Proyecto Fin de Carrera Ingeniería...

Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Química

Tratamiento de escorias de una incineradora de

residuos domésticos

Dep. Ingeniería Química y Ambiental

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Autor: Rocío García Figueroa

Tutor: Antonio Morales Carrasco

Sevilla, 2018

iii

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Química

Tratamiento de escorias de una incineradora de

residuos domésticos

Autor:

Rocío García Figueroa

Tutor:

Antonio Morales Carrasco

Dep. de Ingeniería Química y Ambiental

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

v

Proyecto Fin de Carrera: Tratamiento de escorias de una incineradora de residuos domésticos.

Autor: Rocío García Figueroa

Tutor: Antonio Morales Carrasco

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de

Sevilla, 2018

El Secretario del Tribunal

ix

Agradecimientos

A mi familia, por su esfuerzo y dedicación. A mi hermana, por ser mis pies y mis manos y levantarme en mis

momentos más bajos. A mi cuñado, por su apoyo incondicional. A Jéssica y David, más que amiga y primo,

son mis hermanos, los cuales siempre han estado a mi lado. A mis compañeros, por hacer más amena esta

aventura. Por ultimo, quiero agredecer a mi tutor, su paciencia y dedicación para guiarme en este proyecto.

A todos ellos,

Gracias

x

Resumen

Las sociedades humanas siempre han generado residuos, pero es en la actualidad, en la sociedad del consumo,

las que han llevado al aumento de los niveles de residuos de forma desorbitada generando un grave impacto

ambiental, sanitario, económico y social que han llevado a las distintas sociedades a tomar nuevas iniciativas

para la gestión de residuos.

Unas de esas medidas es la valorización de los residuos en la que se pueden aprovechar los residuos para crear

nuevos productos o reciclarlos para evitar el uso de nuevas materias primas y obtener energía.

Este proyecto se centra en la valorización energética que consiste en la incineración de los residuos y en el

tratamiento para el aprovechamiento de los productos inquemados de ese procedimiento, denominados

escorias, las cuales tienen que pasar por un tratamiento previo para su valorización.

xi

Abstract

Human societies have always generated waste, but it is currently, in the society of consumption, which have

led to the increase in residue levels of skyrocketing generating a serious environmental, health, economic and

social impact have led to different societies to take new initiatives for waste management.

One of these measures is the recovery of the waste in which waste can be leveraged to create new products or

recycle it to prevent the use of new raw materials and energy.

This project focuses on energy recovery that consists in the incineration of waste and the treatment for the use

of the unburned products of this procedure, called incineration bottom ash, which should go through a

treatment prior to his valorization.

xii

Índice

Agradecimientos ix

Resumen x

Abstract xi

Índice xii

Índice de tablas xv

Índice de figuras xvii

Notación xviii

1. Introducción 1

2. Gestión de residuos. 3

2.1 Concepto de residuo. 3

2.2 Problemática de los residuos 4

2.3 Gestión de residuos 4

2.3.1 Introducción 4

2.3.2 Planes de Gestión de Residuos 6

3. Incineración 8

3.1 Introducción 8

3.2 Métodos térmicos 11

3.2.1 Incineradores de parrilla 12

3.2.1.1 Tipos de parrilla 13

3.2.2 Hornos rotativos 14

3.2.3 Lechos fluidizados 15

3.2.3.1 Tipos de lechos fluidizados 16

xiii

3.2.4 Sistemas de gasificación y pirólisis 18

3.2.4.1 Gasificación 18

3.4.2.2 Pirólisis 21

3.2.5 Comparacion de las técnicas de incineración 22

3.3 Ventajas e inconvenientes de la incnieración de residuos 23

3.4 Residuos de combustión 24

3.4.1 Escorias 24

3.4.2 Cenizas volantes 24

4. Tratamiento de las escorias de incineración 25

4.1 Extracción de las escorias 25

4.1.1 Extracción de escorias vía húmeda 26

4.1.2 Extracción de escorias vía seca 27

4.2 Propiedades 27

4.3 Composición de las escorias 30

4.4 Maduración de las escorias 31

4.4.1 Carbonatación de las escorias 32

4.5 Tratamientos habituales 32

4.5.1 Tratamiento de las cenizasde fondo en seco. 33

4.5.2 Tratamiento de las cenizas de fondo mediante sisemas de tratamiento húmedo 34

4.5.3 Tratamiento de las cenizas de fondo mediante sistemas térmicos 35

4.6 Lixiviación 36

4.7 Carbonataciön acelerada 36

4.8 Valorización de las escorias 37

4.9 Tratamiento de los residuos de combustión en España 40

5. Diseño de una planta de tratamiento de escorias 42

5.1 Introducción 42

5.2 Proceso 42

xiv

5.3 Diseño de equipos principales 46

5.3.1 Cribas 46

5.3.1.1 Diseño 46

5.3.1.2 Datos técnicos 49

5.3.2 Cintas transportadoras 52

5.3.2.1 Diseño 52

5.3.2.2 Datos técnicos 52

6. Conclusiones 66

Referencias 67

xv

Índice de Tablas

Tabla 1: Comparacion de los distintos métodos térmicos. 22

Tabla 2: Propiedades químicas de las escorias. 28

Tabla 3: Cantidad, en mg/kg, de metales presentes en la escoria. 29

Tabla 4: Especificaciones imán. 44

Tabla 5: Especificaciones molino. 44

Tabla 6: Especificaciones ECS. 45

Tabla 7: Resultados balance de materia. 45

Tabla 8: Especificaciones compactador de metales. 46

Tabla 9: Luz de malla (mm) para las cribas de proceso. 47

Tabla 10: Datos ncesarios para el cáculo del área de cribado. 48

Tabla 11: Resultados obtenidos para elárea de cribado. 48

Tabla 12: Datos técnicos para criba C-01. 49




Tabla 16: Datos de partida para el diseño de cintas. 53

Tabla 17: Datos necesarios para la elección de cinta. 54

Tabla 18: Elección de ancho de banda. 55

Tabla 19: Potencia obtenida para cada cinta. 56

Tabla 20: Datos técnicos para cinta CT-01. 57

Tabla 21: Datos técnicos para cinta CT-02 58






xvi

Tabla 27: Datos técnicos para cinta CT-08. 64

xvii

Índice de Figuras

Figura 1: Distribución del tratamiento de residuos por habitante 4

Figura 2: Planta incineradora de residuos, Sirusa (Tarragona) 10

Figura 3: Tratamiento de residuos en UE. Año 2014. 10

Figura 4: Tratamiento de residuos por países. Año 2014. 11

Figura 5: Parrilla, horno y recuperación de un ejemplo de incineración de RD. 12

Figura 6: Esquema de horno rotativo. 14

Figura 7: horno de lecho fluido estacionario o borboteo. 16

Figura 8: Horno de lecho fluido circulante. 17

Figura 9: Gasificador downdraft (izquierda) y updraft (derecha). 19

Figura 10: Gasificador de lecho fluido burbujeante (izquierda) y circulante (derecha). 20

Figura 11: Gasificador de lecho arrastrado. 20

Figura 12: Ejemplo de diagrama de proceso de una planta de pirólisis. 22

Figura 13: Extractor de escorias vía húmeda. 25

Figura 14: Extractor de escorias vía seca. 26

Figura 15: Composición de la ceniza de fondo. 28

Figura 16: Planta de tratamiento de escorias por vía húmeda. 35

Figura 17: Gestión de las cenizas de fondo. 37

Figura 18: Estructura de una carretera. 38

Figura 19: Ubicación de plantas incineradoras en España 41

Figura 20: Diagrama de bloques de proceso. 43

xviii

Notación

ECS Eddy Current Separator

IBA Incineration bottom ash

MAPAMA Ministerio de Agricultura, Pesca, Alimentacion y Medio Ambiente

RD Residuos domésticos

UE Unión Europea

1

1 INTRODUCCION

Los residuos se consideran uno de los problemas ambientales más grandes que tenemos en esta sociedad. La

población y el consumo crece, y por ende los residuos, generando problemas de espacio y la gestión

inadecuada son los que han llevado a que el tema de los residuos sea considerado uno grave problema social,

ambiental y económico.

En España, aunque la implantación de plantas de reciclaje y valorización de residuos haya aumentado, sigue

estando muy por debajo de la media de la Unión Europea. La mayor parte de los residuos que generamos van a

parar a vertederos controlados.

Una de las medidas que se usan para mitigar los problemas medioambientales y sociales de los vertidos es la

valorización que puede ser: material, en la que los residuos se usan para obtener materiales nuevos o se

reciclan para evitar el uso de materias primas nuevas y la valorización energética que se basa en la incineración

de los residuos reduciendo la cantidad de residuo y aprovechando el contenido energético del mismo.

La incineración se lleva usando en la gestión de residuos desde hace muchos años, sin embargo, los problemas

ambientales surgidos por no contar con los medios de protección adecuados han generado una mala opinión

sobre su uso. Sin embargo, con los avances tecnológicos que existen actualmente junto con las normativas en

vigor cada vez más exigentes con el medio ambiente, este tipo de tratamiento puede considerarse como un

medio más en la gestión de residuos.

De la incineración se obtienen unos inquemados, denominados escorias, las cuales pasan por un tratamiento

posterior para proceder a su vertido o aprovechamiento. Dichas escorias suponen entre el 85 y 95 % en peso de

producto sólido resultante de la incineración.

