diseño de una planta piloto para el aprovechamiento energético y material de residuos sólidos...

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO Y MATERIAL DE RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES

Provincia de Guanentá, Santander, Colombia.

MODULO: MANEJO INTEGRADO DE RESIDUOS SÓLIDOS

DOCENTE: JORGE WILLIAM ARBOLEDA VALENCIA.

INTEGRANTE:

EDGAR RODRIGUEZ DIAZ

COHORTE XVI- G1.

UNIVERSIDAD DE MANIZALES FACULTAD DE CIENCIAS CONTABLES, ECONOMICAS Y ADMINISTRATIVAS

MAESTRIA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE 2017

Informe elaborado por la FUNDACIÓN UNIVERSITARIA DE SAN GIL -UNISANGIL Realizado para ARGOS S.A Financiado por la Industria Cementera ARGOS S.A y por COLCIENCIAS.

INTRODUCCIÓN.

Este documento presenta el estudio de pre-factibilidad ambiental, económica, social y

técnica para el diseño de una planta piloto para el aprovechamiento energético y material

de residuos sólidos municipales para 17 municipios integrantes de la provincia de Guanentá

en el Departamento de Santander en Colombia.

La disciplina económica estudia y contabiliza los flujos de materiales de una economía

desde la perspectiva ecológica a través del análisis de flujos de materiales (AFM) y utiliza

un enfoque ingenieril clásico de cálculo de balance materia a un sistema + generación =

salida de materia + acumulación.

Dicho diseño está basado en los conceptos de Economía Circular y Gestión de Recursos,

los cuales se enfatizan en estrategias de eficiencia energética y material, la activación de

los potenciales de crecimiento regional y la creación de valores agregados regionales.

En este documento, se presenta inicialmente un análisis detallado del potencial energético

y material de las diferentes fracciones de los RSU. La tecnología del diseño a ser

presentada, es acorde a la jerarquía de gestión de residuos, principalmente en la

prevención inicial de la generación de los RSU; una separación manual y mecánica de los

materiales reciclables (papel, cartón, plásticos, vidrio, metales, etc.) y de la fracción

orgánica para su posterior tratamiento anaerobio con el fin de generar biogás y un

fertilizante apto para la agricultura regional. El aprovechamiento del biogás generado será

analizado según las necesidades energéticas de la industria cementera ARGOS S.A.,

según las necesidades de la región y según la normatividad aplicable.

Objetivo General Diseñar un centro de tratamiento de valoración material y energética de residuos sólidos

urbanos, bajo el concepto de mejoramiento sosteniblemente del sistema actual de gestión

de residuos sólidos urbanos de las Municipalidades de la Provincia de Guanentá en

Santander, Colombia.

Objetivos Específicos.

Aprovechar el material de los residuos sólidos a través de la separación de materias primas secundarias

Aprovechar la capacidad energética de la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales

Generar abonos orgánicos a partir de la fracción orgánica de los residuos

Crear nuevas posibilidades de ingresos y capacitación

Capacitar y sensibilizar a la comunidad regional en el sector de gestión de recursos

