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TRATAMIENTO TÉRMICO DE TRATAMIENTO TÉRMICO DE RESIDUOS.RESIDUOS.

D. Alberto Lleó Alonso

Director Dpto. Desarrollo de Infraestructuras de Residuos y Calidad Ambiental. VAERSA.

10 de julio de 2008

MTD’S ESPECÍFICAS PARA EL TRATAMIENTO

TRATAMIENTO TÉRMICO DE TRATAMIENTO TÉRMICO DE RESIDUOS.RESIDUOS.

MTD’S ESPECÍFICAS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE RESIDUOS: NUEVAS

PROPUESTAS

• Incineración.

• Gasificación.

MTD’S ESPECÍFICAS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE RESIDUOS: NUEVAS PROPUESTAS

• Pirólisis.

• Plasma.

• Incineración.

••• Gasificación.Gasificación.Gasificación.


••• Pirólisis.Pirólisis.Pirólisis.

••• Plasma.Plasma.Plasma.

La incineración de residuos.

Se entiende por incineración al procesamiento deresiduos en cualquier unidad técnica, equipo fijo o móvil,que involucre un proceso de combustión a altas

INCINERACIÓN

que involucre un proceso de combustión a altastemperaturas. Es una combustión oxidativa completa.

Es una oxidación rápida de la materia combustible condesprendimiento de calor.

INCINERACIÓN

Foso residuos

Horno

Cámara oxidación

Caldera recuperación

Lavado gases

Enfriador gases

Chimenea

Torre lavadora

Esquema de una incineradora.

Salida escorias Precipitador electrostático

Cenizas volantes

INCINERACIÓN

Horno

Esquema de una incineradora.

INCINERACIÓN

Misión del horno.

La función del horno es vaporizar, gasificar ypirolizar los residuos, provocando lacombustión de los mismos.

El horno debe garantizar una temperaturasuperior a 850 ºC, así como proporcionar untiempo de residencia de los sólidos suficientepare evitar inquemados.

INCINERACIÓN

Temperatura en los hornos.

• Temperatura entre 100 y 250 ºC: Secado.

• Temperatura entre 250 y 600 ºC: Desprendimiento degases y combustión de destilados volátiles.gases y combustión de destilados volátiles.

• Temperatura entre 600 y 800 ºC: Combustióngeneralizada de la masa de combustible.

• Temperatura entre 800 y 1200 ºC: Combustión deproductos de la carbonización y formación de escorias.

INCINERACIÓN

Incineración de residuos.Volátiles + CO + O2 � CO2 + H2O

INCINERACIÓN

Tipos de hornos para incinerar residuos.

•Horno de parrilla.

•Hornos de lecho fluidizado.•Hornos de lecho fluidizado.

•Hornos rotatorios.

•Incineradores de inyección líquida.

INCINERACIÓN


•Horno de parrilla.

•••HornosHornosHornos dedede lecholecholecho fluidizadofluidizadofluidizado...•••HornosHornosHornos dedede lecholecholecho fluidizadofluidizadofluidizado...

•••HornosHornosHornos rotatoriosrotatoriosrotatorios...

•••IncineradoresIncineradoresIncineradores dedede inyeccióninyeccióninyección líquidalíquidalíquida...

INCINERACIÓN

Hornos de parrilla.

La función de la parrilla es transportar elresiduo a través del horno.

Dicho movimiento favorece la combustión deDicho movimiento favorece la combustión deRSU, aunque también incrementa el contenidode partículas en el flujo gaseoso de salida.

INCINERACIÓN

Hornos de parrilla.

INCINERACIÓN

Hornos de parrilla. Residuos.

�Residuos municipales mezclados, residuos de origencomercial e industrial, lodos de alcantarillado(previamente secados), residuos “todo uno”, sinseparación previa.separación previa.�Adecuado para residuos grandes e irregulares.�Algunos tipos de residuos peligrosos y hospitalarios.�Residuos de origen vegetal (con aporte decombustible auxiliar cuando el PCI < 1000 Kcal/Kg).�Posibilidad de incineración de gases.

INCINERACIÓN

Hornos de parrilla. Características.