Se han llevado a cabo numerosos estudios para dar uso a las esas escorias, con lo cual se pretende

que el vertido de estos productos sea el minimo posible.

En este proyecto se ha realizado la ingeniería conceptual de una planta de valorización de las

escorias.

3

GESTION DE RESIDUOS

2.1 Concepto de residuo doméstico

La ley actual no define residuo urbano como tal, sino que hace una distinción con respecto a su origen.

Según la Ley 22/2011 de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados, se define residuo como:

“cualquier sustancia u objeto que su poseedor deseche o tenga la intención o la obligación de

desechar.

La Ley de residuos de 21 de abril de 1998 (ya derogada) definía residuo urbano o municipal como:

“los generados en los domicilios particulares, comercios, oficinas y servicios, así como todos

aquellos que no tengan la calificación de peligrosos y que por su naturaleza o composición puedan

asimilarse a los producidos en los anteriores lugares o actividades.”.

Por su parte, la Ley 22/2011 en vigor define:

• Residuos domésticos: residuos generados en los hogares como consecuencia de las actividades

domésticas. Se consideran también residuos domésticos los similares a los anteriores generados

en servicios e industrias.

• Se incluyen también en esta categoría los residuos que se generan en los hogares de aparatos

eléctricos y electrónicos, ropa, pilas, acumuladores, muebles y enseres, así como los residuos y

escombros procedentes de obras menores de construcción y reparación domiciliaria.

• Tendrán la consideración de residuos domésticos los residuos procedentes de limpieza de vías

públicas, zonas verdes, áreas recreativas y playas, los animales domésticos muertos y los

vehículos abandonados.

Los residuos comerciales son aquellos residuos generados por la actividad propia del comercio, al por

mayor y al por menor, de los servicios de restauración y bares, de las oficinas y de los mercados, así

como del resto del sector servicios.

No se consideran, lógicamente, residuos domésticos los Residuos industriales que son áquellos

resultantes de los procesos de fabricación, de transformación, de utilización, de consumo, de limpieza o

de mantenimiento generados por la actividad industrial, excluidas las emisiones a la atmósfera reguladas

en la Ley 34/2007, de 15 de noviembre.

4

Tratamiento de las escorias de una incineradora de residuos domésticos

2.2 Problemática de los residuos

El estilo de vida actual ha llevado a que la producción de residuos crezca de forma desorbitada. Esto se

debe a varias razones como el crecimiento demográfico, el desarrollo industrial, la cultura del usar y tirar

y una gestión de residuos deficiente.

Los problemas que tienen lugar los residuos principalmente son, la ocupación de espacio en el que los

residuos degradan e inhabilitan el suelo para otros usos.

Figura 1: Distribución del tratamiento de residuos municipales por habitante. Año2013. Fuente:

MAPAMA.

En España, como se puede observar en la figura 1, más del 60% de los residuos tienen como destino final

el vertedero.

2.3 Gestión de residuos

2.3.1 Introducción

Según la Ley de 22/2011 de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados, define la gestión de residuos

como

“la recogida, el transporte y tratamiento de los residuos, incluida la vigilancia de

estas operaciones, así como el mantenimiento posterior al cierre de los vertederos,

incluidas las actuaciones realizadas en calidad de negociante o agente”.

Dentro del marco europeo, la Directiva 2008/98/CE sobre los Residuos introduce una jerarquía de

residuos vinculante que define el orden de prioridad a la hora de gestionar los residuos que obliga a los

Estados miembros a modernizar sus planes de gestión de residuos. Como se ha hecho referencia, España,

a través de la Ley 22/2011, se ha incorporado su ordenamiento jurídico y marca la jerarquía que define un

orden de prioridad en los tratamientos a realizar con los residuos:

5


1. La prevención de residuos.

- La prevención de residuos se puede definir como el conjunto de medidas destinadas a

evitar que una sustancia, materia o producto se conviertan en residuo. Entre estas

medidas cabe destacar la reducción de la cantidad de residuos generados mediante la

reutilización o la prolongación de la vida útil de los productos.

2. La preparación para la reutilización.

- La preparación para la reutilización se considera como la operación de valorización

consistente en la comprobación, limpieza o reparación, por la que productos o

componentes de productos que se hayan convertido en residuos se preparan para que

puedan ser usados para el fin para el que fueron concebidos. Para promover la

reutilización, la ley habla de la adopción de medidas para impulsar los Sistemas de

Depósito, Devolución y Retorno (SDDR) para determinada tipología de residuos,

fundamentalmente envases.

3. El reciclado.

- El reciclado consiste en transformar los residuos para que vuelvan a utilizarse con su fin

inicial o para otros fines. Como principales ventajas están el aprovechamiento de

materias primas, la economía energética, el uso racional de recursos naturales y la

devolución a la tierra de su riqueza orgánica. La clasificación de los residuos en el origen

y la deposición en los contenedores específicos facilita su posterior reciclaje, con lo que

se consigue el ahorro de energía y materias primas.

4. Otro tipo de valorización, incluida la energética.

- Como valorización se entiende cualquier operación cuyo fin sea que el residuo tenga una

finalidad útil. Cuando la valorización conduce a transformar de nuevo los residuos en

productos, materiales o sustancias hablamos de reciclado. Cuando la ley habla de otras

formas de valorización se refiere fundamentalmente a la valorización energética. En el

caso de los residuosdomésticos, la valorización energética puede realizarse a través de:

• Procesos termoquímicos. Combustión, y en mucha menor medida gasificación y

pirólisis. La autorización de operaciones de incineración o de coincineración de

residuos domésticos con valorización energética requerirá de un nivel de eficiencia

energética que deberá ajustarse a lo establecido en el anexo II de la ley 22/2011.

• Procesos fisicoquímicos. Reutilización de aceites para la producción de

biocombustibles.

6


• Procesos bioquímicos. Se basa en la digestión anaerobia para la obtención de metano.

5. La eliminación.

- Cuando no se lleve a cabo la valorización, los residuos se someterán a operaciones de

eliminación seguras adoptando las medidas que garanticen la protección de la salud

humana y el medio ambiente.

En la actualidad, los tratamientos más utilizados para el aprovechamiento de los recursos contenidos en

los residuos o para su eliminación son: el vertedero controlado, la incineración (cumpliendo o no con los

valores de eficiencia energética), el compostaje y el reciclado. (2)

2.3.2 Planes de Gestión de Residuos.

La prevención en la generación de residuos es la apuesta de la política de residuos que más beneficios

ambientales proporciona, por ello ocupa la primera posición en la jerarquía de residuos y es clave tanto en

la Hoja de ruta para avanzar hacia una Europa Eficiente como en la Directiva Marco de Residuos. Esta

Directiva recoge obligaciones específicas en esta materia con el objetivo último de desvincular del

crecimiento económico el incremento en la generación de residuos. Por lo que los países miembros tienen

la obligación de disponer de un Programa de Prevención de Residuos, atendiendo a dicha exigencia

comunitaria.

En España, se encuentra en vigor el Programa Estatal de Prevención de Residuos 2014-2020, el cual

desarrolla la política de prevención de residuos, conforme a la normativa vigente para avanzar en el

cumplimiento del objetivo de reducción de los residuos generados en 2020 en un 10 % respecto del peso

de los residuos generados en 2010. El Programa Estatal describe la situación actual de la prevención en

España, realiza un análisis de las medidas de prevención existentes y valora la eficacia de las mismas.

Este programa se configura en torno a cuatro líneas estratégicas destinadas a incidir en los elementos

clave de la prevención de residuos:

- reducción de la cantidad de residuos,

- reutilización y alargamiento de la vida útil de los productos,

- reducción del contenido de sustancias nocivas en materiales y productos, y

- reducción de los impactos adversos sobre la salud humana y el medio ambiente, de los residuos

generados.

El 6 de noviembre de 2015, se aprueba el Plan Estatal Marco de Gestión de Residuos (PEMAR) 2016-

2022 que se considera como el instrumento para orientar la política de residuos en España en los

próximos años, que impulse las medidas necesarias para mejorar las deficiencias detectadas y promueva

las actuaciones que proporcionan un mejor resultado ambiental y que aseguren que España cumple con

7


los objetivos legales. Se busca sustituir una economía basada en producir, usar y tirar en una economía en

la que se reincorporen al proceso productivo una y otra vez los materiales que contienen los residuos para

la producción de nuevos productos o materias primas.

Las Comunidades Autónomas han de elaborar los planes de Gestión ajustándose a la estrategia general de

la política de residuos, las orientaciones y la estructura dictada en el plan marco nacional, así como a los

objetivos mínimos a cumplir de prevención, preparación para la reutilización, reciclado, valorización y

eliminación. Las entidades locales también podrán establecer sus propios programas de gestión en

coordinación con los planes marco nacionales y los planes autonómicos de residuos (3).

La aplicación y desarrollo de las orientaciones establecidas en el PEMAR con lleva beneficios de

carácter:

- Ambiental: la correcta gestión de los residuos garantiza la protección de la salud humana, de la

atmósfera, de las aguas y del suelo y contribuye a proteger el clima.

- Económico: asociados a la actividad empresarial relativa a los residuos y al incremento de la

disponibilidad de materias primas empeladas por la industria en condiciones seguras.

