capítulo 3: la incineración y la destrucción térmica

INCINERACIÓN Y DESTRUCCIÓN TÉRMICA 1

Capítulo 3: La incineración y la destrucción térmica Índice:

1. NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN.............................................................2 1.1. TIPOS DE REACCIONES EN LA COMBUSTIÓN .........................................3 1.2. EL PROCESO DE INCINERACIÓN...............................................................6

1.2.1. EL CALENTAMIENTO DEL RESIDUO...................................................7 1.2.2. FACTORES RELATIVOS A LA NATURALEZA DEL RESIDUO ............7 1.2.3. FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL RESIDUO ........................8 1.2.4. FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR ...............9

1.3. EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN................................................................11 2. LA INCINERACIÓN...........................................................................................13

2.1.LA OXIDACIÓN............................................................................................13 2.2.EFECTOS DE LA ISOTERMIA SOBRE LA CALIDAD DE LA DESTRUCCIÓN...........................................................................................................................15 2.3.INCIDENCIA AMBIENTAL DE LA INCINERACIÓN......................................16

3. NOCIÓN DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA..........................................................19 3.1. EFICIENCIA DE LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA .........................................20 3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN HORNO ..............................................22 3.3.LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA.....................................................................22 3.4. CASO PARTICULAR DE LOS ORGANOCLORADOS ................................23

4. LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DE LOS HORNOS ........................24 4.1. PERFIL DE TEMPERATURAS EN UNA PLANTA INCINERADORA...........24 4.2. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS.......................................................24

5.CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN ................................................................25 5.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CAMARA DE POSTCOMBUSTIÓN .........................................................................................25 5.2.EJECUCIÓN DE CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN................................25

6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN..........................................................................26 6.1. INCINERACIÓN CON VITRIFICACIÓN.......................................................26 6.2. INCINERACIÓN DE RESIDUOS SANITARIOS...........................................26

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1. NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN

Con el nombre de combustión se designa toda reacción química que va acompañada de gran desprendimiento de calor. Sin embargo, la combustión propiamente dicha es una oxidación rápida que produce el calor y la temperatura suficientes para que haya luz, bien sea con llama o sin ella. En el caso de que no exista la llama la combustión se denomina lenta, como puede ser la combustión de un cigarrillo. Cuando existe llama la combustión se denomina viva, como por ejemplo la de una cerilla, el fuego del carbón en una caldera, etc. De un modo amplio y general se llaman combustibles aquellos cuerpos que arden, es decir, que se combinan con el oxígeno, reservándose para éste (o el aire) el nombre de comburente. Sin embargo, actualmente, y desde un punto de vista más riguroso y más científico, los conceptos de combustión, combustible y comburente abarcan un campo más amplio; por ejemplo, la variada y no bien conocida serie de combustibles sólidos y líquidos especiales empleados en astronáutica. Conocida es en la industria química inorgánica la reacción entre el cloro y el hidrógeno gaseosos para formar ácido clorhídrico, reacción que tiene lugar con gran desprendimiento de calor, alta temperatura y formación de llama, tratándose por tanto de una combustión, lo cual no quiere decir que se considere como tal técnicamente, porque actualmente tales combustiones resultarían inaceptables por anti-económicas, y por producir gases (ClH) inadmisibles para su emisión a la atmósfera. Para que tenga lugar la combustión han de mezclarse combustible y comburente cuanto más íntimamente mejor y, ya que la combustión en general no es espontánea, así iniciar la combustión con un punto de ignición, es decir, con un foco calorífico (aunque sea pequeño) de elevada temperatura, como ocurre, por ejemplo, con la chispa de la bujía en la mezcla gasolina-aire. La combustión es tanto más perfecta cuanto más fácilmente se mezclan el combustible y el comburente; por ello son magníficos combustibles los gases y los líquidos fácilmente vaporizables, y también por la misma razón, entre otras, se quema hoy día más carbón pulverizado que en trozos. Los combustibles sólidos y líquidos deben pasar por una fase previa de gasificación para que se desprendan los volátiles. Las reacciones de combustión siempre tienen lugar en fase gaseosa. Para que la combustión tenga lugar y sea estable, necesita una temperatura elevada. La combustión sólo tiene lugar a temperatura elevada. Si el desprendimiento de calor provocado por la combustión es suficiente para mantener esta elevada temperatura, la combustión proseguirá, la llama será estable.


Por tanto, antes de empezar la combustión, el combustible debe ser llevado a su temperatura de inflamación, de las que se indican algunas: Para la hulla . . . . . . . 400-500ºC Para el lignito . . . . . . 250-450ºC Para el coque . . . . . . 700-750ºC Para el petróleo . . . . . . 530-580ºC Para el gas de gasógeno . . . . . 700-800ºC Para el gas del alumbrado . . . . . 700-800ºC En el caso que nos ocupa de los residuos sanitarios, por lo general al ser sólidos de bajo poder calorífico e inflamabilidad, la temperatura mínima recomendada es de 850ºC. Cuando se cumplen las tres condiciones:

- Temperatura suficiente - Presencia adecuada de combustible - Presencia adecuada de comburente

Tiene lugar la combustión por combinación química del combustible y del comburente.