Área de estudio: Según Ramírez, O, Yuleimy., (2014), el Municipio de San Gil, catalogado como generador de diversos servicios especialmente el de turismo, alberga el 56% de la población de la provincia de Guanentá (Plan Prospectivo Guanentá 2025, 2010), con 45.956 habitantes; dada su influencia como capital de provincia y principal eje comercial de la región. La dinámica poblacional que se desarrolla en el municipio mantiene la misma tendencia nacional: la mayor población se encuentra acentuada en la zona urbana, alcanzando el 84 % (Planeación Municipal, 2012). El aumento de la población trae consigo la necesidad de mayor requerimiento de alimentos, servicios públicos, fuentes de trabajo, educación, servicios de salud, aprovisionamiento de equipamiento e infraestructura, entre otros, y como consecuencia el aumento de vertimientos líquidos, de Residuos Sólidos Urbanos (RSU), emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), pérdida de cobertura vegetal y desaparición de especies, y en general el desmejoramiento de la calidad de vida. En San Gil se consume agua en un promedio de 156 l/hab/día, se vierten aguas residuales en 95,75 l/s"1 al río Fonce, principal fuente receptora sin tratamiento previo, se generan aproximadamente 12.721 ton/año'1 de RSU; su degradación produce en promedio 772,419 ton/año'1 de GEI y por consumo energético eléctrico se emiten 6.123,891 ton/año'1 de GEI. Aunque la prevención y minimización de la generación de los residuos están consideradas en la política de nacional de residuos sólidos como prioridades de gestión; en la actualidad no se realizan en los municipios de la Provincia de Guanentá campañas de educación, sensibilización y concientización a la población para la prevención y/o minimización de la generación de los residuos sólidos urbanos y su separación en la fuente de origen. Se tiene una generación de residuos sólidos urbanos en la provincia de 0,7 Kg/ (Hab*d). El transporte de los residuos sólidos urbanos en el municipio San Gil es realizado por Empresa de acueducto, alcantarillado y aseo de San Gil Acuasan E.I.C.E. - E.S.P. por intermedio de Ecosander y el servicio de transporte es prestado por medio de contratos con la empresa López Morales y Ciacon. Se tiene un 100% de cobertura en la prestación del servicio. Actualmente, Acuasan cuenta con 13.548 usuarios a quienes presta el servicio de recolección y transporte, el cual es prestado con tres vehículos compactadores.

Metodología:

Fuente: UNISANGIL, (2013). Diseño de una planta piloto para el aprovechamiento energético y material de residuos sólidos municipales.

En cuanto a la metodología específica a seguir en el desarrollo de este concepto preliminar, se inicia con un análisis detallado de las actividades operativas de la gestión actual de los RSU actual en la provincia de Guanentá y se realiza un análisis de los actores involucrados en dicha gestión; para después identificar los potenciales energéticos y materiales disponibles en las diferentes fracciones de los RSU de la Provincia de Guanentá, la cual es considerada como sistema de estudio. La realización de este estudio tiene como fundamentos los conceptos de Economía Circular y Gestión de Flujos de Materiales y Energía (Material Flow Management- MFM). Los datos empleados fueron recolectados y suministrados por la Fundación Universitaria San Gil (Unisangil) con asesoría de IfaS durante el segundo semestre del 2013. Para el acuerdo de los datos tomados para el desarrollo de este concepto, se realizaron reuniones periódicas presenciales y por videoconferencia con el equipo de trabajo de Unisangil. Para la elaboración del concepto de pre-factibilidad, fueron considerados los pasos

metodológicos mostrados en el siguiente diagrama.

Diagrama 1. Pasos metodológicos para el desarrollo del concepto de pre-factibilidad.

La disposición actual de los residuos sólidos se realiza en el relleno sanitario “El Cucharo”

ubicado a 9 km del municipio de San Gil, el cual beneficia a 25 municipios de las Provincias

de Guanentá y Comunera (Acuasan, 2013/2014).

Diagrama 2. Relleno Sanitario El Cucharo.


Los costos actuales de recolección y transporte son de aproximadamente 91.982 COP/tonelada (34,94 €/t) y el costo actual de disposición final de residuos sólidos es de 72.490 COP/tonelada (27,54 €/t), más un incentivo que le corresponde al municipio receptor señalado en la Resolución 429 de 2007 de la CRA igual al 0,23%, para un total por tonelada dispuesta de 73.907 COP/ tonelada (28,08 €/t) (Acuasan, 2013 & Unisangil, 2014). Resultados: Para la implementación del centro de tratamiento y valorización propuesto, se estima un área requerida de aproximadamente 20.000 m². Igualmente se deben planificar todas las conexiones requeridas para la operación del sistema como abastecimiento de agua potable, suministro energía, telecomunicaciones, sistemas de recolección y tratamiento de aguas residuales, etc. El sistema elegido fue un sistema de tratamiento mecánico biológico para los municipios de la Provincia de Guanentá, el cual será descrito en detalle a continuación. Se consideraron los siguientes procesos básicos en el diseño tecnológico seleccionado a partir de la presentación y comparación de tecnologías de tratamiento presentado en el capítulo 4 de este documento.