- Social: asociados a la creación de empleo derivada del fomento de la preparación para la

reutilización y del reciclado

9

3. INCINERACION

3.1 Introducción

La incineración de residuos consiste en la oxidación de los residuos con exceso de aire a una temperatura

superior a 850 ºC, para así garantizar la combustión total de los residuos.

Las sustancias orgánicas de los residuos se queman al alcanzar la temperatura de ignición necesaria y entrar en

contacto con oxígeno. El proceso de combustión en sí se produce en la fase gaseosa en fracciones de segundo

y libera energía de forma simultánea. Cuando el valor calorífico del residuo y el suministro de oxígeno es

suficiente, esto puede producir una reacción térmica en cadena y combustión autoalimentada, es decir, que no

requiere la adición de otros combustibles.

El objetivo de la incineración es tratar los residuos con el fin de reducir su volumen y peligrosidad, capturando

o destruyendo las sustancias potencialmente nocivas que se emiten, o se pueden emitir, durante la incineración.

Los procesos de incineración también pueden ofrecer un medio que permita la recuperación del contenido

energético, mineral o químico de los residuos.

Las principales etapas del proceso de incineración son:

1. Secado y desgasado: aquí, se desprende el contenido volátil (como hidrocarburos y agua) a temperaturas

generalmente entre 100 y 300 °C. El proceso de secado y desgasado no requiere ningún agente oxidante y sólo

depende del calor aportado.

2. Pirólisis y gasificación: la pirólisis es la descomposición de las sustancias orgánicas en ausencia de un

agente oxidante a unos 250-700 °C. La gasificación de los residuos es la reacción de los mismos con vapor de

agua y CO2 a temperaturas que normalmente están entre 500 y 1000 °C. Con ello se transfiere materia

orgánica sólida a la fase gaseosa. Además de la temperatura, esta reacción se ve favorecida por la presencia de

vapor de agua, CO2 y oxígeno.

3. Oxidación: los gases combustibles creados en las etapas anteriores se oxidan, a temperaturas de gases de

combustión que generalmente están entre 800 y 1450 °C. (4)

10

Tratamiento de escorias de una incineradora de residuos domésticos

Figura 2: Planta incineradora de residuos. Sirusa (Tarragona).

El sector de la incineración ha ido creciendo en los últimos años debido a la legislación y a las nuevas técnicas

empleadas en las que se reducen las emisiones a la atmósfera.

Figura 3: tratamientos de residuos en la UE. Año 2014. Fuente: Cewep

En la figura 3, se puede observar que el vertido en vertedero es cada vez menos usado como destino final de

los residuos mientras que los sectores de reciclaje, compostaje e incineración están en aumento.

11


Figura 4: Tratamiento de residuos por países. Año2014. Fuente: Cewep.

Los países como Alemania, Bélgica y Suecia apuestan por los tratamientos ecológicos dejando en el 1% la

deposición en vertederos. En Dinamarca, la opción principal es la incineración de residuos, de hecho, es el país

europeo que mayor cantidad de residuos envía a este tipo de tratamiento. Los métodos de compost y reciclaje

han ido a la par prácticamente, aunque con pequeñas oscilaciones a lo largo de los años, ahora el reciclaje ha

cogido más fuerza. En el caso de España, sólo el 10 % de los RD se incineran, mientras que el 55% de los

residuos van a parar al vertedero, un dato que está muy por encima de la media europea.

3.2 Métodos térmicos

Existen distintos tipos de tratamientos térmicos para distintos residuos. Los métodos más usados (4) son:

- Incineradores de parrilla;

- Hornos rotativos;

- Lechos fluidizados;

- Sistemas de pirólisis y gasificación.

- Plasma.

No todos los tratamientos térmicos son indicados para todos los residuos. A continuación, se muestra que

métodos son los más usados para los distintos residuos:

12


- Residuos domésticos: pueden incinerarse en varios sistemas de combustión, como parrilla móvil,

lechos fluidizados y, en menor medida, hornos rotativos.

- Incineración de lodo de depuradora: se realiza en hornos rotativos, incineradores de solera múltiple o

de lecho fluidizado. También se aplica co-combustión en sistemas de combustión de parrilla, plantas

de combustión de carbón y procesos industriales. El lodo de depuradora suele tener un elevado

contenido de agua y por tanto normalmente precisa secado, o la adición de combustibles

suplementarios para asegurar una combustión estable y eficaz.

- Incineradores de residuos peligrosos y médicos: los hornos rotativos son los más comúnmente

utilizados, pero los incineradores de parrilla (incluida co-combustión con otros residuos) se aplica

también en ocasiones a residuos sólidos, y los incineradores de lecho fluidizado a algunos materiales

pre-tratados.

3.2.1 Incineradores de Parrilla

Los incineradores de parrilla son los más usados en Europa. Este tipo de incinerador se compone de los

siguientes elementos (4):

- alimentador de residuos;

- parrilla de incineración;

- descargador de ceniza de fondo;

- sistema de conducción de aire de incineración;

- cámara de incineración;

- quemadores auxiliares.

13


Figura 5:Parrilla, horno y recuperación de un ejemplo de incineración de RD. Fuente: MAPAMA

La parrilla de incineración realiza las siguientes funciones:

- transporte de los materiales a incinerar a través del horno;

- carga y aflojamiento de los materiales a incinerar;

- posicionamiento de la zona de incineración principal en la cámara de incineración, posiblemente en

combinación medidas de control de rendimiento del horno.

Uno de los objetivos de la parrilla de incineración es una buena distribución del aire de incineración en el

horno, de acuerdo con los requisitos de combustión. Un soplante de aire primario fuerza la entrada de aire, a

través de pequeñas aberturas de la capa de la parrilla, hasta la capa de combustible. Normalmente se añade más

aire sobre el lecho de residuos para completar la combustión.

Es frecuente que algunos materiales finos (que a veces se denominan cribados o tamizados), caigan a través de

la parrilla. Este material es recuperado en el fondo por el extractor de ceniza. A veces se recupera

separadamente y puede reciclarse a la parrilla para su nueva incineración o retirarse directamente para su

eliminación. Cuando el tamizado se recircula a la tolva, debe tenerse cuidado de que no incendie los residuos

de la tolva.

Normalmente, el tiempo de permanencia de los residuos en las parrillas no es superior a 60 minutos (4).

3.2.1.1 Tipos de Parrilla

Pueden distinguirse distintos sistemas de parrillas, atendiendo al modo en que los residuos son transportados a

través de las distintas zonas de la cámara de combustión. Todos ellos deben cumplir requisitos relativos a la

alimentación de aire primario, a la velocidad de transporte e inclinación, así como de mezcla de los residuos.

Otras características pueden incluir controles adicionales, o una construcción más robusta para resistir las

duras condiciones en la cámara de combustión (4).

Parrillas oscilantes: Las secciones de la parrilla están colocadas a través del ancho del horno. Se aplica una

basculación u oscilación en filas alternas para producir un movimiento hacia arriba y de avance, que hace

avanzar y agita los residuos.

Parrillas reciprocantes o de vaivén: este diseño consiste en secciones que cubren el ancho del horno, pero

están apiladas unas sobre otras. Algunas secciones alternas de la parrilla se deslizan adelante y atrás, mientras

que las secciones adyacentes se mantienen fijas. Los residuos van cayendo de la parte fija y son agitados y

mezclados a medida que se mueven por la parrilla. Existen numerosas variaciones de este tipo de parrilla,

algunas alternan secciones fijas y móviles, otras tienen combinaciones de varias secciones móviles por cada

14


sección fija. En este último caso, las secciones pueden moverse juntas o en momentos distintos del ciclo.

Existen esencialmente dos principales variaciones de parrillas reciprocantes (4).

Parrilla reciprocante inversa: Las barras de la parrilla oscilan adelante y atrás en dirección inversa al flujo de

residuos. La parrilla está inclinada desde el extremo de la alimentación hasta la descarga de ceniza y se

compone de secciones de parrilla fijas y móviles (4).

Parrilla de empuje: La parrilla forma una serie de escalones que oscilan horizontalmente y empujan los

residuos en la dirección de la descarga de ceniza (4).

Parrillas móviles: Consisten en una cinta transportadora metálica continua o bielas conectadas que se mueven

a lo largo del horno. El menor potencial para agitar los residuos (sólo se mezcla cuando se transfiere de una

cinta a otra) hace que su uso sea escaso en instalaciones modernas (4).

Parrilla de rodillos: Consisten en un rodillo perforado que atraviesa el ancho de la zona de parrilla. Hay varios

rodillos instalados en serie, y se produce una agitación en la zona de transición, cuando el material se

desprende de los rodillos (4).

Parrillas refrigeradas: La mayoría de parrillas son refrigeradas, casi siempre con aire. En algunos casos se

pasa un medio refrigerante líquido (normalmente agua) a través del interior de la parrilla. La circulación del

medio refrigerante va desde zonas más frías a zonas progresivamente más calientes con el fin de aumentar al

máximo la transferencia de calor. El calor absorbido por el medio refrigerante puede transferirse para uso en el

proceso o para suministro externo (4).

3.2.2 Hornos rotativos.

Los hornos rotativos son muy robustos y permiten incinerar casi cualquier residuo, independientemente de su

tipo y composición. En particular, los hornos rotatorios se aplican muy ampliamente para la incineración de

residuos peligrosos. Esta tecnología se utiliza también comúnmente para residuos clínicos, pero bastante

menos para residuos domésticos. Las temperaturas operativas de los hornos rotatorios utilizados para residuos

van desde unos 500°C (como gasificador) hasta 1450°C (como horno de fusión de ceniza a alta temperatura).