1.1. TIPOS DE REACCIONES EN LA COMBUSTIÓN Tomando el caso del metano para simplificar, se pueden distinguir 3 tipos básicos de combustiones: COMPLETAS: Cuando las reacciones están totalmente desplazadas hacia la derecha, con independencia del exceso de aire empleado (todos los productos de la combustión están oxidados. Así pues en los gases de combustión sólo existirá: CO2, H2O, N2 y cantidades variables de O2) . La reacción típica será:

CH4 + 3O2 → 2 H2O + CO2 + O2 + CALOR

ESTEQUIOMÉTRiCA: Es aquella combustión completa que se ha llevado a cabo sin exceso (ni defecto) de aire. Esta condición es necesaria pero no suficiente ya que además la mezcla combustible-comburente debe ser total y homogénea. En caso contrario, habría zonas en las que las moléculas del combustible no encontrarían a las moléculas del comburente. Si se cumplen estas condiciones obviamente los únicos productos de la combustión serán: CO2, H2O, N2 y la temperatura alcanzada será la máxima.

CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR

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INCOMPLETAS: Son aquellas en que los gases de combustión contienen compuestos parcialmente oxidados (inquemados) como el monóxido de carbono, combustibles sin oxidar como el hidrógeno, partículas de carbón, etc. Estas combustiones pueden efectuarse con exceso o con defecto de aire.

2CH4 + 2O2 → H2O + CO + CO2 + 3H2 + CALOR Tomando una reacción elemental, como la combustión del metano:

CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR los cálculos elementales de las reacciones de combustión se establecen a partir de la tabla siguiente.

Tabla. Cantidades de masa ELEMENTOS

CH4

O2

à

CO2

H2O

Moles

1

2

à

1

2

Peso

16

2*32 = 64

à

44

2*18 = 36

Cálculos en volumen Un volumen de CH4 da un volumen de CO2 y necesita dos volúmenes de O2. Como que el % en volumen de O2 en el aire es del 21 %, la cantidad de aire será de (2 * 100) / 21 = 9,52. O sea un mol (que en condiciones normales son 22,4 l) necesita para arder en condiciones de estequiometría 9,52 veces de aire. O lo que es lo mismo, 1 m3 de metano precisa 9,52 m3 de aire y da lugar a 1 m3 de CO2. La tabla siguiente ilustra el caso de una reacción estequiométrica.

Tabla. Volúmenes en reacción estequiométrica CH4

+

Aire

à

CO2

+

H2O

+

N2

1 m3

9,52 m3

à

1 m3

2 m3

7,52 m3

y la composición, en volumen, de los productos secos de la combustión serán:

• CO2: 11,74 % • N2: 88,26 %

Nota: Lo normal es dar la composición de los gases secos, habiendo deducido el agua, ya que en muchas ocasiones ésta condensa y deja de formar parte de los gases de emisión.


Cálculos en peso Teniendo en cuenta que, en peso, el porcentaje de O2 en el aire es del 23 %, para combinar estequiométricamente 1 Kg de metano se precisa:

1 kg CH4 x ----------------- = -----------------

16 g CH4 64 g O2 donde “x” son 4 Kg de O2, que en forma de aire será: (4 * 100) / 23 = 17,39 Kg, y dará lugar a los siguientes productos de la combustión: CO2

1 kg CH4 y1 ----------------- = -----------------

16 g CH4 44 g CO2 donde “y1" son 2,75 Kg de CO2. H2O

1 kg CH4 y2 ----------------- = -----------------

16 g CH4 32 g H2O donde “y2" son 2,25 Kg de H2O. N2

N2 = 17,39 x 0,77 = 13,39 Kg En términos de emisión la ecuación deberá escribirse como ilustra la tabla siguiente.

Tabla. Cantidades másicas en la combustión CH4

+

Aire

à

CO2

+

H2O

+

N2

1 Kg

17,39 Kg

à

2,75 Kg

2,25 Kg

13,39 Kg

Esta cantidad de aire se denomina aire mínimo o estequiométrico. Si se precisa un 50 % de exceso de aire la masa en juego será: Aire total = 1,5 × 17,39 = 26,08 Kg aire

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1.2. EL PROCESO DE INCINERACIÓN La incineración no es exactamente una combustión. De hecho es un proceso muy complejo donde, evidentemente, la combustión juega un papel esencial. Los sólidos, aunque su poder calorífico sea importante, no reaccionan con el oxígeno del aire como es obvio. Hay que someterlos a un determinado nivel de temperatura para que se inicien una serie de reacciones químicas y físicas. Para comprender el fenómeno de la incineración es necesario tener en cuenta, a la vez, las operaciones de transferencia de materia y transmisión de calor tanto en la fase sólida como en la gaseosa y entre ambas. El calor desarrollado en la combustión, o bien el quemador inicial cuando se inicia la operación, es transferido al resto del residuo lo que provoca:

• Evaporación del agua residual. • Calentamiento del sólido o líquido. • Vaporización de compuestos. • Gasificación de la materia orgánica. • Pirólisis de otra fracción de la materia orgánica. • Combustión total o parcial de otra fracción de la materia orgánica.

