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ROJAS, Jorge – Sobre el tratamiento con plasma

Universidad de Manizales – Maestría en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente

Sobre el tratamiento con plasma

Jorge Alexander Rojas Vargas *

Universidad de Manizales, Colombia, Maestría en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente

Módulo Manejo Integrado de Residuos Sólidos. 24 de febrero de 2017

* Ingeniero Químico de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá

RESUMEN

El tratamiento térmico conocido como gasificación con plasma se ha presentado como una

alternativa para reducir de forma significativa la cantidad de residuos sólidos no

aprovechables en el mundo. Los avances en su comprensión han permitido su aplicación en

diversos países en Europa, Asia o América del Norte, con resultados tanto positivos como

negativos. En la investigación se contrastan los casos de dos plantas a gran escala en Japón y

en Inglaterra, se describe de forma básica esta tecnología y se presenta una revisión del

estado en Colombia.

Palabras clave: gasificación, plasma, residuos sólidos, Colombia.

1. INTRODUCCIÓN

En numerosas investigaciones y pronunciamientos de organismos internacionales como

la ONU, ha quedado clara la necesidad de reducir el impacto negativo de los residuos

generados por las actividades humanas. El crecimiento poblacional, sumado a la cultura de

consumismo, a las características químicas de los residuos, entre otros, han incrementado

de forma exponencial la cantidad de residuos sólidos. Se conoce que en 2013 se produjo en

Colombia 26.726 ton/día, de los cuales cerca del 93% terminen en rellenos sanitarios

(Arboleda Rave, 2015).



Frente a esta problemática, el hombre ha acudido a su ingenio para tratar los residuos a

través de métodos como la incineración, el compostaje, la digestión anaerobia, la

gasificación, etc. con la finalidad de reducir el volumen destinado a disposición final

(Universidad de Manizales). Por su parte, el tratamiento térmico con plasma se presenta

como un proceso libre de emisiones (Ruj & Ghosh, 2014) (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016) y

generador de productos útiles para la generación de energía [sea gas sintético o hidrógeno].

En la primera parte del documento se describen las generalidades del proceso de este

tratamiento. Luego se presentan algunas configuraciones técnicas de plantas y reactores

para este proceso, y finalmente se hace una revisión de su aplicación en Colombia. La

investigación se hizo a través de una revisión bibliográfica de artículos internacionales

indexados disponibles en bases de datos y en otras fuentes de la web.

2. OBJETIVOS

Revisar algunos de los avances en investigación sobre la tecnología del tratamiento con

plasma de residuos sólidos a nivel mundial, y que se pudiesen aplicar en Colombia.

3. MARCO TEÓRICO Y DISCUSIÓN

3.1. Generalidades de tratamiento con plasma de residuos sólidos

De forma general, el tratamiento con plasma es un proceso no lineal y hace parte de los

tratamientos térmicos a los que se pueden someter toda clase de residuos sólidos. Con

temperaturas que van desde los 5000 hasta los 10000 grados Celsius, y poca presencia de

oxígeno, destruye cualquier enlace químico, desintegrando hasta los desechos más

peligrosos, y reduciéndolos en precipitados inorgánicos y gas combustible. Estos

subproductos pueden ser aprovechados. Los precipitados vitrocerámicos se pueden usar

como rellenos para carreteras o para la fabricación de aislamiento térmico, y el gas, conocido



como gas de síntesis o syngas, como fuente de energía (Arboleda Rave, 2015) o para la

obtención de productos químicos como amoníaco, hidrógeno o hidrocarburos ligeros (Li, Liu,

Yan, Li, & Han, 2016). El syngas está compuesto principalmente por CO, H2, CH4, CO2 y N2

(Willis & Osada, 2010).

El tratamiento térmico preferido para usar con los residuos es la incineración, en el cual,

mediante un proceso de oxidación, se reduce la masa de los desechos hasta en un 90%. Sin

embargo, supone la liberación de sustancias tóxicas al ambiente como las dioxinas, y es un

método que desaprovecha indudablemente el potencial de los residuos reutilizables como

plásticos, cartones o papel (Arboleda Rave, 2015).

Paralela a la incineración, la gasificación con plasma puede reducir hasta en un 95% la

densidad de los residuos sin emisiones tóxicas (Ruj & Ghosh, 2014), y algunos países, como

Estados Unidos, Inglaterra, Francia o Japón, han demostrado saltar de la factibilidad técnica

a la práctica. Li et al. proveen una lista, a 2016, de algunas plantas que se encuentran

operando en el mundo (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016).