Cuando se utilizan para combustión oxidativa convencional, la temperatura está normalmente por encima de

850°C. Cuando se incineran residuos peligrosos, las temperaturas típicas son del orden 900-1200°C.

Generalmente, y según la entrada de residuos, cuanto mayor es la temperatura operativa, mayor es el riesgo de

ensuciamiento y daños por tensión térmica en el revestimiento refractario del horno. Algunos hornos tienen

una camisa de refrigeración (con aire o agua) que ayuda a prolongar la vida del material refractario, y por lo

tanto el tiempo entre mantenimientos y paradas.

El horno rotativo consiste en un vaso cilíndrico ligeramente inclinado sobre su eje horizontal. El vaso está

normalmente situado sobre rodillos, que permiten que el horno gire u oscile alrededor de su eje (movimiento

15


de vaivén). Los residuos se transportan a través del horno por gravedad a medida que gira. La inyección

directa se utiliza particularmente para residuos líquidos, gaseosos o pastosos (bombeables) –especialmente

cuando presentan riesgos de seguridad y se requiere especial cuidado para reducir la exposición de los

operarios.

El tiempo de residencia del material sólido en el horno viene determinado por el ángulo horizontal del vaso y

la velocidad de rotación: un tiempo de residencia entre 30 y 90 minutos es normalmente suficiente para

conseguir una buena combustión de los residuos (4).

figura 6: Esquema de un horno rotativo. Fuente: MAPAMA

3.2.3 Lechos fluidizados

Un incinerador de lecho fluidizado es una cámara de combustión revestida en forma de cilindro vertical. En la

sección inferior, un lecho de material inerte (ej., arena o ceniza) sobre una parrilla o placa de distribución se

fluidiza con aire. Los residuos a incinerar son alimentados continuamente al lecho de arena fluidizado desde la

parte superior o lateral.

Se introduce aire precalentado en la cámara de combustión a través de aberturas en el lecho-placa, formando

un lecho fluidizado con la arena contenida en la cámara de combustión. Los residuos son alimentados al

reactor a través de una bomba, un alimentador rotatorio o un transportador de husillo-tubo.

En el lecho fluidizado se realiza el secado, volatilización, ignición y combustión. La temperatura en el espacio

libre sobre el lecho (margen libre) está generalmente entre 850 y 950°C. Sobre el material del lecho fluidizado,

el margen libre está diseñado para permitir la retención de los gases en una zona de combustión. En el lecho en

sí, la temperatura es inferior, y puede estar alrededor de 650°C o más.

Gracias a la buena mezcla que proporciona la naturaleza del reactor, los sistemas de incineración de lecho

fluidizado tienen generalmente una distribución uniforme de temperaturas y oxígeno, lo que produce un

funcionamiento estable. Para residuos heterogéneos, la combustión en lecho fluidizado requiere un paso de

proceso de preparación de los residuos, de modo que sean conformes a las especificaciones de tamaño. Para

algunos residuos, esto puede conseguirse mediante una combinación de recogida selectiva de residuos y/o

pretratamiento, como trituración. Algunos tipos de lechos fluidizados (ej. el lecho fluidizado rotativo) pueden

recibir residuos de tamaños de partícula mayores que otros. En tal caso, es posible que los residuos sólo

16


requieran una reducción somera de tamaño (4).

3.2.3.1 Tipos de lechos fluidizados

Existen distintos tipos de horno de lecho fluidizado:

Incineración en lecho fluidizado estacionario (o de borboteo): Este tipo de lecho fluidizado se utiliza

comúnmente para lodo de depuradora, así como para otros lodos industriales, por ejemplo, de las industrias

química y petroquímica. El lecho fluidizado estacionario o de borboteo consta de una cámara de incineración

revestida cilíndrica o rectangular, un lecho de inyectores, y un quemador de arranque situado debajo.

figura 7: horno de lecho fluido estacionario o de borboteo. Fuente: MAPAMA.

El aire precalentado asciende a través de una placa de distribución y fluidiza el material del lecho. Según la

aplicación, pueden usarse diversos materiales en el lecho (arena de sílice) y tamaños de partícula del material

del lecho (aprox. 0,5-3 mm).

Los residuos pueden cargarse a través del cabezal o los lados mediante cargadoras de cinta, o inyectarse

directamente en el lecho fluidizado. En el lecho, los residuos se mezclan con el material del lecho caliente, se

secan y parcialmente se incineran. Las fracciones restantes (partículas volátiles y finas) son incineradas sobre

el lecho fluidizado, en el margen libre. La ceniza restante se elimina con los gases de combustión en el cabezal

del horno.

Pueden aplicarse etapas de pretratamiento de deshidratación y secado, de modo que los residuos se incineren

sin necesidad de combustibles adicionales. El calor recuperado del proceso de incineración puede usarse para

proporcionar la energía para el secado de los residuos.

En el arranque, o cuando la calidad del residuo es baja debe usarse combustible adicional (gasóleo, gas y/o

combustible de residuos) para alcanzar la temperatura prescrita del horno (típicamente 850°C).

El tamaño del horno viene determinado en gran medida por la evaporación requerida (sección transversal del

17


horno), la capacidad calórica del horno (volumen del horno) y la cantidad de aire requerida.

Lecho fluidizado circulante (LFC): El lecho fluidizado circulante es especialmente apropiado para la

incineración de residuos con un elevado valor calorífico. Trabaja con material de lecho fino y a elevadas

velocidades de los gases, que eliminan la mayor parte de las partículas de material sólido de la cámara del

lecho fluidizado junto con los gases de combustión. Las partículas se separan luego en un ciclón corriente

abajo y son devueltas a la cámara de incineración.

figura 8: Horno de lecho fluido circulante. Fuente: MAPAMA.

La ventaja de este proceso es que pueden conseguirse elevados rendimientos calóricos y una temperatura más

uniforme en toda la altura con un volumen de reacción bajo. El tamaño de la planta es generalmente mayor

que en un lecho fluidizado de borboteo y permite tratar una gama más amplia de residuos de entrada. El

residuo se inyecta en el lado de la cámara de incineración y se incinera a 850-950°C. El excedente de calor se

elimina a través de paredes con membrana y mediante intercambiadores de calor. El condensador de lecho

fluidizado se coloca entre ciclones de reciclaje y el lecho fluidizado circulante, y sirve para enfriar la ceniza

devuelta. Con este método es posible controlar la eliminación de calor.

Lecho fluidizado rotativo: Este sistema es una variación del lecho de borboteo para incineración de residuos.

Este tipo de horno se caracteriza por la existencia lacas de inyección inclinadas, amplias rampas de extracción

de cenizas del lecho y husillos de extracción, que aseguran un manejo fiable de residuos sólidos. El control de

temperatura dentro de la cámara de combustión con revestimiento refractario (lecho y margen libre) se realiza

mediante recirculación de los gases de combustión. Esto permite un amplio rango de valores caloríficos de

combustibles, como por ejemplo co-combustión de lodos y residuos pre-tratados (4).

18


3.2.4 Sistemas de Pirólisis y Gasificación.

3.2.4.1 Gasificación

La gasificación se basa en la conversión de sustancias orgánicas, mediante oxidación parcial, en un gas. Este

gas formado de puede usar como materia prima para otros procesos químicos o como combustible.

Los materiales que se usan para este tipo de tratamiento son los que tienen un alto contenido en carbono:

cualquier tipo de carbón, biomasa o residuos orgánicos. Según su origen se pueden clasificar en:

Agrícolas: existen una amplia gama de material lignocelulósico generados por el sector agroalimentario.

Forestales: incluye la madera procedente de la limpieza de bosques, aserraderos y otras industrias de la

madrea.

Industriales: proceden de embalajes y palet que se generan en grandes cantidades. Se pueden incluir papel,

cartón, madera y plásticos, todos ellos con un alto poder calorífico.

Domésticos: los RD pueden gasificarse si se elimina el vidrio y los metales previamente. El denominado RDF

(Refuse Derived Fuel) es el combustible resultante una vez eliminados los inertes y material fermentable.

Mixtos: se incluye fangos de depuradora, neumáticos, otros residuos de automóvil y madera procedente del

sector de la construcción. Hay que tener en cuenta que los fangos de depuradora, aunque tenga un alto

contenido en carbono tiene mucha humedad, gran cantidad de cenizas y presencia de metales pesados lo que

dificulta la gasificación(4).

Es importante que la naturaleza (tamaño, consistencia) de los residuos introducidos se mantenga dentro de

ciertos límites predefinidos. Con frecuencia esto requiere el pretratamiento especial de los residuos domésticos

debido a su heterogeneidad, por ejemplo.

Las características del proceso de gasificación son (4):

- menor volumen de gas en comparación con el volumen de gases de combustión en incineración (en

un factor de hasta 10 utilizando oxígeno puro);

- formación predominante de CO en lugar de CO2;

- elevadas presiones operativas (en algunos procesos);

- acumulación de residuos sólidos como escoria (en gasificadores de escoria a alta temperatura);

- agregados pequeños y compactos (especialmente en gasificación a presión);

- utilización material y energética del gas de síntesis;

- menores caudales de aguas residuales de la limpieza del gas de síntesis.

