2O + w HCl + v SO2 + [u/2 + r(79/21)(z + + v x/2)] N2 + (r 1)(z + + v x/2) O2 (1.1)donde,

= ( y w ) / 4 ; y > w

= 0 ; y w

El trmino r-1 representa el exceso de aire que es utilizado, de tal manera que si r = 1, entonces la combustin es estequiomtrica; en nuestro caso el exceso de aire que permite obtener 381.12 kg/h de gases de combustin es 39.37 %, por lo tanto r = 1.3937.

Sustituyendo los valores de los subndices, z, y, x, w, v, u por los valores hallados en la tabla 5, la ecuacin queda expresada como

C0.3387H0.6344O0.0232Cl0.0021S0.0005N0.0010 + 0.6769 O2 + 2.5465 N2 ( 0.3387 CO2 + 0.3162 H2O + 0.0021 HCl + 0.0005 SO2 + 2.5470 N2 + 0.1912 O2Esta ecuacin qumica representa la combustin de 1 mol de la mezcla desechos + combustible, libre de ceniza, que equivale a 5.1756 g. De manera similar se puede obtener la masa de los otros reactivos y productos, multiplicando el nmero de moles por el respectivo peso molecular de cada uno de los compuestos. Pero la cantidad real que se quema no es 1 mol, sino que viene dada en funcin de la masa de desechos y combustible libres de ceniza que ingresa al incinerador, o sea:

m = mdesechos + combustible mcenizam = 20.88 kg 0.781 kg

m = 20. 099 kg

la cual expresada en moles resulta ser

n = m / MW

n = 20.099 g / (5.1756 g/mol)

n = 3883.506 moles

Con este ltimo valor y con las relaciones molares de la ecuacin de combustin balanceada, podemos hallar el nmero de moles reales que intervienen en el proceso de combustin y por lo tanto la masa correspondiente a cada compuesto.

TABLA 6

ESTIMACIN DE EMISIONES POR BALANCE DE MASAPara 1 mol de mezclaValores estimadosMasa total ( kg )

MolesMasa ( g )MolesMasa ( kg )

REACTIVOSDesechos + Combustible1.00005.17563883.50620.099381.120

O20.676921.66112628.78784.121

N22.546571.30139889.247276.899

PRODUCTOSCO20.338714.90421315.46957.881381.120

H2O0.31625.69071227.77022.100

HCl0.00210.07738.2330.300

SO20.00050.03061.8550.119

N22.547071.31579891.252276.955

O20.19126.1195742.66223.765

Total de cenizas*---0.7810.7806

*Corresponde a las cenizas de fondo y a las cenizas voladoras

Las columnas que se presentan en la tabla 6 como valores estimados corresponden a las cantidades reales que intervienen en la combustin, por lo tanto el valor de los productos que se presentan en tales columnas, corresponde a la emisin estimada de cada uno de ellos, en moles y en kilogramos, para 1 hora de funcionamiento del incinerador. En la ltima columna se puede apreciar la igualdad de masa entre reactivos y productos, lo cual demuestra que el proceso ha sido desarrollado correctamente.

La parte que corresponde a las cenizas, est presente tanto en los reactivos como en los productos, pues las cenizas no reaccionan para formar ningn compuesto, ya que constituyen la parte no combustible de los desechos. Sin embargo, el valor obtenido representa tanto las cenizas de fondo como las cenizas voladoras; las primeras son el residuo no quemado de los desechos hospitalarios, constituidas principalmente por vidrio y metales, mientras que las cenizas voladoras son partculas finas generadas por el proceso de combustin y arrastradas por la corriente gaseosa.

Para predecir la cantidad de cenizas que sern arrastradas en la descarga del incinerador, se recurre a la tcnica expuesta en la siguiente seccin.

1.3.4 Estimacin por factores de emisin

Desde 1970 la EPA ha publicado y ha venido mejorando y actualizando el documento Compilation of Air Pollutant Emission Factors que se conoce popularmente como AP42. Un factor de emisin relaciona la cantidad (en peso) de un contaminante emitido para una unidad de actividad de la fuente, en nuestro caso kg de contaminante por Mg (Megagramos) de desechos hospitalarios incinerados; tales factores pueden ser utilizados para estimar las emisiones desde una determinada fuente.