�Las parrillas son metálicas, refrigeradas poraire o agua, con una inclinación aprox. de 25º.�Se inyecta el aire primario por la parteinferior, en un exceso aproximado del 100%.inferior, en un exceso aproximado del 100%.�La velocidad del aire es alta, se producearrastre de partículas.�El tiempo de residencia del sólidocombustible es constante.�El coste de mantenimiento es elevado.

INCINERACIÓN


•••HornoHornoHorno dedede parrillaparrillaparrilla...

•Hornos de lecho fluidizado.•Hornos de lecho fluidizado.



INCINERACIÓN

Hornos de lecho fluidizado.

INCINERACIÓN

Hornos de lecho fluidizado. Residuos.

�Residuos finamente divididos (combustibleparticulado).�CDR (Combustible derivado de residuos).�Lodos de alcantarillado, fangos, carbón,�Lodos de alcantarillado, fangos, carbón,lignito, biomasa y otros.�Permite la incineración de combustibles debajo PCI.

�Tipos de lecho, según la velocidad del flujo:�Lecho burbujeante (LFB).�Lecho circulante (LFC).

Tipos de lecho fluidizado.

INCINERACIÓN

INCINERACIÓN

Hornos de lecho fluidizado.

(760 ºC – 870 ºC)

�Masa en suspensión de partículas de inerte yadsorbente, junto con cenizas y combustibles,que se fluidiza mediante una corriente ascendentede aire de combustión.

Hornos de lecho fluidizado. Características.

INCINERACIÓN

�Empleo de un ciclón para la recirculación delmaterial inerte (arena o alúmina).�Temperatura en la zona libre sobre el lecho:850 – 950 ºC. Alto grado de uniformidad detemperaturas. Alta tasa transferencia de calor.�Temperatura en la zona de post-combustión:980 – 1400 ºC. (Limitada fusibilidad cenizas).�Tiempo de residencia: hasta 2,5 sg.(de 1 a 5sg).

�Inyección de aire primario por la parte inferiordel lecho.�Introducción de aire secundario precalentado.�Inyección de combustible auxiliar en el propio

Hornos de lecho fluidizado. Características.

INCINERACIÓN

lecho.�El residuo sólido (y la alúmina o arenarecirculadas), se introducen por la parte superiordel lecho.�Inyección de lodos en el propio lecho.�Exceso de aire: 25% - 125%.

�Temperaturas sensiblemente inferiores, se evitafusión de cenizas, se reduce erosión y corrosión.�Mejor transmisión de calor.�Requiere menor exceso de aire (10 – 50%

Hornos de lecho fluidizado. Ventajas.

INCINERACIÓN

respecto estquiométrico, frente al 75 – 100% delos convencionales).�Mayor inercia térmica del reactor.�Instalaciones más compactas.�Empleo de mezclas heterogéneas decombustible.

�Necesidad de una trituración previa de losresiduos (80 mm para LFC y 300 mm para LFB).�Para el caso del LFC, se debe garantizar que noexistan diferencias en la granulometría entre el

Hornos de lecho fluidizado. Inconvenientes.

INCINERACIÓN

“ballast” (árido del lecho) y el residuo.�La temperatura de trabajo está limitada por latemperatura de fusión de los componentes inertesdel residuo.�La recirculación del material provoca unaabrasión sobre los refractarios. Corrosión.�Peligro de formación de aglomerados.

COINCIDENCIAS:

�Posibilidad de quemar combustibles que otrastecnologías no pueden.

Comparación LFB vs LFC.

INCINERACIÓN

�Gran flexibilidad de alimentación.�Transferencia de calor elevada.�Aumento de la eficacia térmica (eliminacióntodo SO3 y casi todo SO2, mediante el empleo decarbonatos).�Menor masa de gases a la salida.

DIFERENCIAS:

�Abrasión: superior en LFC por arrastre departículas.


INCINERACIÓN

�El LFC controla mejor las emisiones de NOxpues la introducción de aire en diversos puntos dela cámara de combustión reduce el nivel térmico.�Dado que en el LFC, la turbulencia es mayorrespecto al LFB, se inhibe la formación de zonasde combustión incompleta, se inhibe la formaciónde CO.