Separación manual y mecánica de los siguientes flujos de residuos sólidos. Plásticos, metales, papeles, vidrios y cartones para su consecuente recuperación,

comercialización y aprovechamiento material. Fracción orgánica para el aprovechamiento energético y para la producción de

mejoradores de suelos.

Aprovechamiento energético de los materiales orgánicos para la producción de energía y de mejoradores de suelos mediante una planta de biogás con un previo sistema de pretratamiento hidromecánico.

Preparación y generación de combustibles derivados de residuos a partir de los

materiales residuales con alto poder calorífico para su aprovechamiento en la industria cementera.

Diseño de una Planta Piloto para el aprovechamiento energético y material de residuos sólidos municipales

Diagrama 3. Procesos requeridos en el sistema de tratamiento.

El diagrama a continuación muestra un ejemplo de las áreas de sistema de tratamiento (IfaS, 2010).

Diagrama 4. Ejemplo áreas del sistema de tratamiento.


Planta de cogeneración. La energía eléctrica y térmica generada a partir de la cogeneración del biogás, puede ser aprovechada directamente en la industria cementera, para esto, es necesario que el sistema de tratamiento y valorización de RSU esté ubicado en terrenos aledaños a la industria cementera.


Según los análisis de laboratorio realizados por el Centro Integrado de Laboratorios de

Ingeniería Química a partir de las muestras recolectadas por Unisangil durante la

caracterización de residuos sólidos a finales del año 2013, se encontraron los siguientes

resultados después de someter las muestras a análisis de poder calorífico superior con un

calorímetro Parr 6200 y un análisis próximo / termo – gravimétrico con un equipo TA

Instruments TGA 2050.

Determinación de balances de masas y energía del sistema planteado.

La tabla a continuación, resume la proyección de las fracciones de residuos sólidos

municipales a tratar esperadas en el período del proyecto evaluado.

Tabla 1. Fracciones de residuos sólidos municipales a tratar.

Flujos de residuos sólidos

Cantidad de residuos (t/a)

Total RSU generados en 20 años (t)

Promedio en el periodo del proyecto (t/a)

Año del proyecto:

1 5 10 15 20

Vidrio 572 607 654 704 758 13.217 661

Metales 529 562 605 652 702 12.234 612

Papel y cartones

1.992 2.114 2.278 2.454 2.643 46.066 2.303

Plásticos 2.569 2.727 2.938 3.165 3.409 59.415 2.971

Materiales orgánicos

9.739 10.337 11.135 11.996 12.923 225.200 11.260

Otros materiales 1: fracción con alto poder calorífico

1.569 1.665 1.794 1.933 2.082 36.280 1.814

Otros materiales 2: Materiales inertes

1.964 2.085 2.246 2.419 2.606 45.415 2.271

Cantidad total de residuos

18.934 20.096 21.649 23.322 25.125 437.827 21.891


Mediante el tratamiento mecánico se recuperarán las siguientes fracciones de residuos, las

cuales podrán ser incrementadas en la medida que se adquiera experiencia y conocimiento

de la operación del sistema.

Tabla 2. Total de materiales separados manualmente.

Total Materiales separados manualmente


Total en 20 años (t) Promedio en el periodo del proyecto (t/a)

Año del proyecto:

1 5 10 15 20

Papel y cartones

1.096 1.163 1.253 1.350 1.454 25.336 1.267

Plásticos 2.056 2.182 2.350 2.532 2.728 47.532 2.377

Vidrio 229 243 261 282 303 5.287 264

Metales 476 505 544 587 632 11.011 551

La tabla a seguir muestra la generación de fertilizante líquido y sólido en el período del

proyecto.

Tabla 3. Producción de fertilizantes.


Total en 20 años (t) Promedio en el periodo del proyecto (t/a)

Año del proyecto:

1 5 10 15 20

Fertilizante sólido

5.551 5.892 6.347 6.838 7.366 128.364 6.418

Fertilizante líquido

2.776 2.946 3.174 3.419 3.683 64.182 3.209

Balance de energía. A continuación se presenta el balance de energía generada a partir del tratamiento biológico

de la fracción orgánica.

Tabla 4. Balance de energía.