19


Se utilizan los siguientes reactores de gasificación (5):

Gasificador de lecho fijo: son los más simples y los que tienen menor coste de inversión. La alimentación

requiere un troceado y cribado previo para evitar que entre en el reactor partículas finas que pudieran ser

arrastradas por la corriente de gas. Existen tres tipos de reactores de lecho fijo (ver figura 9).

1. Lecho fijo vertical en flujo cruzado o crossdraft: el agente gasificante entra por un lateral del reactor

y el gas producto sale por el lado opuesto. La desventaja de este tipo de gasificador es la alta

temperatura del gas de salida y el alto contenido de cenizas en los gases de combustión, por lo que

cabe considerar el uso de combustibles con bajo contenido en cenizas.

2. Lecho fijo en isocorriente o downdraft: se caracterizan por generar un gas relativamente limpio de

alquitranes y con una conversión de carbono elevada. La temperatura de salida es alta, debido a que el

gas atraviesa la zona de oxidación antes de salir del reactor. Sin embargo, su capacidad específica es

baja y su potencial de escalado, muy limitado. En estos gasificadores, sólido y gas se mueven en el

mismo sentido, normalmente descendente.

3. Lecho fijo en contracorriente updraft: presentan una eficiencia térmica más elevada, al ser la

temperatura de salida baja, pero con el inconveniente de la elevada carga de alquitranes en el gas

producto, lo que obligaría a una exhaustiva limpieza del gas para su uso en determinadas aplicaciones.

Figura 9: Gasificador downdraft (izquierda) y updraft (derecha). Fuente: CONAMA.

Gasificador de lecho fluido: son aquellos en los que el sólido se introduce en un lecho fluidizante

normalmente de arena sílice, alúmina u otros óxidos refractarios. En este tipo de gasificador, el residuo es

fluidizado en una mezcla de vapor de agua y oxígeno o en el aire. Las partículas minerales se recuperan como

cenizas. Existen dos tipos de gasificados de lecho fluido (ver figura 10):

1. Lechos fluidizados burbujeantes: la velocidad del agente fluidizante-gasificante es suficientemente

baja para que no haya una circulación significativa de sólido.

2. Lechos fluidizados circulantes: la velocidad del agente es mucho más elevada, dando como

20


resultado una circulación de sólidos. Este sólido es separado de la corriente gaseosa y recirculado al

reactor por medio del uso de un ciclón y un sistema de retorno al gasificador.

Figura 10: Gasificador de lecho fluido burbujeante (izquierda) y circulante (derecha). Fuente: CONAMA

Gasificador de flujo arrastrado: son aquellos que operan con flujo en isocorriente en el que es necesario un

tamaño de partícula muy fino, ya que los tiempos de residencia en el reactor son muy bajos. Las altas

temperaturas de operación dan como resultado conversiones muy elevadas y concentraciones de alquitrán en el

gas de salida prácticamente nulas (ver figura 11):

figura 11: Gasificador de lecho arrastrado. Fuente: CONAMA

21


3.2.4.2 Pirólisis

La pirolisis es una degradación térmica de una sustancia en ausencia de oxígeno, por lo que dichas sustancias

se descomponen mediante calor, sin que se produzcan las reacciones de combustión. Las características

básicas de dicho proceso son las siguientes:

- El único oxígeno presente es el contenido en el residuo a tratar.

- Las temperaturas de trabajo son inferiores a las de la gasificación, oscilando entre 300°C y 800°C.

Como resultado del proceso se obtiene (6):

- Gas, cuyos componentes básicos son CO, CO2, H2, CH4 y compuestos más volátiles procedentes del

cracking de las moléculas orgánicas, conjuntamente con los ya existentes en los residuos. Este gas es

muy similar al gas de síntesis obtenido en la gasificación, pero hay una mayor presencia de

alquitranes, ceras, etc. en detrimento de gases, debido a que la pirólisis trabaja a temperaturas

inferiores a la gasificación.

- Residuo líquido, compuesto básicamente por hidrocarburos de cadenas largas como alquitranes,

aceites, fenoles, ceras formados al condensar a temperatura ambiente.

- Residuo sólido, compuesto por todos aquellos materiales no combustibles, los cuales o bien no han

sido transformados o proceden de una condensación molecular con un alto contenido en carbón,

metales pesados y otros componentes inertes de los residuos.

Las condiciones de operación con las que se lleva a cabo la pirólisis pueden variar, diferenciándose tres tipos:

- Pirólisis lenta: proceso discontinuo, (P=atm, T= 400 ºC – 500 ºC) en el que la velocidad de ca-

lentamiento es reducida, (

22


Figura 12: ejemplo de diagrama de proceso de planta de pirólisis. Fuente: IDAE.

3. 2.6 Comparación de las técnicas de incineración

En la tabla se recogen las principales ventajas e inconvenientes de los diferentes tipos de incineración de

residuos descritos anteriormente.

Parrillas

- Gran campo de aplicación.

- No necesita tratamiento previo.

- Uso limitado a partículas, líquidos y

materiales que pueden fundirse en la

parrilla.

Horno rotativo

- Uso de combustible externo.

- Limitada capacidad.

- Altos costes de mantenimiento.

Lecho fluido

- Operación estable.

- Tratamiento previo de residuos.

- Elevada producción de cenizas.

Gasificación

- Baja producción de cenizas volantes.

- Producción de gas de síntesis.

- Baja oxidación de metales.

- Formación de alquitranes.

- Tratamiento previo.

23


Pirolisis

- Recuperación de fracciones

orgánicas.

- Reducción de volumen de gases de

combustión

- Residuos limitados.

- Tecnología no ampliamente probada.

Tabla 1: Comparación de los distintos métodos térmicos.

3.3 Ventajas e inconvenientes de la incineración de residuos

La incineración de residuos presenta las siguientes ventajas frente a otros tipos de tratamientos:

- Reducción de volumen de residuos.

- Reducción del peso de los residuos.

- Recuperación de energía térmica contenida en los residuos, obteniendo vapor y/o electricidad.

- Aprovechamiento de los materiales quemados.

- Costes operacionales moderados o bajos en el caso de incinerar con recuperación de energía.

- Puede tratar cualquier residuo si su poder calorífico es adecuado.

- Los residuos de la incineración pueden adquirir valor económico.

- Las condiciones atmosféricas no limitan su funcionamiento.

Como inconvenientes de este tipo de tratamiento se pueden considerar:

- No supone un sistema de disposición total, precisa un acondicionamiento para las escorias (si no son

recicladas) y especialmente para las cenizas sólidas de depuración.

- Alta inversión económica inicial.

- Costes operacionales elevados en el caso de incinerar sin recuperación de energía.

- Necesita de sistemas de control y prevención para los gases de combustión.

- Limitada aceptación pública.

24


3.4 Residuos de combustión

Durante la incineración, se producen dos tipos de residuos: escorias que se consideran como residuos

inquemados y se descargan de las parrillas del horno y cenizas volantes que son partículas que son arrastradas

por la corriente de gases fuera de la cámara de combustión.

3.4.1 Escorias

Las escorias o IBA (Incineration Bottom Ash) son los residuos que quedan en el fondo del horno durante el

proceso de incineración. Está formado por vidrio, cerámicas, cenizas, metales y una multitud de residuos más.

Las escorias suponen entre el 20 y 30 % de los residuos de entrada. Están catalogadas como residuos no

peligrosos por lo que su eliminación se realiza en vertederos controlados (7).

3.4.2 Cenizas

En este apartado se incluyen las cenizas volantes que son partículas arrastradas por los gases de

combustión y los residuos producidos en el tratamiento de depuración de gases. Representan el 3 – 4 % del

peso de los residuos de entrada. Están catalogadas como residuos peligrosos por lo que tienen que pasar por un

tratamiento de inertización para su posterior almacenamiento en vertedero (7).

En Europa se trataron alrededor de 2230 millones de toneladas de residuos, de las cuales unos 88

millones de toneladas se trataron en plantas de valorización de residuos, lo que llevó a la producción de unos

18 millones de toneladas de cenizas de fondo o escorias (10).

25

4. TRATAMIENTO DE LAS ESCORIAS DE

INCINERACIÓN

4.1 Extracción de escorias

Para el proceso de extracción de IBA, se pueden emplear dos métodos: extracción húmeda y la extracción

seca. La extracción húmeda es sin duda el método más usado en la actualidad.

4.1.1 Extracción de escorias vía húmeda

Los residuos de combustión obtenidos al final de la parrilla pasan a través de un conducto de caída hacia el

sistema de evacuación de escorias. El sistema de extracción de escorias se basa en la caída de las mismas a un

baño de agua donde se enfrían completamente. El agua es respuesta continuamente mediante una válvula

actuada por el nivel del recipiente (7).

El extractor se llena de agua y una cantidad constante de escorias hasta el nivel de la pared de sellado de aire

frontal. Con esto se crea un sello hidráulico que evita los gases de combustión y la contaminación térmica.

figura 13: Extractor de escorias vía húmeda. Fuente: GmbH

El émbolo tiene un movimiento alternativo generado por el cilindro hidráulico de forma que va empujando la

escoria a través de un canal de acero resistente a la abrasión. De este modo, la escoria es prensada y sale del

26


extractor con un contenido en humedad suficiente para que no existan emisiones de polvo y al mismo tiempo

no se produzcan excesivos vertidos de aguas.