DIFERENCIAS:

�Las emisiones de SOx se reducen por adiciónde dolomita o caliza en la cámara de combustión.


INCINERACIÓN

La reacción de paso de SOx a sulfatos sefavorece por la turbulencia (LFC).�Las variaciones de carga son más fácilmenteabsorbibles en un LFC.�Tiempo de residencia mayor en el LFB

INCINERACIÓN




•Hornos rotatorios.


INCINERACIÓN

Hornos rotatorios.

INCINERACIÓN

Hornos rotatorios. Residuos admitidos.

�Casi cualquier tipo de sólido.�Gases introducidos adecuadamente en elincinerador.�Líquidos en hornos equipados con toberas.�Líquidos en hornos equipados con toberas.�En general, cualquier residuo industrial, residuoscárnicos y mezclas de residuos con PCI no biendefinidos.�Material con humedad o producción dereacciones químicas endotérmicas (sistema contracorriente). Caso contrario: sistema equicorriente.

INCINERACIÓN

Hornos rotatorios. Características.�Cilindro recubierto con materiales aislantes yrefractarios (capa interior).�Avance del residuo por la inclinación y lavelocidad de rotación. Tiempo de permanenciadel residuo (de 30 a 60 minutos).�Funciones del horno y de la cámara depostcombustión (tiempo residencia gases).�Temperaturas de 800-1000ºC (ashing,cenizas sólidas), o >1000ºC (slagging, cenizasfundidas)

INCINERACIÓN





•Incineradores de inyección líquida.

INCINERACIÓN

Incineradores de inyección líquida.

INCINERACIÓN

Inyección líquida. Residuos.�Residuos líquidos que se pueden bombear.�Con poca viscosidad.�Bajo potencial de polimerización.�Escasa corrosividad.�Escasa corrosividad.�Exentos de material en suspensión queobstruya las boquillas.

INCINERACIÓN

Inyección líquida. Características.�Cilindros horizontales o verticales.�Paredes recubiertas de refractarios.�Equipados con uno o más quemadores.Necesidad de combustible auxiliar.�Equipados con atomizadores (diám.<2µm).

�Presión mecánica.�Atomización con vapor/aire comprimido.�Atomización externa.

�Temperatura: 1000-1700 ºC.�Tiempo de residencia: hasta 2,5 sg.

INCINERACIÓN

Comparación de tecnologías.Tipo de residuo Parrillas Lecho

fluidizado Rotativo Líquidos

Granular, homogéneo Adecuado Adecuado Adecuado

Irregular Muy adecuado Adecuado

Sólido con bajo punto Sólido con bajo punto de fusión Adecuado Adecuado

Orgánico con cenizas fundibles Muy adecuado Adecuado

Residuo a granel voluminoso Muy adecuado

Vapores orgánicos Adecuado Adecuado Muy adecuado Adecuado

Líquidos orgánicos Adecuado Muy adecuado

Fangos con carga halogenada Adecuado Adecuado

Fangos orgánicos Adecuado Adecuado

••• Incineración.Incineración.Incineración.

• Gasificación.



••• Plasma.Plasma.Plasma.

GASIFICACIÓN

La gasificación de residuos.

La gasificación consiste en la oxidación parcial(empleando entre un 25 – 30% del O2 necesario paraconseguir una oxidación completa) de una materia primaconseguir una oxidación completa) de una materia prima(normalmente sólida), a una temperatura elevada,obteniendo un gas con un moderado poder calorífico.

Se diferencia de la combustión en que en ésta, laoxidación es completa, en exceso de oxígeno.

La gasificación se produce en presencia de un agentegasificante (aire, oxígeno, vapor de agua, H2).

GASIFICACIÓN


Puede gasificarse cualquier residuo con contenido encarbono, como los residuos orgánicos, la biomasa y elcarbón. Son gasificables:

�los residuos agrícolas,�los residuos agrícolas,�los forestales,�los industriales (papel, maderas, cartón y plásticos–problema Cl-),�los urbanos (tras eliminación de vidrio, metales einertes), y�otros.

GASIFICACIÓN


La gasificación convierte un residuo sólido, en un gascon contenido energético. Dicho gas puede emplearsecomo gas de síntesis, o como combustible en turbinas ycomo gas de síntesis, o como combustible en turbinas ycalderas.