La figura simboliza las fases o etapas descritas en el proceso de incineración.

El hecho de que se desarrolle mas o menos una de estas fases depende del tipo de horno y de la forma en que se lleve a cabo la primera etapa de calentamiento.


El calentamiento tiene lugar en el horno. Los factores que propician una mayor o menor, con independencia claro está de la caracterización del propio residuo, intensidad de las etapas antes enumeradas son:

• Tipo de horno. De parrilla, rotatorio, lecho fluidizado, etc. • Forma de la transferencia de calor hacia el residuo. • Exceso de aire en el proceso.

1.2.1. EL CALENTAMIENTO DEL RESIDUO Se pueden distinguir tres etapas:

- La primera etapa de temperatura, hasta los 300ºC, corresponde a la eliminación del agua y al comienzo de la fase de volatilización. En esta etapa, los compuestos más volátiles o cuyo punto de ebullición sea inferior a 300ºC se desprenden en forma de gas. A partir de esta temperatura, 300ºC, comienzan las reacciones de combustión.

- La siguiente etapa abarca desde los 300 hasta los 1.000 ºC y es considerada la zona fundamental. Corresponde a la oxidación de la materia orgánica con la consiguiente formación de SOx y CO2. En esta etapa se suceden y superponen una serie de fenómenos. A los 300ºc se produce la oxidación de los sulfuros y posteriormente la formación de SOX. Al mismo tiempo se produce la descomposición de la materia orgánica. Mientras todo esto sucede (si hay productos fundentes) hacia los 700ºC, se producen sinterizaciones. A mayor temperatura y en función de la naturaleza reductora del medio, las reacciones de gasificación, es decir las combustiones en defecto de aire, toman fuerza. Esto provoca que el equilibrio se desplace y se formen CO y SOx. A partir de los 900ºC se inicia la formación de NOx de origen térmico a partir del nitrógeno del aire y se ve favorecida la fase vítrea de la escoria formada.

- En la última etapa, a partir de los 1000ºC, se inicia la volatilización de metales pesados (Cadmio, Níquel, Zinc,...) y continúa el desprendimiento de NOX. En esta etapa, es cuando hay mayor peligro de contaminación medioambiental debido a la volatilización de los metales.

1.2.2. FACTORES RELATIVOS A LA NATURALEZA DEL RESIDUO Los residuos, y en particular los sanitarios, son compuestos complejos y durante el proceso de incineración es posible la formación de compuestos que no han sido identificados a la entrada. El nombre genérico de estos compuestos es el de “Productos de la Combustión Incompleta” (PCI). Por lo general estos compuestos pertenecen a la extensa

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familia de los alquitranes. Parece obvio que, no estando presentes en la composición inicial del residuo, no debe permitirse que la generación de estos compuestos supere una concentración de 100 µg/g, o bien 10-7g/g con respecto la cantidad entrante. Los productos de la combustión incompleta tienen un origen complejo y, por lo general, se deben a las numerosas reacciones intermedias que tienen lugar en las fases de alta temperatura. La tabla siguiente muestra una relación de los PCI mas frecuentemente hallados en la incineración de residuos especiales. Compuesto volátil Compuesto semivolátil Benceno Fenil Tolueno Naftaleno Clorobenceno Butilbencilftalato Cloruro de metileno Dietilftalato Tetracloruro de carbono Bis (2-etilexil)ftalato Cloroformo Tetracloroetileno 1, 11-Tricloroetano Es de notar que los hidrocarburos que aparecen en la tabla son volátiles o semivolátiles. De lo cual se deduce que la etapa de gasificación, pirólisis y vaporización que se realiza en el horno es necesaria pero no suficiente para asegurar su destrucción. De ahí la importancia de la cámara de postcombustión. La combustión de productos clorados ha demostrado la tendencia a la formación de inquemados y pueden formar compuestos exentos de cloro a causa de la debilidad del enlace C-Cl. Estos productos a lo largo de la instalación interaccionan de nuevo para dar lugar a reacciones de recombinación para formar otros hidrocarburos clorados. 1.2.3. FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL RESIDUO No es suficiente con el hecho que el combustible posea un determinado PCI para garantizar un éxito en su combustión. Es preciso que el combustible esté bien subdividido para que la superficie específica sea la mayor posible. Esta circunstancia, si bien deseable, a veces es imposible en el caso de los residuos sanitarios puesto que la ley obliga a incinerarlos tal y como llegan a planta, esto es en el interior de los contenedores de plástico. Hay que tener presente que todas las reacciones de combustión tienen lugar entre gases y vapores. En el caso de los combustibles sólidos y líquidos es preciso una