A pesar de ser el procedimiento más usado, presenta una serie de desventajas como puede ser el alto contenido

de humedad y por lo tanto el aumento de su masa y lixiviados. En cuanto a los metales presentes en el IBA, el

choque térmico debido al contacto de los metales con el agua inmediatamente después de la combustión

provoca una degradación de los metales causando una pérdida de potencial de masa recuperable de esos

metales (12).

4.1.2 Extracción de escorias vía seca.

La escoria se descarga en el foso de extracción de forma seca y se lleva a un separador de aire donde se

transporta por medio de aire y vibración. Con esto se consigue tres fracciones: gruesa, fina y ceniza volante.

figura 14: Extractor de escorias vía húmeda. Fuente: GmbH

La fracción gruesa se lleva a tratamiento de escorias. El aire junto con la fracción fina y ceniza volante se

transporta a un sistema de eliminación de polvo, por ejemplo, un ciclón, del cual se separa la fracción fina y el

aire junto con la ceniza se puede utilizar en el proceso de combustión.

Este método presenta las siguientes ventajas:

27


- No hay consumo de agua, lo que lleva a un menor costo.

- Mejora en la calidad de los metales recuperables.

- Fracción gruesa con menor contenido en polvo.

- Mejora en el lixiviado.

Como desventaja, este procedimiento se genera emisiones de polvo, por lo que debe ser controlado (12)

(13).

4.2 Propiedades de las escorias

La incineración de residuos es una industria que se rige por fuertes controles legislativos. Una manera

de cumplir con las normativas marcadas es conseguir valorizar los residuos de combustión que se pueden

reutilizar o reciclar. La problemática de estos residuos recae en su heterogeneidad.

Se trata de un material de tipo granular con partículas en su mayoría inferiores a 1 cm de diámetro, formadas

por los materiales no combustibles y/o inertes de los residuos domésticos que salen de la cámara de

combustión después de la incineración a temperatura superiores a 850 ºC, tales como trozos de vidrio,

cerámica, metales, etc. Se incluyen los materiales más finos que caen entre los intersticios de la parrilla.

Dichas escorias a la salida del horno en general se enfrían con agua y se depositan separadamente de las

cenizas y residuos de depuración de gases. Supone el 85-95 % en peso de los residuos totales del proceso de

incineración. Son de color grisáceo, tienen una amplia distribución granulométrica de partículas con un

elevado grado de humedad, que confiere cierta adherencia entre ellas, y morfología muy dispar. Las escorias

son más porosas y menos resistentes que los áridos naturales, pudiéndose considerar como áridos de calidad

media (9).

Las escorias tienen una distribución granulométrica entre 0 y 16 mm, lo que proporciona una densidad

aparente de 2500 kg/m3, con absorción media de agua del 2,5 %.

4.3 Composición de las escorias

En la siguiente figura se observa la composición de las escorias:

28


Figura 15: Composición de las cenizas de fondo (Castells,2012)

En cuanto a la composición química de las escorias, se producen en su mayoría óxidos que se muestran en la

tabla 2:

OXIDOS ESCORIAS (%)

SiO2 54,6

CaO 11,1

Al2O3 8,0

Fe2O3 8,5

MgO 1,5

K2O 1,3

Na2O 12,8

P2O5 2,1

Tabla 2: Propiedades químicas de las escorias

Los elementos mayoritarios son principalmente sílicio, calcio, aluminio y hierro en la forma de cuarzo, calcita,

hematita, magnetita y gehlenita. También puede haber aluminatos, aluminosilicatos, sulfatos, óxidos y

fosfatos.

29


También se pueden encontrar componentes secundarios como el magnesio, potasio, sodio y fosforo y en muy

pequeñas cantidades bario, estroncio, rubidio y metales pesados como cobre, zinc, plomo, cromo, níquel o

cadmio (ver tabla 3):

Metal Escoria

As 1-200

Ba 400-2500

Cd 1-70

Co 20-50

Cr 20-3000

Cu 300-8000

Mo 2-300

Ni 100-600

Pb 100-14000

Sb 10-400

Se

30


abajo de los desechos circundantes debido a su alta densidad (11).

• En cuanto al aluminio, este funde a unos 660 ºC, sin embargo, debido a que en la parrilla entra

aire frío, este se solidifica en forma de” Nuggets” (pepitas). Además, parte del aluminio se

pierde, ya que reacciona con el nitrógeno presente en el aire formando nitruro de aluminio (11).

• El zinc presente en la ceniza de fondo está en el latón, cuyo punto de fusión es más alto que el

propio zinc. En cuanto al plomo, se encuentra presente en compuestos químicos como el cristal

de plomo.

• El mercurio se transfiere completamente a los gases de combustión, por lo tanto, se encuentra

en las cenizas volantes. El cadmio, aunque en su mayor parte se encuentra en las cenizas

volantes, puede encontrarse en la pintura anticorrosión, en cerámicas y baterías recargables

(11).

4.4 Maduración de las escorias

La escoria recién extraída del foso es relativamente reactiva, puesto que los metales están presentes

principalmente como óxidos, hidróxidos y cloruros. La exposición a la atmósfera permite que en el seno de la

misma tengan lugar procesos de carbonatación e hidratación. Estas reacciones reducen el potencial de

lixiviación de los metales presentes en las escorias, con lo que se reduce su impacto potencial sobre el

medioambiente. Por ello, la fase de maduración es una etapa clave, puesto que el potencial contaminante de las

escorias va a estabilizarse, ya que se produce la captura de metales pesados disueltos en la fase acuosa de las

escorias, precipitándolos.

Las escorias no son productos estables. Durante los 3 primeros meses de almacenamiento se producen una

serie de reacciones que son (9):

- Reacciones de hidratación

- Reacciones de solidificación: Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

- Reacciones del sulfato: CaSO4 + ½ H2O CaSO4· 0,5H2O

- Formación de sales: NaCl y KCl

- Reacción del hierro: Fe3O4 γ- Fe2O3 + α- Fe2O3

Directamente ligado al contenido de inquemados y a la presencia de hierro oxidable, en la maduración se

desprende calor que provoca la evaporación de cantidades significativas de agua recibida por el material.

La opción de maduración al aire libre puede ser adoptada para favorecer la carbonatación, hidratación y

reacciones de biodegradación orgánica. El CO2 presente en el aire reacciona con la escoria alcalina formando

carbonatos, principalmente en forma de calcita. Junto con las reacciones de hidratación, las muestras

envejecidas de escoria se vuelven más estables y que puede mejorar la solidez del material para su uso

31


posterior (11).

Sin embargo, en el proceso de maduración, el aluminio presente en la ceniza de fondo puede reaccionar con

Ca(OH)2 y agua para formar hidróxido de aluminio e hidrógeno gas. El principal problema de la formación de

hidróxido de aluminio es el aumento de volumen, que hincha el material. La producción de gas puede causar

problemas, si se utiliza directamente ceniza de fondo para su aplicación en construcción.

Durante el proceso de maduración, la ceniza de fondo debe almacenarse al aire libre o en naves cubiertas

específicas durante varias semanas. El almacenamiento se hace normalmente en montones sobre un suelo de

cemento. Las aguas de desagüe y de escorrentía se recogen para su tratamiento. Los montones pueden

humedecerse, si es necesario, con un sistema de aspersión a fin de evitar la formación y emisiones de

partículas y favorecer la lixiviación de sales y la carbonización si las cenizas de fondo no están suficientemente

húmedas.

Los montones pueden removerse regularmente para asegurar la homogeneidad de los procesos que ocurren

durante el proceso de envejecimiento (absorción de CO2 del aire debido a humedad, desagüe de un exceso de

agua, oxidación, etc.) y reducir el tiempo de residencia de los lotes de ceniza de fondo en las instalaciones

específicas.

En la práctica, se suele observar (o prescribir) un periodo de envejecimiento de 6 a 20 semanas para ceniza de

fondo tratada antes de su uso como material de construcción, o en algunos casos antes de su desecho en

vertedero.

El impacto del almacenamiento y el envejecimiento en la lixiviación puede clasificarse como:

- reducción del pH debido a la absorción de CO2 del aire o actividad biológica;

- establecimiento de condiciones anóxicas y reductoras debido a la biodegradabilidad de la materia

orgánica residual;

- condiciones locales reductoras debido a la formación de hidrógeno;

- la hidratación y otros cambios en las fases minerales causan cohesión de las partículas.

Todos estos efectos reducen la lixiviabilidad de los metales y causan una estabilización de la ceniza de fondo.

Esto hace que la ceniza de fondo sea más adecuada para recuperación o eliminación en vertedero (4).

4.4.1 Carbonatación de las escorias.

Como se ha indicado anteriormente, la carbonatación es uno de los fenómenos más importantes que se

producen durante el periodo de maduración.

El calcio se encuentra principalmente contenido en la portlandita (cal apagada). El fenómeno de la

carbonatación se basa en una transformación progresiva de compuestos que contienen calcio como la

porltlandita, en calcita al contacto con dióxido de carbono y en presencia de humedad.

32


Se trata de un proceso lento donde la velocidad depende de numerosos parámetros como la permeabilidad, el

contenido en agua, la composición mineral del material, la concentración de CO2, la humedad relativa y la

temperatura del aire ambiente. El CO2 disuelto en el agua absorbida por los poros reacciona con el Ca(OH)2.