GASIFICACIÓN


El gas obtenido contiene:�Monóxido de carbono (CO),�Dióxido de carbono (CO2),�Hidrógeno (H ),�Hidrógeno (H2),�Metano (CH4),�Etano (C2H6),�Etileno (C2H4),�Agua (H2O),�Nitrógeno (N2).

�Pequeñas partículas carbonosas, cenizas,alquitranes y aceites.

GASIFICACIÓN


El proceso secado � pirólisis � gasificación esendotérmico por lo que será necesario aportar energía,que provendrá de la combustión de parte del residuo, oque provendrá de la combustión de parte del residuo, ode un aporte externo.

El calor aportado por las reacciones exotérmicas debe serabsorbido por las reacciones endotérmicas.

GASIFICACIÓN

Tipos de gasificadores.

•Lecho fijo.

•Lecho fluidizado.•Lecho fluidizado.

•Corriente de arrastre.

•Baño fundido.

•Rotatorios.

GASIFICACIÓN

Lecho fijo. Updraft.

GASIFICACIÓN

Lecho fijo. Downdraft.

GASIFICACIÓN

Lecho fluidizado.

Lecho fijo Lecho fluidoCorriente

descendente (Downdraft)

Corriente ascendente (Updraft)

Lecho burbujeante

Lecho circulante

Circulación combustible Descendente Descendente Contenido en el lecho.

Circulación gas Descendente Ascendente Ascendente.

GASIFICACIÓN


Circulación gas Descendente Ascendente Ascendente.

Temperatura de reacción 1.000 ºC 1.000 ºC

Buen control temperatura.

850 ºC

Temperatura salida gas 800 ºC 250 ºC

Alta temperatura:

850 ºC

Distribución de temperaturas Mala distribución. Buena distribución.

Transferencia de calor.

Mala transferencia de calor. Muy buena transferencia de calor.

Velocidad gas baja.

Velocidad alta, recirculación sólidos inertes

Lecho fijo Lecho fluidoCorriente

descendente (Downdraft)

Corriente ascendente (Updraft)

Lecho burbujeante

Lecho circulante

Tiempo de residencia

Para sólidos: de horas a días. Paragases: segundos.

Para sólidos: de minutos asegundos. Para gases: segundos.

GASIFICACIÓN


Pérdida de carga Baja. Mayor que en lecho fijo.

Arranque Buen arranque. Arranque limitado. Arranca y para fácilmente.

Alquitranes Poco alquitrán en el gas.

Gas con contenido en alquitranes,

fenoles y amoniaco.

Poco alquitrán en el gas.

Alimentación del residuo

Tamaño de la alimentaciónestricta, pelets (8-50 mm) lo másuniforme posibles.

Partículas de tamaño diverso,distribución de partículas de 0,02a 50 mm.

Incineración GasificaciónTemperatura de operación desde 300 ºC hasta 1200ºC, para los distintos tipos de residuos.

Temperatura de operación superior a 1400 ºC.

Eficiencia de destrucción alta, sujeta a un controlestricto. Eficiencia de destrucción completa.

Una humedad alta del residuo afecta a los El proceso no se ve afectado por el contenido de

GASIFICACIÓN

Incineración versus Gasificación.

Una humedad alta del residuo afecta a losrequerimientos de energía.

El proceso no se ve afectado por el contenido dehumedad del residuo, ya que se inyecta vapor deagua durante el proceso.

Requiere un estricto control para la remoción dedioxinas y furanos, contenidos en los residuos oformados en la destrucción de residuos clorados.

La atmósfera reductora evita la formación dedioxinas y furanos, y por la alta temperatura sondestruidos totalmente.

Los productos finales son gases de combustión,escorias y cenizas.

Los productos finales son gases combustibles,vapor de agua, ácidos inorgánicos en forma vítrea.

Las cenizas son consideradas un residuo peligroso. Los inorgánicos en forma vítrea tienen utilidad enconstrucción.

Se vierten gases de combustión a la atmósfera(previo tratamiento). No existe descarga de gases a la atmósfera.

Supone un tratamiento finalista. El tratamiento no es finalista.