previa vaporización, destilación y gasificación para convertirlos en gases y así favorecer la combinación con el oxígeno del aire. En el caso de los combustibles líquidos la subdivisión de las partículas se denomina atomización y esto se consigue en unas boquillas o dispositivos especiales que tienen por misión reducir al mínimo el tamaño de la gota de líquido. Mientras que si se desean muchas gotas y de pequeño tamaño para que la superficie expuesta a la radiación sea máxima es necesario pulverizar el líquido. Esto se consigue en los quemadores. Para el caso de los combustibles sólidos el problema es paralelo y el efecto se denomina micronización del combustible (subdivisión de las partículas). En este caso hay que recurrir a los diversos tipos de molinos que existen en el mercado para conseguir una reducción del tamaño. 1.2.4. FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR La transmisión de calor tiene lugar de tres maneras: conducción, convección y radiación. Estas tres formas de transmitir el calor están ligadas a una diferencia de temperatura, ya que el calor siempre pasa del cuerpo caliente al más frío. La transmisión de calor por conducción tiene lugar en el interior de los cuerpos sin que haya desplazamiento de la materia, puesto que el calor es atribuido al movimiento vibratorio de las partículas (moléculas, átomos, iones) que, por su proximidad, ceden la energía calorífica en forma de energía vibrante. Lo que ocurre es que la partícula que tiene mayor temperatura vibra más rápidamente que la que está más fría, cediendo energía y perdiendo temperatura, al mismo tiempo la partícula que estaba fría gana temperatura y energía vibrante. La transmisión de calor por convección tiene lugar en los fluidos. En este caso, nuevas partículas de fluido sustituyen a las que, ya calientes, se despegan de la superficie de calefacción. Como se trata de un verdadero transporte de calor, será tanto más intenso cuanto mayor sea la velocidad del desplazamiento de las moléculas fluidas, lo que se consigue provocando una fuerte caída de presión o por medio de agitadores (convección forzada). La transmisión de calor por radiación tiene lugar siempre que se encuentran dos superficies separadas una de otra por un medio permeable a las radiaciones caloríficas. Los medios conocidos más permeables para las radiaciones caloríficas son el vacío y el aire (tanto mejor cuanto más limpio y seco). En un horno, es preciso un nivel de temperatura para generar los volátiles. Esta temperatura se alcanza mediante el aporte de energía en forma de calor. En la combustión, el calor se transmite desde el foco emisor hacia la carga o combustible por convección y por radiación. A continuación se muestran las fórmulas para la convección y la radiación.

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La convección A continuación se muestran las fórmulas para la transferencia de calor por convección y la del coeficiente de convección.

Fórmulas para la convección: ( )21·· TTShQ CC −= ; 8,03,0

2,0

·020,0 vKdhC υ=

QC = calor por convección en Kcal/h hC = coeficiente de convección en Kcal.m-2h-1K-1 d = diámetro en m K = conductividad térmica de los gases en Kcal. m-1.h-1.K-1

υ =viscosidad cinemática de los gases en m2.h-1 v = velocidad de los gases m.h-1

En resumen, a efectos prácticos puede concluirse que la tasa de transmisión de calor por convección aumenta en la medida que lo hace la velocidad de circulación de gases. Es preciso aumentar mucho la velocidad para tener un valor significativo de la transferencia de calor. Ahora bien si la velocidad es elevada, en la incineración el arrastre de partículas es muy importante y con ello la generación de inquemados. La radiación Las fórmulas que gobiernan la transferencia de calor por radiación son:

( )44· peiR TTShQ −= ; ( )( )pe

pei TT

TTeh

−

−=

44

··σ

QR = calor por radiación en Kcal/h hi = coeficiente de radiación en Kcal.m-2h-1K-1 σ (constante de Stefan Boltzmann) = 4.9·10-8 Kcal.m-2h-1K-1

e (emisisvidad global relativa de la llama): 0<e<1 Te = temperatura emisor en K Tp = temperatura paredes en K

La tasa de transferencia de calor por radiación es muy superior a la de convección, en particular a alta temperatura motivo por el cual es conveniente potenciar la zona radiante. La isotermia Este es el motivo por el cual, siempre que sea posible debe potenciarse la zona radiante, en particular cuando el residuo a incinerar es sólido.


El factor que más contribuye a la mala isotermia es la calidad de la tasa de transferencia de calor. La radiación térmica se transmite en línea recta, por lo que se debe garantizar una correcta transferencia de calor en todos los puntos del combustible a incinerar. A mayor temperatura, la radiación térmica es muy eficaz, siempre y cuando se permita la correcta transferencia de calor. En la mayoría de los hornos la propia carga actúa de pantalla térmica y reduce la tasa de intercambio calorífico. Se observa en la figura de la izquierda como la carga puesta en el horno actúa de pantalla térmica. Los puntos expuestos se quemarán con más facilidad y los internos quedarán tal cual. Mientras que en la figura de la derecha, al tener un horno de sección transversal “lineal”, la carga está irradiada homogéneamente.

1.3. EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN En los procesos industriales es difícil conseguir una combustión completa, o sin la presencia de inquemados. Durante el proceso de combustión se presentan oscilaciones de la temperatura que es preciso corregir de manera constante. Esta corrección suele llevarse a cabo por medio de la cantidad de aire. Cuando la masa de comburente varía la hidrodinámica de la mezcla se altera y las probabilidades de que aparezcan inquemados, aunque sea de forma instantánea, es muy grande. De hecho esta contingencia ya la prevé el diagrama de combustión, donde la posibilidad de tener inquemados es muy elevada.