El primer país en emplearlo a escala comercial fue Japón, con su planta Eco-Valley en

Utashinai (ver figura 1) en abril de 2003, luego de haber tenido éxito en 2002 con una planta

a escala piloto que procesa 17.2 ton/día de residuos de la localidad Mihama-Mikata. La planta

en Utashinai procesa más de 220 ton/día de residuos sólidos municipales o cerca de 165

ton/día de una mezcla 50/50 de residuos sólidos y de autos triturados (Willis & Osada, 2010).

Las plantas más grandes del mundo que emplean este tipo de tecnología se

encuentran al noreste de Inglaterra, en la zona industrial de Teeside (ver figura 2). Las 2

plantas, administradas por Air Products, procesan cerca de 350 mil ton/año (un promedio de

958 ton/día) de residuos sólidos no reciclables de los rellenos sanitarios, y generan alrededor

de 49.9 MW cada una (Air Products and Chemicals, Inc., 2016). El proyecto contemplaba

construir 4 plantas de este tipo en la misma zona, pero en abril de 2016 la compañía anunció



su retiro del negocio energético a partir de residuos argumentando problemas financieros,

para dedicarse exclusivamente a su fuerte tradicional. En su página web, la compañía no

reporta hasta cuándo operarán las plantas.

Figura 1. Planta de tratamiento con plasma en Eco Valley Utashinai, Japón (2003).

Fuente: (Stickland, 2007)

Figura 2. Vista aérea de la planta TV1 de Air Products (enero de 2014)

Fuente: (Air Products and Chemicals, Inc., 2016)



Numerosos estudios se han adelantado en el mundo para estudiar este proceso

desde todos sus ángulos. Ejemplo de ello es el artículo de Yang et al., que describe los

componentes principales de una planta, el diagrama de proceso, las condiciones generales

de operación y discute su viabilidad económica (Yang, Wang, Wang, Wang, & Wang, 2011).

Con relación a lo último, afirma que el costo de capital promedio es muy grande comparado

con otras tecnologías, casi $60/ton superior a la incineración, y en general son escasamente

rentables. En el estudio, el único fabricante y operador con ganancias netas positivas fue

Westinghouse, el que maneja la planta de Utashiani. Asocian la baja rentabilidad de esta

tecnología a la falta de estudio para controlar mejor el proceso y al bajo aprovechamiento

de los subproductos. Sin embargo, afirman que esta tecnología es loable porque disminuye

las cargas en los rellenos.

Y son las necesidades de reducir la carga de residuos y el buscar nuevas alternativas de

energía, lo que ha impulsado a países como China a invertir en el estudio de esta tecnología

(Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016). Li et al. aseguran que son más de 30 años de estudio en esta

nación, cuyo resultado ha sido la implementación de 9 plantas pequeñas, con la proyección

de construir una grande en la provincia de Guizhou con capacidad de 600 ton/día. Sin

embargo, los mayores obstáculos para la práctica de esta tecnología en ese país, y en general,

están en los riesgos de inversión, en los riesgos ambientales y en las limitaciones técnicas (Li,

Liu, Yan, Li, & Han, 2016).

3.2. Tecnología de la gasificación con plasma

Li et al. afirman que una planta típica de gasificación consiste en las siguientes etapas:

“(a) pretratamiento, (b) gasificación/vitrificación con plasma, (c) limpieza del gas de salida,

(d) recuperación de la escoria, (e) recuperación energética” (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016). En

el pretratamiento normalmente se reduce el tamaño de los desechos que luego pasan a un



reactor para su gasificación. El gas producido se retira caliente para producir vapor de agua,

que luego generará energía eléctrica. El gas enfriado se usaría luego como combustible o en

la industria química.

El corazón de la tecnología de gasificación con plasma consiste en un reactor donde se

queman los residuos. Este dispositivo se acopla con una serie de equipos que complementan

la labor de la planta, los cuales consisten en ciclones, quemadores, turbinas de vapor, filtros,

granuladores, etc., y la configuración del sistema dependerá de la finalidad de la planta (sólo

reducir los residuos o generar energía), del volumen de material a manejar, de los límites

permitidos en emisiones, entre otras variables.

Un esquema general del reactor se presenta en la figura 3, el cual corresponde al que

opera en la planta de Utashiani. Primero se alimenta con el combustible, en este caso con

carbón coque, el cual se depositará en el fondo y será el quien controle el flujo descendente

de los residuos inorgánicos derretidos. Las antorchas del gasificador están en contacto con

el carbón e introduce plasma y aire a 5500ºC aproximadamente (ver figura 4)1. Luego se

adicionan los residuos soportados por el carbón. El aire ingresará por las toberas laterales y

controlarán la temperatura del reactor. Mientras ocurren las reacciones correspondientes

descritas por Willis y Osada (Willis & Osada, 2010), Los precipitados fundidos escoria saldrán

por la parte inferior y se enfriarán con agua templada. El material del que está hecho el

reactor es un material refractario compuesto por óxidos de aluminio, de sílice y de magnesio,

el cual puede soportar las altas temperaturas.