Cabe indicar que estos factores de emisin han sido desarrollados, en Estados Unidos, a partir de informacin obtenida por medio de pruebas realizadas a incineradores de varios establecimientos de ese pas; y que adems tienen un rango de confiabilidad, desde A (muy confiable), hasta E (poco confiable). Por otro lado la composicin de los desechos hospitalarios puede variar de un hospital a otro por diversas causas, tales como el tipo de actividades que se realizan o el reciclaje de ciertos materiales.

Es evidente entonces que los resultados obtenidos al aplicar factores de emisin, por ningn motivo podrn ser considerados como exactos; sin embargo su utilidad radica en que los valores numricos obtenidos van a representar un rango en el cual se est emitiendo determinada sustancia, de tal manera que estos resultados servirn para establecer el grado de importancia que tiene un contaminante y por lo tanto el tipo de control que debera utilizarse para reducir su emisin.

Partiendo del hecho de que los materiales que se encuentran normalmente en los desechos hospitalarios son similares de un establecimiento a otro, vamos a utilizar los factores para hacer la estimacin de emisiones, teniendo en mente que es preferible confiar en la informacin obtenida del balance de masa hasta donde sea posible.

El Volumen I del documento Compilation of Air Pollutant Emission Factors, en su Quinta Edicin de Enero de 1995, presenta los factores de emisin para fuentes puntuales estacionarias y de rea. El captulo 2 del mencionado documento est relacionado con la disposicin de desechos slidos, del cual, la seccin 2.3 est dirigida a la incineracin de desechos hospitalarios y contiene los factores de emisin para dicha aplicacin. Esta informacin puede ser obtenida accediendo a la Technology Transfer Network del sitio web de la EPA [7]. La tabla 7 ha sido extrada del mencionado documento, y muestra la distribucin de tamao de partcula en los gases de descarga de un incinerador de desechos hospitalarios del tipo aire controlado. El grado de confiabilidad de dichos valores es E (poco confiable), sin embargo stos se encuentran en el rango que sealaba la teora, es decir el rango respirable PM10.

TABLA 7

DISTRIBUCIN DE TAMAO DE PARTCULA

Dimetro de corte

( m )Porcentaje de masa acumulada menor que el tamao establecido fuente no controlada

( % )Porcentaje de masa acumulada menor que el tamao establecido usando lavador

( % )

0.62531.10.1

1.035.40.2

2.543.32.7

5.05228.1

10.06571.9

Adems, el documento AP 42, Seccin 2.3 contiene tablas en las que constan los factores de emisin para varias sustancias contaminantes; estos factores vienen dados en kg de contaminante por Mg (Megagramos) de desechos. Un manual para la estimacin de emisiones citado como referencia [19] establece que para realizar los clculos utilizando los factores de emisin debera tomarse la masa seca de los desechos hospitalarios, y que en el caso de sustancias como monxido de carbono, fluoruro de hidrgeno, xidos de nitrgeno, material particulado, dixido de azufre, cloruro de hidrgeno y compuestos orgnicos voltiles totales, debera utilizarse la masa seca de la mezcla desechos + combustible auxiliar. Esto ltimo tiene mucho sentido, por cuanto la emisin de la mayora de las sustancias citadas est directamente relacionada con la composicin del combustible auxiliar.

TABLA 8

ESTIMACIN DE EMISIONES UTILIZANDO FACTORES DE EMISIN 1

Sustancia de emisin estimadaFactor de emisin (AP-42)ConfiabilidadEmisin estimada del contaminante

(kg de contaminante / Mg de alimentacin)(kg)(g)

Monxido de Carbono1.48A0.030029.998

Fluoruro de Hidrgeno0.0743D0.00151.506

xidos de Nitrgeno1.78A0.036136.079

Material Particulado Total2.33B0.047247.227

Dixido de Azufre1.09B0.022122.093

Cloruro de Hidrgeno16.8C0.3405340.518

Compuestos Orgnicos Totales0.15B0.00303.040

Las tablas 8 y 9, presentan los factores de emisin para cada una de las sustancias junto al grado de confiabilidad de cada uno; adicionalmente se presenta el valor estimado de la emisin de cada sustancia, el cual ha sido calculado multiplicando la masa correspondiente (en Megagramos) por el respectivo factor; los valores obtenidos son para 1 hora de funcionamiento del incinerador.