99,75 99,8

99,85 99,9

99,95 100

9 10 1

1 12 1

3 14 1

5 % CO2 en los Gases de Escape por Unidad de Volumen

Eficiencia 50 ppm CO

100 ppm CO 150 ppm CO 200 ppm CO

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El primer inquemado, y más común, que aparece es el monóxido de carbono (CO). Se trata de un gas venenoso, cuya ecuación de formación: CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CO (trazas) indica, suponiendo que la mezcla sea correcta, que:

- Cuanto más carbono este presente en el combustible, mayor potencial de formación de CO. - La producción de CO disminuye con el incremento del exceso de aire. - La producción de CO aumenta con el incremento de la temperatura.

Se define la eficacia de la combustión (CE) como el resultado de: CO2 CE = 100 x --------------- CO2 + CO Si bien desde el punto de vista técnico una CE = 99%, es un buen resultado, transponiendo este valor a la ecuación anterior resulta CO = 0,08081 %, o sea 808 ppm de CO, valor inaceptable desde la óptica medioambiental. La gráfica indica la evolución del CO en función de la CE.


2. LA INCINERACIÓN

2.1.LA OXIDACIÓN La combustión se define como una oxidación rápida de la materia combustible con desprendimiento de calor. Así pues se precisa, en primera instancia, que el residuo a oxidar tenga, al menos, uno de los tres únicos elementos susceptibles de combinarse con el oxígeno con liberación de calor: C (carbono), H (hidrogeno) y S (azufre). Los combustibles sólidos y líquidos deben pasar por una fase previa de gasificación para que se desprendan los volátiles. Las reacciones de combustión siempre tienen lugar en fase gaseosa (reacciones homogéneas). Existen reacciones heterogéneas (sólido-gas) que tienen una cinética mas complicada y, desde el punto de vista ambiental, son mucho más conflictivas. Otro factor indispensable es la mezcla íntima y adecuada del combustible (se entiende los volátiles) y el comburente, que suele ser aire. Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta se debe producir la ignición. A partir de este momento el calor generado permite mantener un nivel de temperatura que asegura la continuidad de la reacción. En la combustión de un sólido se desarrollan una serie de complejas reacciones químicas, llevadas a cabo mediante radicales libres. Para la descripción completa del mecanismo es necesario tener en cuenta, las operaciones de transferencia de materia y transmisión de calor que ocurren tanto en la fase sólida como en la gaseosa y entre ambas. En el caso que nos ocupa el combustible siempre es un residuo, una mezcla de gran diversidad de componentes o bien composiciones químicas complejas. El calor desprendido en la combustión de un sólido es absorbido por el resto del combustible existente, aprovechándose una parte para vaporizar el agua existente como humedad y por otra para calentar el seno del sólido hasta iniciar su fase de volatilización. En la fase de volatilización depende de la composición del sólido, la temperatura y de la cantidad de oxígeno disponible, puede llevarse a cabo de dos formas distintas:

Ø Pirolisis. Se produce cuando existe ausencia de oxígeno aunque este sea puntual. Se inicia a una temperatura entre 250 y 350ºC el resultado es la formación de gases como CO, CO2, CH4 y un sinfín de hidrocarburos y

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un sólido carbonizado de alto contenido en carbono (coque). Está favorecido por el pequeño tamaño de las partículas, así como incrementos bruscos de temperatura. Ø Fusión y ebullición o bien sublimación. El cambio gradual o no de estado hasta la fase gaseosa.

La combustión de los residuos debe generar la energía térmica suficiente como para que el proceso continúe sin necesitar aportaciones importantes de un combustible adicional.Puede aplicarse a residuos sólidos, líquidos o gaseosos. El residuo ideal para la incineración, desde el punto de vista económico, es aquel que contenga una alta proporción de materia orgánica y baja de agua e inertes, de forma que pueda ser quemado sin el empleo de combustible adicional y con el aprovechamiento del calor producido, para dar lugar a un residuo final cuyo volumen representa no más que una pequeña fracción del de partida. En algunos casos, se recupera con fines industriales, energía en forma de vapor o electricidad o también materiales tales como el ácido clorhídrico o sulfúrico. Con la incineración se busca oxidar el carbón y el hidrógeno presente en los residuos. Los incineradores deben contar con doble cámara: una primaria con temperatura entre 600 y 850 ºC; y una secundaria con 1200ºC, además debe contar con filtro y lavador de gases, según los contaminantes esperados. Los procesos de incineración incluyen: sistemas de oxidación térmica; procesos industriales a altas temperaturas en los que se utilizan los residuos como combustible y tecnologías de vanguardia que utilizan altas temperaturas, tales como sales licuadas, plasma u hornos eléctricos. El aspecto más interesante de la incineración es su carácter de solución final, en cuanto que consigue la destrucción de los contaminantes. El atractivo de la incineración, y lo que determina su interés, radica en la importancia de la disminución del volumen final de residuos respecto a las cantidades procesadas y en la eliminación o reducción sustancial de la toxicidad y/o peligrosidad de los mismos. Los procesos de incineración de residuos tóxicos y peligrosos se diseñan incluyendo diversos dispositivos de control de las emisiones a la atmósfera. En la mayoría de los casos, éstos se concretan en la utilización de las cámaras de postcombustión, en el lavado de gases. Las cámaras de postcombustion se utilizan para controlar la emisión de subproductos orgánicos no quemados, proporcionando un volumen adicional de combustión y, en consecuencia, un mayor tiempo de combustión a temperatura elevada.