••• Incineración.Incineración.Incineración.

••• Gasificación.Gasificación.Gasificación.

MTD’S ESPECIFICAS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE RESIDUOS: NUEVAS PROPUESTAS


• Plasma.

PLASMA

El plasma. Residuos.

�Desde el punto de vista técnico, el plasma es útil pararesiduos que contengan sustancia orgánica e inorgánica.�Desde un punto de vista económico, interesan residuosDesde un punto de vista económico, interesan residuostóxicos y peligrosos, aquellos que tienen un tratamientosustitutivo muy caro, o inaccesible.

PLASMA

El plasma.El plasma es la ionización de un flujo gaseoso,eléctricamente neutro, por medio de un campoelectromagnético. Es un gas ionizado que contienepartículas eléctricamente cargadas -electrones e iones-,neutras –átomos, moléculas y fotones-, y átomos excitados.Conduce la electricidad y es sensible a los camposmagnéticos.

PLASMA

Tipos de plasma.

Plasma frío: A bajas presiones, la energía (temperatura)de los electrones es superior a la del gas de fondo(iones), que no es superior a los 1000 ºK.(iones), que no es superior a los 1000 ºK.

Plasma térmico: Conforme aumenta la presión del gas, laenergía de los electrones y del gas de fondo se igualan,llegando a temperaturas superiores a los 3000 ºK. Enprocesos industriales se llega a los 15000 ºK.

PLASMA

Antorcha de plasma.

La antorcha de plasma es un equipo industrial que permiteproducir un gas ionizado a altísima temperatura mediante lageneración controlada de un arco voltaico.

Las altas temperaturas del plasma provocan la disociaciónde moléculas, la destrucción de compuestos tóxicos, asícomo la fusión de moléculas inorgánicas que setransforman en una lava de tipo volcánico.

PLASMA

Antorcha de plasma. Componentes.

�Circuito eléctrico de alimentación.�Gas plasmágeno (Ar, He, N2, o CO2).�Circuito de refigeración por agua, para disipar la�Circuito de refigeración por agua, para disipar latemperatura.

PLASMA

El plasma.

PLASMA

Reactor con antorcha de plasma.

La altísima temperaturaproducida por la antorcha deplasma permite romper losplasma permite romper losenlaces moleculares,formando un gas de síntesisy una lava fundida que alenfriar se transforma en unproducto vítreo inerte.

PLASMA

Reactor con antorcha de plasma.

El reactor de plasma transforma los residuos en un materialvitrificado más unos metales (corriente sólida), y un gascombustible más vapor de agua (corriente gaseosa),compuesto por CO, H y N, Cl, S.compuesto por CO, H2 y N, Cl, S.

La reducción en peso y en volumen es superior al 90%.

PLASMA

Tecnología de plasma. Ventajas.

�Obtención de gas de síntesis con valor caloríficorazonable.�Energía recuperada superior al equivalente térmico dela electricidad consumida (excepto para residuos con PCIla electricidad consumida (excepto para residuos con PCIbajos).�Fusión de los compuestos inorgánicos y formación deuna lava vítrea.�Empleo de material fluidizante, que mejora laviscosidad de la lava y proporciona la basicidad necesariapara garantizar la no lixiviabilidad de los metales pesadosy sus óxidos.�Producción mínima de rechazos.

PLASMA

Tecnología de plasma. Ventajas.

�Ausencia de dioxinas, furanos, cenizas y escorias.�Se obtiene una lava vitrificada y una torta de azufre,que son aprovechables.�La transmisión de calor es muy efectiva.�La transmisión de calor es muy efectiva.�Al ser un proceso pirolítico, no precisa oxígeno.�Es un tratamiento muy rápido.

PLASMA

Tecnología de plasma. Inconvenientes.

�Las elevadas temperaturas (aprox 10000 ºC) dañan losrefractarios.�El funcionamiento del plasma es muy sensible a lasalteraciones del voltaje.alteraciones del voltaje.�Coste de instalación y de explotación caros.�Falta de isotermia (calor generado por un foco puntual).Ello obliga a contar con una cámara de oxidación y depostcombustión.�Para el tratamiento de residuos sólidos, se precisa untratamiento previo.

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