Balance de energía Año del proyecto: Total en 20 años Promedio anual en el periodo del proyecto

1 5 10 15 20

Cantidad total de biogás generada (m³/a)

1.202.758 1.276.563 1.375.221 1.481.504 1.596.000 27.812.172 1.390.609

Tabla 5. Aprovechamiento del biogás generado

Aprovechamiento del biogás generado

Opción 1: Cogeneración del biogás para generar energía eléctrica y térmica La capacidad total instalada calculada de la planta de cogeneración es de 1MWtotal. Los cálculos fueron determinados asumiendo una eficiencia eléctrica del 40% y una eficiencia térmica del 45% (FNR, 2010) Energía eléctrica (kWh/a)

Total generación de electricidad (kWh/a) (Bruto)

2.982.839 3.165.877 3.410.549 3.674.130 3.958.081 68.974.186 3.448.709

Consumo propio de electricidad (kWh/a)

596.568 633.175 682.110 734.826 791.616 13.794.837 689.742

Energía eléctrica disponible

2.386.272 2.532.702 2.728.439 2.939.304 3.166.465 55.179.349 2.758.967

(kWh/a) (Neto)

Energía térmica (kWh/a)

Total generación de calor (kWh/a) (Bruto)

3.355.694 3.561.612 3.836.867 4.133.396 4.452.841 77.595.959 3.879.798

Consumo propio de calor (kWh/a)

838.924 890.403 959.217 1.033.349 1.113.210 19.398.990 969.949

Calor total disponible (kWh/a) (Neto)

2.516.771 2.671.209 2.877.650 3.100.047 3.339.631 58.196.969 2.909.848

La inversión es alta, pero debe tenerse en cuenta que el concepto propuesto tiene mejores

beneficios sociales, económicos y ambientales a largo plazo en comparación con la

situación actual sin proyecto, es decir, con la disposición final en rellenos sanitarios, tal y

como se explica en el siguiente diagrama (Comparación IfaS, 2012).

Fuente: IFAS, (2013). Diseño de una planta piloto para el aprovechamiento energético y material de residuos sólidos municipales.

Conclusiones:

En este concepto de gestión y tecnología, se convierte la situación actual en una solución

inteligente en la cual se aprovechan al máximo los potenciales energéticos y materiales de

los residuos sólidos urbanos (RSU), destinándose solamente al relleno sanitario el 11 % de

los residuos generados, los cuales corresponden a materiales inertes que han sido

estabilizados previamente y por tanto no generan problemas ambientales futuros.

El centro de tratamiento y aprovechamiento de RSU, es una solución integral para la región,

genera diversos valores agregados regionales. Por ejemplo, mediante el proyecto, se

espera generar nuevos empleos, reducir la contaminación, generar energías renovables,

reducción de emisiones de CO2; valores que no se tendrían con un relleno sanitario

convencional.

Con la situación actual de la gestión de los RSU en la región, se tiene una alta generación

de costos de transporte, disposición final, etc. y una pérdida de los potenciales energéticos

y materiales contenidos en las diferentes fracciones de los mismos. Mediante el concepto

se aprovechan estos potenciales mediante la generación de productos en el período del

proyecto de 20 años tales como fertilizante líquido, fertilizante sólido, materiales reciclables

como papel, metales, plástico, vidrio, etc., generación de energía a partir del biogás y

adicionalmente generación de combustible derivado de residuos (CDR) a partir de la

fracción residual con alto poder calorífico generada en el proceso de tratamiento mecánico

biológico (TMB).

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA:

ALCALDIA MUNICIPAL DE SAN GIL (2012). "Plan de Desarrollo 2012-2015",

Colombia.271 p.

IFAS- Instituto para la gestión aplicada de flujos de materiales. (2016). International

Conference on circular Economy. ICCE. Montalegre, Portugal.

RAMIREZ, O., YULEIMY (2014). Impacto ambiental en el incremento demográfico en el

municipio de San Gil, Santander. Revista Ingeniería y Región. Pg 17-103

UNISANGIL, (2013). Diseño de una planta piloto para el aprovechamiento energético y

material de residuos sólidos municipales. COLCIENCIAS- ARGOS.

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