Los factores más importantes para el buen diseño y funcionamiento de un incinerador son la temperatura de combustión, el tiempo de permanencia del gas de combustión y la eficacia de la mezcla del residuo con aire de combustión y combustible de apoyo. Estos parámetros varían según la estructura química y forma física del residuo y el tipo de técnica de incineración empleada. Las propiedades químicas y termodinámicas del residuo, que son importantes para determinar sus requisitos de tiempo y temperatura de destrucción, son su composición elemental, su poder calorífico inferior y cualquier otra cualidad especial que pueda requerir consideraciones especiales de diseño. Es preciso conocer el porcentaje de carbono, hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, azufre, halógenos y fósforos en el residuo, así como su contenido de humedad, para determinar los requisitos estequiométricos de aire de combustión y precombustión.

2.2.EFECTOS DE LA ISOTERMIA SOBRE LA CALIDAD DE LA DESTRUCCIÓN Conjunto de factores endógenos, inherentes al propio combustible como las alteraciones en el poder calorífico y, principalmente exógenos o dependientes de la geometría y sistema de funcionamiento de los hornos conduce a que la distribución de temperaturas en su interior sea bastante irregular. O sea las temperaturas no son regulares en una misma sección transversal del horno. El factor que más contribuye a la mala isotermia es la calidad de la tasa de transferencia de calor. A mayor temperatura la radiación térmica es muy eficaz, siempre y cuando se permita la correcta transferencia, puesto que se transmite en línea recta. En la mayoría de los hornos la propia carga actúa de pantalla térmica y reduce la tasa de intercambio calorífico. El otro factor deviene como consecuencia del régimen de presiones internas en la cámara de combustión. Una cámara muy presionada, si bien mejora la isotermia, aumenta las pérdidas de calor lo que puede propiciar fugas de contaminantes. Una cámara depresionada provoca estratificaciones de láminas de fluidos que empeoran la distribución de temperatura. Desde el punto de vista medioambiental, y de destrucción térmica, es evidente que se precisa un nivel térmico determinado para que el proceso sea efectivo, de ahí el interés en que la isotermia sea lo más perfecta posible. Por lo general las llamas generadas en la zona de la parrilla conduce a que las temperaturas en esta sección sean muy dispares. La temperatura estática que indica el pirómetro inserto en la bóveda de la cámara poco tiene que ver con las diversas temperaturas reales en otras tantas zonas del horno.

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2.3.INCIDENCIA AMBIENTAL DE LA INCINERACIÓN La correcta ubicación de la planta de incineración implica la minimización de impactos ambientales, antes que la prevención de los mismos mediante medidas correctoras, disminuyendo riesgos sobre la salud de la población. Recomendaciones para la correcta instalación de una planta de incineración:

• Es evidente la necesidad de una estabilidad geológica en la zona de ubicación, evitando fenómenos, corrimiento de suelos, deslizamientos, hundimientos o actividad sísmica. Los suelos óptimos son los de baja permeabilidad.

• Se descartan las áreas que presentan limitaciones a la dispersión de las emisiones, ya sea por inversiones térmicas, regímenes inadecuados de vientos en dirección o velocidad, períodos de calma.

• Bajo nivel de precipitaciones, con el fin de reducir la rápida deposición de los gases y la generación de efluentes pluviales en la planta.

• Es aconsejable el alejamiento de la instalación de cursos fluviales y sistemas acuíferos, ya que, la proximidad de las superficies de agua implica un riesgo de contaminación de las mismas por deposición de los contaminantes emitidos a la atmósfera.

• La localización de las plantas de incineración, deben orientarse a zonas de baja calidad paisajística y alta capacidad de enmascaramiento y ocultación.

• Incluir la no afección de espacios naturales, ecosistemas o comunidades faunísticas o botánicas consideradas de interés.

• Es fundamental evitar los territorios de tradición ganadera, cuidando la no afección de pastizales y prados por altos niveles de deposición de contaminantes.

• Evitar los territorios de tradición hortícola, donde las emisiones pueden llegar a afectar a los cultivos de huerta, frutales, forrajeras y todos aquellos cultivos de consumo.

• La ubicación óptima de la incineradora será aquella que minimice las inmisiones sobre las zonas pobladas.

• Evitar cualquier repercusión negativa sobre el medio ambiente.


• Los problemas medioambientales están inducidos fundamentalmente por la emisión de contaminantes vía atmósfera, y en menor medida, por los residuos generados por el propio proceso de incineración.