La reacción principal del proceso de carbonatación puede representarse como (14):

Las reacciones intermedias son las siguientes:

- disolución de la portlandita en agua:

- disolución del dióxido de carbono en agua:

La carbonatación sigue este mecanismo (13):

1. Difusión de CO2 en el aire.

2. Permeación del CO2 a través del sólido.

3. Paso del CO2 (s) a CO2 (ac). Este paso se ve favorecido por un área superficial alta.

4. Hidratación del CO2 (ac) dando lugar a (HCO3)-.

5. Ionización de HCO3 a H3O+, (HCO3)- y (CO3)2-. Esto ocurre de forma instantánea haciendo caer el pH unos

3 puntos.

7. Nucleación del CaCO3. Se ve favorecida por material fino y elevadas temperaturas.

8. Precipitación de la fase sólida. Se pueden encontrar variedades amorfas de carbonato.

9. Segunda carbonatación. Las formaciones de gel dan lugar a la precipitación de más carbonato.

La carbonatación solo es posible en presencia de humedad. Es particularmente lento es condiciones muy secas,

ya que sin agua no se produce la disolución de la portlandita ni el dióxido de carbono o muy húmedas debido a

que el dióxido de carbono no puede difundirse a través de los poros si estos son taponados por el agua (14).

4.5 Tratamientos habituales

El tratamiento que reciben las escorias para su uso o almacenamiento posterior es un proceso delicado para

que pueda cumplir con los requisitos tanto técnicos como medioambientales. A continuación, se describen 3

33


tipos de tratamientos aplicados a las cenizas de fondo (4).

1. Tratamiento en seco.

2. Tratamiento húmedo.

3. Tratamiento térmico.

4.5.1 Tratamiento de las cenizas de fondo en seco.

Este sistema de operación se basa principalmente en la separación de metales ferrosos, reducción de tamaño y

criba, separación de metales no férreos y envejecimiento de la escoria tratada.

El proceso consiste en los siguientes pasos:

1. Enfriamiento de las escorias a temperatura ambiente.

2. Separación de los metales férreos.

3. Criba.

4. Trituración de la fracción gruesa.

5. Criba.

6. Separación de metales férreos.

7. Separación de los metales no férreos.

8. Envejecimiento.

Las escorias se mantienen en almacenamiento seco durante 4 - 6 semanas antes de su tratamiento.

La separación de metales férreos se realiza con un imán. La ceniza se extiende sobre una cinta transportadora o

vibratoria, y todas las partículas magnéticas son atraídas por un imán suspendido. Esta separación de metales

férreos puede separación eficiente de metales férreos requiere un tratamiento en varios pasos con un paso

intermedio de reducción de tamaño y criba.

La separación de metales no férreos se realiza mediante un separador magnético por corrientes de Foucault.

Una bobina en rápida rotación induce un campo magnético en partículas no férreas, lo que hace que salgan del

flujo de material. La técnica es eficaz para tamaños de partículas de 4-30 mm y requiere que el material esté

bien extendido sobre la cinta transportadora.

Durante el proceso de preparación pueden realizarse varias operaciones:

• separación granulométrica por criba;

• reducción de tamaño machacando o rompiendo los elementos grandes;

• separación de la corriente de aire para eliminar fracciones ligeras sin combustionar.

34


Se utilizan tres tipos de cribas:

• cribas o trommels rotativos;

• cribas planas (vibratorias o no);

• cribas de estrella: la criba se realiza mediante movimiento sobre una serie de rodillos equipados con

brazos en forma de estrella en cada eje.

Las cribas primarias empleadas para preparar los agregados de cenizas de fondo están en la mayoría de los

casos equipadas con una malla de 40 mm de diámetro. Esto da un material agregado de 0-20 mm. Puede

instalarse una trituradora en la línea de tratamiento para romper los trozos grandes, generalmente a la salida de

la primera criba.

La rotura de los trozos grandes tiene varias ventajas:

- reduce la cantidad de descartes pesados;

- aumenta la proporción de material machacado grueso que dar consistencia al agregado, y

- mejora las cualidades geotécnicas.

La separación de fracciones ligeras sin combustionar por corriente de aire se realiza mediante soplado o

aspiración.

4.5.2 Tratamiento de las cenizas de fondo mediante sistemas de tratamiento húmedo.

El uso de un sistema de tratamiento húmedo de cenizas de fondo permite la producción de un material para

reciclar con mínima lixiviabilidad de metales y aniones (ej. sales). Las cenizas de incineración se tratan

mediante reducción de tamaño, criba, lavado y separación de metales.

La principal característica del tratamiento es la separación húmeda de una fracción de 0-2 mm. Dado que la

mayoría de componentes lixiviables y compuestos orgánicos permanecen en la fracción de finos, esto produce

una lixiviabilidad reducida de la fracción de producto restante (>2 mm).

El proceso consta de los siguientes pasos:

1. Lavado con agua en un baño de escoria del incinerador a la salida del horno.

2. Separación de los metales férreos.

3. Criba.

4. Almacenamiento durante días para reacción con CO2.

5. Criba.

6. Trituración de la fracción gruesa.

7. Separación de metales férreos.

35


8. Separación de los metales no férreos.

9. Almacenamiento

El tratamiento húmedo produce una fracción fina (0-2 mm) para eliminación o recuperación. Según la

legislación aplicable, la lixiviación de metales de esta fracción puede superar los valores límite. Además, se

produce una fracción de agua residual. El agua residual puede volver a alimentarse al incinerador como agua

de proceso, si su calidad es adecuada para el proceso.

El almacenamiento de la escoria tratada se realiza como mínimo durante tres meses (4).

figura 16: Planta de tratamiento de escorias en húmedo.

4.5.3 Tratamiento de las cenizas de fondo mediante sistemas térmicos.

Se han adaptado diversas técnicas de las industrias de fabricación de vidrio y de gestión de residuos nucleares

para el tratamiento térmico de cenizas. Las temperaturas aplicadas son del orden de 1100 a 2000 °C. A veces

se emplean temperaturas muy superiores en sistemas de plasma. Los sistemas de plasma se utilizan para la

vitrificación y fusión de diversas corrientes residuales inorgánicas, incluidas cenizas de fondo y volantes –las

temperaturas utilizadas para la vitrificación por arco de plasma son normalmente del orden de 1400 a 1500

°C–, con alimentación eléctrica.

Los productos fundidos (es decir, metal y escoria) pueden ser retirados continuamente por rebose o purgados

intermitentemente, según convenga.

Esta técnica produce un volumen reducido (reducido en un 33-50 %), muy baja lixiviación, y un residuo

extremadamente estable, que puede reciclarse fácilmente como agregado.

36


El gas de combustión emitido del tratamiento térmico de residuos sólidos puede también por sí mismo emitir

un alto nivel de contaminantes, como NOx, COT, SOx, polvo, metales pesados, etc. Por consiguiente, también

se requiere tratamiento del gas de combustión para eliminar contaminantes de la etapa de tratamiento de

cenizas de los gases. Se trata de un proceso complejo con poca aceptación debido a su elevado coste (4).

4.6 Lixiviación.

La lixiviación se puede definir como la disolución de las escorias cuando entra en contacto con un líquido. A

este líquido se le conoce como lixiviado, que puede ser agua, acido o alcalino o incluso mezclado con otros

compuestos químicos.

En el lixiviado es donde recogen la mayoría de los metales pesados presentes en las escorias por lo que si no se

recogen adecuadamente pueden producir efectos negativos en el medioambiente y pueden aparecer problemas

durante el uso posterior de las escorias.

Aunque la composición mineralógica influye mucho en el comportamiento de lixiviación existen varios

factores que también afectan el gado de disolución.

Los factores que influyen en la lixiviación son la granulometría de las escorias, la porosidad, el grado de

mezcla entre lixiviado y escorias y la temperatura.

Otro factor que afecta es el pH. Por ejemplo, a pH neutro, la lixiviación de Pb y Zn es la más baja que si el pH

fuese alto. Por otro lado, la lixiviación de sales solubles como el NaCl es independiente del pH.

Durante la maduración natural, el primer cambio observable es la liberación de calor ya que la hidrólisis de

óxidos de metal es una reacción exotérmica. El pH disminuirá del rango alcalino al rango neutral, debido a la

reacción entre el CO2 atmosférico y los metales alcalinos, lo que reduce la concentración de hidróxidos. Esto

es seguido por la formación de nuevos minerales, tales como carbonatos y disolución de minerales (12).

4.7. Carbonatación acelerada.

La carbonatación acelerada consiste en someter a las escorias a un proceso con exceso de CO2. Con esto, se

busca conseguir mejorar la lixiviación de las escorias en menor tiempo permitiendo su uso en ingeniería civil o

para una disposición más segura en vertederos.

La principal diferencia entre la maduración natural y la carbonatación es la concentración de CO2 presente

durante el proceso de tratamiento. En la intemperie, la escoria se deja en un área abierta para que el

envejecimiento tenga lugar con CO2 atmosférico. Como la reacción es exotérmica, no hay necesidad de aporte

de energía, a excepción de la rotación ocasional de la pila de material. Sin embargo, la concentración de CO2

utilizada en la carbonatación es mucho mayor que el CO2 atmosférico. Arickx et al. (2006) propusieron que el

37


gas de chimenea de la planta de incineración de alrededor del 10% de CO2 puede usarse como una fuente de

CO2 para el proceso de carbonatación. En general, la tasa de carbonatación aumenta con la concentración de

CO2 (15).