TABLA 9

ESTIMACIN DE EMISIONES UTILIZANDO FACTORES DE EMISIN 2

Sustancia de emisin estimadaFactor de emisin (AP-42)ConfiabilidadEmisin estimada del contaminante

(kg de contaminante / Mg de desechos)(kg)(mg)

Plomo0.0364B1.629E-04162.875

Bifenilos Policlorados (PCBs)0.0000233E1.043E-070.104

Aluminio0.00524E2.345E-0523.447

Antimonio0.00639D2.859E-0528.593

Arsnico0.000121B5.414E-070.541

Bario0.00162D7.249E-067.249

Berilio0.00000312D1.396E-080.014

Cadmio0.00274B1.226E-0512.260

Cromo0.000388B1.736E-061.736

Cobre0.00624E2.792E-0527.922

Hierro0.00722C3.231E-0532.307

Manganeso0.000284C1.271E-061.271

Mercurio0.0537C2.403E-04240.286

Niquel0.000295B1.320E-061.320

Plata0.000113D5.056E-070.506

Talio0.000551D2.466E-062.466

Bromuro de Hidrgeno0.0216D9.665E-0596.651

Cloro0.0523E2.340E-04234.022

Dibenzo-P-Dioxinas Cloradas0.0000107B4.788E-080.048

Dibenzofuranos Clorados0.0000358B1.602E-070.160

Los resultados se han presentado tambin en gramos y miligramos, para tener una idea ms clara de la relacin existente entre la emisin de cada sustancia. En la tabla 8 se ha hecho el clculo considerando la masa seca de la mezcla de desechos y combustible auxiliar, la cual fue determinada en la seccin anterior (apndice B) como 20.269 kg, mientras que en la tabla 9 se utiliza solamente la masa en base seca de los desechos a incinerarse, es decir 4.393 kg.

1.4 Eficiencia requerida para la remocin de contaminantes

Para hallar la eficiencia de remocin requerida ser necesario expresar las emisiones en unidades consistentes y compararlas con un estndar. Existen estndares de emisin especiales para incineradores de desechos hospitalarios nuevos, los mismos que han sido establecidos por la EPA en el Cdigo de Regulaciones Federales (40 CFR 60) como Estndares de Desempeo para Fuentes Nuevas.

La informacin obtenida en las secciones anteriores, especialmente los resultados del balance de masa, sern de gran utilidad en el desarrollo de esta parte del trabajo.

1.4.1 Regulaciones aplicables a incineradores de desechos hospitalarios

En Ecuador, las polticas medioambientales estn establecidas en el Texto Unificado de Legislacin Ambiental Secundaria; y aunque el Anexo 3 del Libro VI del mencionado texto muestra lmites permisibles de emisin para fuentes fijas de combustin, no se establecen dichos lmites para el caso especfico de incineradores de desechos hospitalarios.

Sin embargo, la Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos de Amrica (EPA) es un organismo reconocido internacionalmente en la investigacin y desarrollo de diversas reas relacionadas con el medio ambiente, razn por la cual, la informacin que esta entidad provee es tomada como referencia en muchos pases, y el nuestro no es la excepcin. Por tal motivo vamos a recurrir a parte de esa informacin para establecer los lmites permisibles de emisin que debemos adoptar en esta aplicacin.

En Septiembre de 1997, la EPA public estndares de desempeo para fuentes nuevas y normas de emisin para fuentes existentes, aplicables a Incineracin de Desechos Hospitalarios. Esta informacin aparece en el Registro Federal de los Estados Unidos de Amrica (Volumen 62, comenzando por la pgina 48347) y se encuentra disponible accediendo al sitio web de la EPA [8].

El ttulo 40 del Cdigo de Regulaciones Federales, Parte 60 (40 CFR 60), establece Estndares de Desempeo para Fuentes Estacionarias Nuevas (New Source Performance Standards NSPS) y Normas de Emisin para Fuentes Existentes, aplicables a Incineradores de Desechos Hospitalarios, Mdicos e Infecciosos. La subparte Ce del 40 CFR 60 est dirigida a incineradores existentes, considerados como tales si fueron construidos antes del 20 de Junio de 1996, para los cuales se establecen Normas de Emisin.

Aquellos incineradores construidos despus del 20 de Junio de 1996 no estn sujetos a las normas de la subparte Ce; stos son considerados Fuentes Nuevas y como tales estn sujetos a los NSPS de la subparte Ec.