• Los elementos del medio se destacan la fauna y la salud humana por ser estos elementos receptores finales de los contaminantes y presentar una alta sensibilidad a los mismos. En segundo nivel de afección se encuentran el paisaje y los usos del suelo, receptores de una actividad presumiblemente distorsionante y contaminadora del ámbito local.

• Fase de construcción:

En la fase de obras se contabilizan los efectos de todas aquellas actuaciones que conllevan una modificación:

- Acondicionamiento del terreno: caminos y pistas de acceso, movimiento de tierras, explanaciones. Producción de polvo y ruido por parte del tráfico de materiales y maquinaria. - Obras en construcción propiamente dichas, reforzándose los impactos por modificaciones del relieve, generación de polvo y ruido, derivados del continuo movimiento de maquinaria. - Vertido de tierras, escombreras y materiales sobrantes de la construcción.

• En la fase de explotación, generación de impactos en función de la

adecuación ambiental del proyecto y del nivel tecnológico incorporado a la planta.

• Emisiones a la atmósfera. Son el principal riesgo para la salud y el medio

ambiente. La presencia de contaminantes en la atmósfera implica una contaminación global, al dispersarse los mismos en el aire, suelo y agua, así como los organismos que se desarrollan en ese entorno, incluyendo el hombre.

METODOLOGÍA DE LA EVALUACIÓN DE RIESGO: Se basa en analizar distintas variables que conforman el proceso de contaminación, desde la generación de los gases hasta la vía de incorporación y el efecto sufrido por el receptor. La metodología incluye:

Ø Caracterización de emisiones: proporciona datos o supuestos que permiten estimar los contaminantes y las concentraciones aproximadas de los mismos para cada vía de emisión. Los contaminantes más significativos en el proceso de incineración son los policlorodibenzo para dioxinas (PCDD), policlorodibenzo-furanos (PCDF), a los que se añaden hidrocarburos polinucleares aromáticos, bifenilos policlorados, aldehídos, fenoles clorados, metales pesados (Pb, Hg, Cd, Zn, Cr, Mn, As, Ni, Sb) y también los óxidos de azufre y nitrógeno y ácidos como el clorhídrico y el fluorhídrico.

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Ø Estudios de dispersión y deposición: se basan en la utilización de modelos en los que se combinan características de la instalación y emisión con los datos meteorológicos y otos parámetros físicos, para predecir la concentración de contaminantes en la atmósfera en el nivel del suelo y la deposición en suelos y superficies de agua del entorno emisor. Ø Valoración de la exposición: las vías de exposición son muy variadas pero incluyen, en todos los casos, la inhalación y la ingestión. Se considera un individuo como expuesto cuando, con un peso entre los 60 y los 70 kg, cuando se ha visto sometido a la exposición durante 70 años de vida.


3. NOCIÓN DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA El fin que se persigue en la conversión térmica de residuos o destrucción, es liberar la energía almacenada, o bien, en el caso de los residuos, eliminar toda toxicidad. Es evidente que el tratamiento como residuo ha de ser, en principio, más restrictivo que como combustible convencional. Como se ha visto las etapas claves de la incineración son la destilación, pirólisis, gasificación y combustiones parciales todas ellas tienen lugar en el horno. En la fase siguiente, en la cámara de oxidación se añade una cantidad significativa de aire en exceso para propiciar la combustión de todas las fases anteriores (gasificación, pirólisis, volatilización, etc.). Sin embargo durante estas etapas se han formado unos nuevos compuestos, o bien otros que por una serie de motivos ha permanecido casi inalterable, que es preciso destruir. De ahí la necesidad de la destrucción térmica. La destrucción térmica o bien la conversión térmica de residuos peligrosos orgánicos sólidos, líquidos o gaseosos son tecnologías rápidamente emergentes, que comprenden una o varias de las combinaciones siguientes:

• Combustión: descomposición de la materia por medio del oxígeno del aire. • Gasificación: operación que convierte un sólido en un gas. • Licuefacción: operación que convierte un gas en un líquido. • Oxidación húmeda: descomposición de la materia por medio de aire comprimido o de aire húmedo.

Normalmente se aplica la tecnología de combustión (incineración) para controlar la contaminación atmosférica, la cual se produce por la emisión de gases tóxicos. Las tecnologías de incineración más comunes que, habitualmente, se aplican a los residuos peligrosos son los hornos rotativos, los de parrilla, el hogar múltiple y el lecho fluidizado. La aplicabilidad de los métodos para eliminar los residuos tóxicos y peligrosos depende de un gran número de parámetros, no sólo físicos y químicos, sino también económicos y medioambientales. Entre estos parámetros, los más importantes son:

• El poder calorífico del residuo. • El estado físico. • La composición química: residuo organoclorado, nitrogenado, fosforado, sulfurado; orgánicos o inorgánicos; con o sin metales pesados, etc. • La cantidad a eliminar. • Los condicionamientos económicos y medioambientales.