La temperatura de carbonatación no tiene una relación lineal con la tasa de carbonatación. Aunque un aumento

de temperatura da como resultado una mayor disolución de Ca2+, la solubilidad del CO2 en el agua disminuye,

además de las condiciones de operación que afectan la tasa de carbonatación, la cantidad de CO2 absorbido

depende del área superficial disponible para la reacción de carbonatación y la composición química de la

escoria. Cuanto más fino es el tamaño de partícula, mayor es el área de superficie para la reacción de

carbonatación (15).

4.8 Valorización de las escorias

La gestión de las cenizas de fondo se basa principalmente en la deposición en vertedero, sin embargo, los

problemas medioambientales de los vertidos y las tasas asociadas a estos han llevado a la valorización de las

cenizas de fondo en otras industrias.

TRATAMIENTO

TERMICO

CENIZAS DE

FONDO

VERTEDERO VALORIZACION

CEMENTO

HORMIGON

PAVIMENTOS

CARRETERASADSORBENTES

VIDRIOS

CERAMICASSIDERURGIAS

Figura 17: Gestión de las cenizas de fondo.

Cemento y hormigones: La ceniza contiene CaO, SiO2 , Fe2O3 y Al2O 3 , por lo que la composición

de cenizas volantes y ceniza de fondo es similar a la composición de las materias primas para la producción de

cemento. Por lo tanto, podría ser una posible sustitución de la materia prima en la producción de cemento

Portland.

38


La adición de cenizas de fondo para la producción de clinker acorta el tiempo de fraguado y

disminuye la capacidad trabajo, por lo que es necesario la aplicación de un agente retardante como el yeso.

La producción de cemento consume grandes cantidades de energía y emite grandes cantidades de

dióxido de carbono. Una de las ventajas de utilizar cenizas de incineración como materia prima de cemento es

la reducción de las emisiones de dióxido de carbono, lo que minimiza el efecto de calentamiento global. Como

se usa una gran cantidad de energía para descomponer el carbonato de calcio (CaCO3) a la cal (CaO), se emite

una gran cantidad de dióxido de carbono durante el proceso. Debido a que las cenizas volantes y cenizas de

fondo de incineración están compuestas de cal en lugar de carbonato de calcio, puede reducir la emisión de

dióxido de carbono. Hay varios problemas técnicos en esta aplicación, puesto que el alto contenido de cloruro

de las escorias afectará la calidad del producto, y el efecto cíclico en los hornos de cemento causará una rápida

obstrucción y corrosión dentro de los intercambiadores de calor. La alta concentración de metales pesados

también puede ser una preocupación ambiental.

Es posible utilizar las cenizas de fondo incineración como agregado de hormigón. Los resultados

muestran que la ceniza de fondo tratada (inmersión en hidróxido de sodio durante 15 días) puede reemplazar

hasta el 50% de la grava en el hormigón sin afectar la durabilidad. Si la ceniza no se trata previamente se

pueden producir grietas e hinchazón, debido a la reacción entre el aluminio metálico y el cemento (16).

Pavimentos y carreteras: Un pavimento de carretera típico consta de varias capas, que se componen

de diferentes tipos de materiales. La figura 18 muestra la estructura de un pavimento de carretera. La capa

superior de un pavimento está sellada. Debe ser uniforme, duradera y altamente resistente al

deslizamiento. Los materiales más comunes para el uso de dicha capa son los revestimientos de superficies

bituminosas y el hormigón asfáltico. La capa de debajo se le denomina capa base, que es la capa principal de

distribución de carga. La base puede consistir en asfalto premezclado, hormigón de cemento, grava granular

graduada, roca triturada o materiales estabilizados con cal o cemento. La capa de debajo de la base es la

subbase, que generalmente se construye con grava natural o con materiales estabilizados con cemento o cal. La

capa más baja es la subrasante, que es el suelo que actúa como base del pavimento.

Figura 18: Estructura de una carretera.

Una posible manera de reutilizar la ceniza de fondo de una incineradora de residuos es reemplazar los

materiales en la capa base y la subbase. El uso de cenizas de fondo de incineración en carreteras proporciona

39


un método simple y directo para la reutilización de la ceniza de incineración. Varios tramos de carreteras se

han construido utilizando cenizas de fondo. En Suecia se construyó una carretera de prueba en la que se utilizó

la ceniza del fondo como material de subbase. Se encontró que la sustitución de grava en la base de la

carretera con la ceniza del fondo no afecta la liberación de Ca, Co, Fe, Mn, Ni, NO 3-N (nitrato-nitrógeno) y

Pb al medio ambiente. Otro estudio de tres años sobre la utilización de cenizas de fondo en el pavimento de

carreteras en Francia mostró que las concentraciones de metales pesados, fluoruros y valores de pH en el

lixiviado estaban por debajo de los límites autorizados para el agua potable. Indicó que es seguro usar cenizas

de fondo para la construcción de carreteras (16).

Vidrios y cerámicas: La ceniza de fondo también se ha utilizado como materia prima para la

producción de vidrios, vitrocerámicas y cerámicas a alta temperatura (> 1,000 ○ C). Como contiene alto

contenido de SiO2, Al2O3 y CaO, es posible utilizarla para sustituir parte de la arcilla para la producción de

cerámica sin pretratamiento. Andreola et al. ha estudiado la viabilidad de usar cenizas de fondo y cenizas

volantes para la producción de cuerpos de baldosas de cerámica. Descubrieron que la introducción de hasta

20% en peso de ceniza de fondo en el cuerpo de cerámica no cambiaba sustancialmente los comportamientos

mineralógicos y térmicos del cuerpo de cerámica. Sin embargo, el uso de cenizas volantes trajo problemas en

las propiedades del cuerpo cerámico producido y puede ser debido al alto contenido de cloruro y orgánico en

la ceniza volante. Haiying et al. mostró resultados diferentes para la utilización de cenizas volantes en la

producción de baldosas cerámicas. Los experimentos mostraron que con el 20% de las cenizas volantes

añadidas, la baldosa cerámica registra una alta resistencia a la compresión y baja absorción de agua después de

960 ○ C de sinterización. La cantidad de lixiviación de metales pesados se redujo a una décima parte de la de

cenizas volantes. Las cenizas volantes se pueden utilizar para la producción de baldosas cerámicas y se obtiene

una durabilidad aceptable incluso cuando las baldosas contienen 50% de cenizas de incineración de RD (16).

La vitrificación, que es una de las técnicas más eficaces empleadas para tratar los desechos peligrosos, puede

fijar metales pesados o sustancias tóxicas en la estructura amorfa del vidrio. Al mismo tiempo, las sustancias

tóxicas como las dioxinas se descomponen cuando se derriten por encima de 1.300 ºC . La ceniza vitrificada se

utiliza como material de base de carreteras, arena de granallado, terraplenes, en la producción de materiales

decorativos y de construcción como baldosas cerámicas, pavimento y agua bloques permeables.

Las cerámicas de vidrio son materiales policristalinos de grano fino formados cuando los vidrios de las

composiciones adecuadas son tratados térmicamente y, por lo tanto, se someten a cristalización controlada en

el estado cristalino de menor energía (16).

Las propiedades mecánicas y térmicas de las vitrocerámicas son superiores a las del vidrio original. Debido a

sus distintas propiedades, los vitrocerámicos encuentran una amplia variedad de aplicaciones. Numerosos

residuos a base de silicato se han considerado para la producción de vitrocerámicos. Se ha encontrado que el

vidrio producido a partir de la vitrificación de la ceniza de incineración es adecuado para la producción de

materiales de vitrocerámica debido a sus características mecánicas y térmicas. Las cenizas vitrificadas se han

utilizado con éxito como materia prima para la producción de vitrocerámicos (16)

40


Adsorbentes: Las técnicas de adsorción se usan ampliamente como alternativa para el uso de carbón

activo. La ceniza de fondo se ha empleado para eliminar el tinte y los metales pesados del agua residual. Una

de las principales preocupaciones sobre el uso de cenizas de incineradores para el tratamiento de aguas

residuales es la lixiviabilidad de los metales pesados, ya que la presencia de metales pesados en el agua es un

problema grave debido a su alta toxicidad. El uso de cenizas volantes de RD como adsorbente es menos

común que la ceniza de fondo, esto puede deberse al hecho de que hay más metales pesados tóxicos en el

lixiviado de la ceniza volante, lo que reduce la posibilidad de usarlo como adsorbente. Por el contrario, la

ceniza del fondo rara vez libera metales pesados peligrosos en el lixiviado.

La capacidad de intercambio catiónico de la ceniza de fondo es la cantidad total de capacidad intercambiable

(miliequivalentes por 100 gramos de materiales adsorbentes). Es importante comparar las capacidades de

adsorción para diferentes materiales. Se ha encontrado que la capacidad de intercambio de cationes (CEC)

depende en gran medida del tamaño de partícula de la ceniza de fondo. Se han investigado las características

de adsorción de metales pesados por diferentes tamaños de partícula de ceniza de fondo; cuanto menor es el

tamaño de partícula, mayor es el valor de CEC y el área de superficie. La velocidad de adsorción de metales

pesados aumenta con la disminución del tamaño de partícula de ceniza de fondo, lo que significa que la

velocidad de adsorción es proporcional al tamaño de partícula y al área superficial espe

Date post:	04-Feb-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	4 times
Download:	0 times

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería...

Documents