Dentro de los problemas operacionales más críticos encontrados durante la operación

de este gasificador está el control de material particulado arrastrado por el syngas (Willis &

Osada, 2010). Al salir a una temperatura de 1200ºC del reactor en una operación normal, las

1 El plasma es obtenido a partir de un arco eléctrico y su composición química se puede variar según el gas que se utilice. El gas se disocia en el dispositivo e ingresa al gasificador a alta temperatura. Otra forma de obtener plasma es por descargas eléctricas, microondas o infrarrojo (Yang, Wang, Wang, Wang, & Wang, 2011).



partículas en el gas salían fundidas y se acumulaban rápidamente en la tubería de salida,

taponándola. Reduciendo su temperatura a 750ºC se disminuyó la eficiencia del reactor,

pero las partículas estaban en forma de ceniza, eliminando las incrustaciones.

Figura 3. Esquema del gasificador con plasma en Utashiani.

Fuente: (Willis & Osada, 2010)

Figura 4. Esquema de las antorchas de plasma.

Fuente: (Willis & Osada, 2010)



Otros trabajos que se pueden revisar para las especificaciones técnicas y de proceso del

tratamiento son el review de Gomez et al. de 2009 (Gomez, y otros, 2009); el trabajo de

Huang y Tang, donde se describe la aplicación de plasma sobre llantas pulverizadas, sus

condiciones de operación y la composición química de los productos (Huang & Tang, 2009);

y el trabajo reciente de Sanlisoy y Carpinlioglu de 2017 (Sanlisoy & Carpinlioglu, 2017).

3.3. Investigación y aplicación en Colombia

Sin la finalidad de hacer una revisión completa de los adelantos en investigaciones y

aplicaciones en el país frente al tratamiento térmico de residuos sólidos, pocas referencias

se encontraron asociadas con el uso del plasma en Colombia. Sin embargo, sí se pueden

encontrar varios estudios referentes a la gasificación.

Referente al plasma, en 2014, un equipo de la UNAL, en cabeza del investigador Daniel

Gómez, planteó un proyecto desde el punto de vista técnico y económico para instalar una

planta de gasificación con plasma para reducir hasta en un tercio los desechos del relleno

sanitario Doña Juana, el cual recibe diariamente más de 6 mil toneladas de residuos. En el

estudio afirman que el almacenamiento en ese relleno alcanza a emitir cerca de 6.4 millones

de toneladas anuales de CO2, mientras que con la planta serían de 52 gr/kWh, y se dispondría

de dos turbinas para generar 0.7 y 10 MWh (Agencia de Noticias UN, 2014). El proyecto

ahorraría al gobierno hasta 100 millones de pesos por tratamiento de enfermedades

respiratorias. No obstante, por “falta de experiencia y de criterio en este tipo de actividades”

(Reyes, 2015) el proyectó no avanzó.

Luego, en 2015, Arboleda plantea nuevamente la tecnología plasma como una

alternativa de solución al problema del manejo de residuos sólidos en el país (Arboleda Rave,

2015). Parte de una revisión de la cantidad de residuos sólidos generados en 2013, de 26.726

ton/día, de la descripción de los métodos para el aprovechamiento de residuos y del estado,



hasta ese entonces, de la aplicación de la tecnología en el mundo. Concluye en su trabajo,

que se debería estudiar la implementación en el país.

Para revisar el estado de la gasificación en Colombia, se pueden revisar los trabajos de

diseño de un gasificador de biomasa de García en 2011 (García Fernández, 2011), el

compendio sobre investigaciones de la Universidad de Kessel en asociación con la

Universidad Nacional, también de 2011 (Rincón, Gómez, & Klose, 2011) y el diseño de una

estrategia de control de Forero et al. de 2013 (Forero Núñez, Castellanos, & Sierra Vargas,

2013). Cabe resaltar que en país se instaló una planta de gasificación de madera en el

municipio Necoclí, en Antioquia, en 2008 (Agencia de Noticias UN, 2008). No obstante, para

2011, EPM conectó a la vereda beneficiada con esta planta al sistema nacional eléctrico, y

dejó de usarse (Reyes, 2015).

4. CONCLUSIONES

El tratamiento con plasma lleva en estudio cerca de 30 años, en los cuales se han

identificado sus ventajas, pero también los vacíos en su comprensión. Se necesitarán más

estudios para optimizar y viabilizar esta tecnología.

Aunque se afirma que el tratamiento con plasma puede tratar cualquier clase de residuos

sólidos, es fundamental definir la finalidad del tratamiento. Si se busca rentabilidad con el

aprovechamiento del syngas o de los precipitados, los residuos usados deben ser

seleccionados correctamente y hacerles un pretratamiento particular (Li, Liu, Yan, Li, & Han,

2016).