La tabla 1 de la subparte Ec (apndice D), presenta los lmites permisibles de emisin para incineradores de tamao pequeo, mediano y grande. En el texto del documento se establece que un incinerador es considerado como pequeo si su capacidad de carga es menor o igual que 200 libras por hora; ste ltimo corresponde a nuestro caso.

Los valores que se presentan como lmites de emisin estn en base seca y corregidos al 7% de O2; adems se establece que las condiciones estndar a las que se hace referencia en ese documento han sido tomadas como 20oC y 101.3 kilopascales.

1.4.2 Determinacin de la eficiencia de remocin requerida

Una de las formas ms utilizadas para expresar la concentracin de un contaminante es en unidades de masa por volumen; esto conduce a la necesidad de hallar el volumen de la descarga gaseosa. Para ello, vamos a utilizar el nmero total de moles de los gases de escape, en combinacin con la Ley de los Gases Ideales:

PVo = nRuT (1.2)

donde

P = presin. Pa

Vo = volumen, m3n = nmero de moles

Ru = constante universal de los gases, 8.314 m3-Pa/gmol-K

T = temperatura, K

Para hallar el nmero de moles en los gases de descarga, utilizamos los datos obtenidos previamente en el balance de masa, de donde obtenemos lo siguiente:

TABLA 10

MOLES DE LA DESCARGA GASEOSA

Gases de descargaMoles

CO21315.469

H2O1227.770

HCl8.233

SO21.855

N29891.252

O2742.662

Total13187.2403

Los estndares de emisin respecto a los cuales vamos a comparar la concentracin de las sustancias contaminantes, han sido desarrollados tomando como condiciones estndar 20 oC de temperatura 101.3 kPa de presin atmosfrica. De manera que el volumen en condiciones estndar es calculado como

Para expresar las emisiones en trminos de concentracin utilizamos la siguiente relacin

C = m / Vo

donde

C = concentracin del contaminante, mg/scm

m = masa estimada del compuesto, mg

Vo = volumen estndar de la descarga, scm

Algunos estndares respecto a los cuales vamos a comparar, vienen dados en partes por milln volumtricas (ppmv); para llevar las unidades de mg/scm a ppmv, se utilizar la relacin

(1.3)

donde

C = concentracin del contaminante, mg/scm

Ru = constante universal de los gases, 8.314 m3-Pa/gmol-K

T = temperatura estndar, K

P = presin estndar, Pa

MW = peso molecular de la sustancia contaminante, g/gmol

La concentracin obtenida para las 9 sustancias reguladas por los estndares de emisin se presentan en la tabla 11; los resultados han sido obtenidos utilizando las relaciones descritas anteriormente y estn expresados en mg/scm, y luego, si fuera el caso, transformados a unidades equivalentes que permitirn comparar con el estndar.

TABLA 11

CONCENTRACIN DE LAS SUSTANCIAS CONTAMINANTES

SUSTANCIACONCENTRACIN

en (mg/scm)en unidades comparables con estndar

Material Particulado148.9476148.9476mg/scm

Monxido de carbono94.610581.2420ppmv

Dioxinas / Furanos0.0006644.2203ng/scm

Cloruro de Hidrogeno946.4063624.2797ppmv

Dixido de Azufre374.4197140.6624ppmv

xidos de Nitrgeno113.788359.4756ppmv

Plomo0.50430.5043mg/scm

Cadmio0.03800.0380mg/scm

Mercurio0.74400.7440mg/scm

Existen tambin ciertas correcciones que deben hacerse a los valores de concentracin para poder compararlos con un estndar. Una de las razones para hacer tales correcciones es la de prevenir los efectos de dilucin que pueden aparecer en los resultados y que por lo tanto conduciran a obtener concentraciones mas bajas.

Los lmites de emisin que aparecen en la subparte Ec del 40 CFR 60 vienen dados en base seca y al 7% de O2; esto significa que ambas correcciones deben hacerse.