El tratamiento con plasma sería un aporte innovador en el país, dado que no se han dado

las oportunidades para su implementación. Su estudio ha sido apenas incipiente, y las

investigaciones se han enfocado en la gasificación.



Se podría abrir la puerta a esta práctica con plantas a nivel piloto que procesen pocas

cantidades de residuos, siguiendo el modelo de Japón o de China, para evaluar la viabilidad

económica y operacional del proceso, según las implicaciones técnicas y políticas de

Colombia.

BIBLIOGRAFÍA

Agencia de Noticias UN. (26 de agosto de 2008). En funcionamiento primera planta de energía por

gasificación de madera en Colombia. Recuperado el 21 de febrero de 2017, de

http://www.mineducacion.gov.co/cvn/1665/w3-article-169555.html

Agencia de Noticias UN. (21 de enero de 2014). Tecnología de plasma puede solucionar impacto

ambiental de relleno Doña Juana. Recuperado el 2017 de febrero de 22, de

http://www.mineducacion.gov.co/cvn/1665/w3-article-337117.html

Air Products and Chemicals, Inc. (4 de abril de 2016). Tees Valley Renewable Energy Facilities. (Air

Products) Recuperado el 24 de febrero de 2017, de

http://www.airproducts.co.uk/microsite/uk/teesvalley/facilities.htm

Arboleda Rave, M. (2015). Tecnología de plasma para el tratamiento de residuos sólidos.

Ingeniería, Matemáticas y Ciencias de la Información, 2(3), 33-40.

Couto, N., Silva, V., & Rouboa, A. (2016). Thermodynamic Evaluation of Portuguese municipal solid

waste gasification. Journal of Cleaner Production, 139, 622-635.

Forero Núñez, C., Castellanos, J., & Sierra Vargas, F. (2013). Control de una planta prototipo de

gasificación de biomasa mediante redes neuronales. Ingeniería Mecánica tecnología e

información, 4(5), 161-168.

García Fernández, L. (2011). Obtención de gas combustible a partir de la gasificación de biomasa

en un reactor de lecho fijo. Tesis de Maestría. Recuperado el 21 de febrero de 2017, de

http://www.bdigital.unal.edu.co/4133/1/291461.2011.pdf

Gomez, E., Amutha Rani, D., Cheeseman, C., Deegan, D., Wise, M., & Boccaccini, A. (2009).

Thermal plasma technology for the treatment of wastes: A critical review. Journal of

Hazardous Materials, 161, 614–626.

Huang, H., & Tang, L. (2009). Pyrolysis treatment of waste tire powder in a capacitively coupled RF

plasma reactor. Energy Conversion and Management, 50, 611–617.

Li, J., Liu, K., Yan, S., Li, Y., & Han, D. (2016). Application of thermal plasma technology for the

treatment of solid wastes in China: An overview. Waste Management, 58, 260–269.



Reyes, D. (18 de agosto de 2015). El reto de transformar la basura en energía. (Periódico El

Tiempo) Recuperado el 22 de febrero de 2017, de http://www.eltiempo.com/estilo-de-

vida/ciencia/el-reto-de-transformar-la-basura-en-energia/16247998

Rincón, S., Gómez, A., & Klose, W. (2011). Gasificación de biomasa residual de procesamiento

agroindustrial. Recuperado el 21 de febrero de 2017, de http://www.uni-

kassel.de/upress/online/frei/978-3-89958-950-4.volltext.frei.pdf

Ruj, B., & Ghosh, S. (2014). Technological aspects for thermal plasma treatment of municipal solid

waste—A review. Fuel Processing Technology, 126, 298–308.

Sanlisoy, A., & Carpinlioglu, M. (2017). A review on plasma gasification for solid waste disposal.

International Journal of Hydrogen Energy, 42, 1361-1365.

Stickland, J. (25 de abril de 2007). How Plasma Converters Work. (How Stuff Works) Recuperado el

23 de febrero de 2017, de

http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/plasma-converter4.htm

Universidad de Manizales. (s.f.). Unidad 3. Aprovechamiento y valoración de fracciones de

residuos. Recuperado el 6 de febrero de 2016, de

http://cedum2.umanizales.edu.co/mds/modulo11/unidad1/index.html

Willis, K., & Osada, S. (11 de mayo de 2010). Plasma gasification: lessons learnedat EcoValley WTF

Facility. Recuperado el 23 de febrero de 2017, de

http://www.seas.columbia.edu/earth/wtert/sofos/nawtec/nawtec18/nawtec18-3515.pdf

Yang, L., Wang, H., Wang, H., Wang, D., & Wang, Y. (2011). Solid waste plasma disposal plant.

Journal of Electrostatics, 69, 411-413.

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Engineering