Para expresar la concentracin en base seca (mg/dscm), se deber hallar primero el contenido de agua en los gases de descarga expresado en fraccin de volumen; o en fraccin molar que es lo mismo. Por lo tanto hallamos dicho valor como

Con este valor se proceder a expresar la concentracin en base seca utilizando la relacin

(1.4)

donde

Cdb = concentracin en base seca, mg/dscm ppmv

C = concentracin condiciones estndar, mg/scm ppmv

yH2O = fraccin molar de agua en los gases

De manera similar procedemos a hacer la correccin al 7% de O2, para lo cual debemos hallar primero el porcentaje molar del oxgeno contenido en los gases de descarga, por lo tanto calculamos dicho valor como

Con el porcentaje de oxgeno calculado, y utilizando la concentracin en base seca, se procede a hacer la correccin al 7% de O2, utilizando la siguiente relacin

(1.5)donde

Cdb, 7% O2 = concentracin corregida a base seca y al 7%

de oxgeno, mg/dscm ppmv

%O2 = contenido de oxgeno en los gases, % en volumen

La siguiente tabla muestra la concentracin corregida a base seca y al 7% de oxgeno.

TABLA 12

CORRECCIN DE LA CONCENTRACINSUSTANCIACONCENTRACIN

en base secaen base seca, al 7% de O2

Material Particulado164.239mg/dscm149.520mg/dscm

Monxido de carbono89.582ppmv81.554ppmv

Dioxinas / Furanos710.357ng/dscm646.695ng/dscm

Cloruro de Hidrogeno688.369ppmv626.678ppmv

Dixido de Azufre155.103ppmv141.203ppmv

xidos de Nitrgeno65.581ppmv59.704ppmv

Plomo0.556mg/dscm0.506mg/dscm

Cadmio0.042mg/dscm0.038mg/dscm

Mercurio0.820mg/dscm0.747mg/dscm

Finalmente vamos a calcular la eficiencia que debera tener el equipo o el mecanismo de control de emisiones, para remover cada una de las sustancias contaminantes, de tal manera que la concentracin de stas se reduzca hasta su lmite permisible de emisin. Esto se hace determinando la variacin porcentual de la concentracin entre la entrada y la salida del sistema de remocin, respecto a su valor de entrada. En nuestro caso la concentracin a la entrada ser igual al valor de concentracin estimado de emisin corregido a base seca, al 7% de O2 y en condiciones estndar, mientras que el valor a la salida ser igual al lmite permisible de emisin (NSPS subparte Ec del 40 CFR 60), esto es

(1.6)donde ER es la eficiencia de remocin en %, y los valores de emisin estimada y estndar de emisin estn expresados en unidades de concentracin. En la tabla 13 se presenta el clculo de la eficiencia de remocin para cada una de las sustancias reguladas; de esta manera hemos obtenido los datos necesarios para proceder al diseo del sistema de control de emisiones contaminantes del aire.

TABLA 13

EFICIENCIA DE REMOCIN REQUERIDA POR EL MECANISMO DE CONTROL

SUSTANCIAEmisin estimadaLmite permisibleEficiencia de remocin requerida

NSPS 40 CFR 60

7% de O2-Base seca7% de O2-Base seca( % )

Material Particulado149.52mg/dscm69mg/dscm53.85

Monxido de carbono81.55ppmv40ppmv50.95

Dioxinas / Furanos646.70ng/dscm125ng/dscm80.67

Cloruro de Hidrogeno626.68ppmv15ppmv97.61

Dixido de Azufre141.20ppmv55ppmv61.05

xidos de Nitrgeno59.70ppmv250ppmvbajo el lmite

Plomo0.51mg/dscm1.2mg/dscmbajo el lmite

Cadmio0.04mg/dscm0.16mg/dscmbajo el lmite

Mercurio0.75mg/dscm0.55mg/dscm26.36

Como conclusin podemos anotar que los valores obtenidos en este captulo, especialmente los del balance de masa y los de la ltima tabla, proporcionarn informacin muy importante para el diseo de los equipos de remocin de contaminantes. Si bien es cierto, el balance de masa no incluye todas las sustancias que se generan en los gases, cabe sealar que los resultados obtenidos para el dixido de azufre y el cloruro de hidrgeno, representan los valores mximos posibles, pues no se consider la formacin de otras sustancias derivadas del azufre o el cloro. Esto, unido al hecho de que tampoco se consider el reciclaje de algn material de los desechos, proporciona cierto grado de confiabilidad a la utilizacin de los resultados en el proceso de diseo.

PROCESO DE COMBUSTIN

GASES DE DESCARGA

CENIZAS

AIRE

COMBUSTIBLE AUXILIAR

DESECHOS

_1167770781.unknown

_1167770850.unknown

_1167771217.unknown

_1162856760.unknown

_1162856939.unknown

_1162857864.unknown

_1162856726.unknown