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Si Me es la masa del contaminante a la entrada y Ms la masa a la salida, la destrucción térmica (TD) se define como:

Me - Ms TD = %

Me

3.1. EFICIENCIA DE LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA La destrucción térmica es el proceso mediante el cual las moléculas de un residuo tóxico y peligroso se rompen para originar otras de menor tamaño, o bien los productos finales de cualquier combustión orgánica (CO2 y H2O). La cinética de destrucción térmica de los residuos tóxicos y peligrosos depende de la naturaleza del compuesto a destruir, el tiempo necesario y la temperatura. Por lo que hace referencia a la calidad de la destrucción térmica, si se supone que la pirólisis es despreciable frente a la combustión y que la cinética de la reacción es de primer orden, la velocidad de destrucción térmica se expresa como:

- CktC ·=

∂∂

Siendo C la concentración en el tiempo t. Integrando esta ecuación se obtiene:

( )

−−

−=

tVNR

ET

·1ln·ln

T: es la temperatura del incinerador en ºK. E: es la energía de activación (o disociación) en cal/gr.mol. R: es la constante universal de los gases 1,987 cal/gr.mol ºK V: es el factor de frecuencia (o de Arrhenius) en seg-1. t: es el tiempo de residencia en seg. N: es la eficacia de la destrucción térmica. Los valores de V y E son característicos para cada residuo y se encuentran tabulados. El valor de N viene definido por la legislación particular (recuérdese que, como mínimo N debe ser del 99,99 %). Estos valores se sustituyen en la ecuación anterior y se construye la curva (t vs. T) de destrucción térmica del residuo. Como ejemplo, se construye la curva de destrucción térmica para el benceno. El benceno tiene una energía de activación de 95.9 kCal / (gr.mol) y el factor de frecuencia es de 7.42·1021 s-1.


La interpretación práctica de este gráfico indica que para conseguir una destrucción efectiva del 99,99% del benceno entrante en el residuo, los gases deberán permanecer en el horno 1 segundo a 730ºC, o 2 segundos a 712ºC, o cualquiera de las combinaciones que muestra la gráfica siguiente.

Curva T en función de t del benceno A continuación se representa la curva t vs. T para una destrucción térmica del 99,9999%. En el gráfico siguiente, se comparan dos curvas de destrucción térmica para el benceno con valores de 99,99% y 99,9999%.

Curva T en función de t del benceno para distintos valores de destrucción térmica. Del gráfico anterior, se observa que es necesario una temperatura más alta para un valor de destrucción térmica mayor.

690710730750770790810830850

0 1 2 3Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC

)

690710730750770790810830850

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(ºc)

99,99%

99,9999%

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3.2. CURVA CARACTERÍSTICA DE UN HORNO Una vez definido un régimen de funcionamiento en un horno es fácil establecer la gráfica temperatura-tiempo. Si ahora se actúa sobre los parámetros de funcionamiento, básicamente el volumen de gases, se altera la gráfica t-T. Así la figura expone dos típicas curvas t-T. El resultado que se extrae de esta información es conocer el tiempo tA en que los gases permanecerán sobre dicha temperatura (tiempo de residencia). Así pues es posible construir la curva característica t-T, para éste horno, e indica el tiempo que los gases van a permanecer por encima de cierta temperatura. Para conocer el éxito de la destrucción de un residuo determinado en un horno determinado, será preciso superponer la curva característica de funcionamiento del horno sobre la del residuo y determinar a que temperatura se debe trabajar.

3.3.LA DESTRUCCIÓN TÉRMICA Para conocer el éxito de la destrucción de un residuo determinado en un horno determinado, será preciso suponer la curva característica de funcionamiento del horno sobre la del residuo y determinar a que temperatura se debe trabajar. De hecho los hornos no tienen una isotermia perfecta, y además ésta es más precaria según va descendiendo la temperatura. En otras palabras tm representa la curva teórica de funcionamiento t a la que se ha aplicado un coeficiente de seguridad. Obviamente, es la curva tm que debe usarse.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

AB

tb ta


La intersección de la curva característica del horno con la del residuo indica la mínima temperatura a la que debe funcionar el horno y el tiempo de residencia. En los tramos en que la curva de destrucción térmica del residuo se halla por encima la del horno, el residuo no será destruido, al menos en el 99,99%.

3.4. CASO PARTICULAR DE LOS ORGANOCLORADOS Las dioxinas y furanos son compuestos organoclorados muy estables. De ahí que cuando en el proceso de combustión se destruyan se corre el peligro de su reformación (síntesis de “novo”) en la fase de enfriamiento. Como muestra el gráfico, o bien su curva de destrucción térmica, una temperatura de 850ºC durante un periodo de tiempo superior a los 0,1 segundo es suficiente para destruir estos compuestos con una eficacia superior al 99,9%.

Diversas medidas efectuadas en hornos incineradores de Alemania y Estados Unidos han demostrado que aun siendo mucho menor la cantidad de organoclorados emitidos a la salida, la toxicidad equivalente de la mezcla es superior en la emisión. Un grupo de precusores son los fenoles y otro los PCB’s, presentes en los residuos o formados durante los procesos de combustión. La oxidación parcial de PCB a PCDF (dioxina) se produce de manera relativamente rápida en condiciones de deficiencia de oxigeno.

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4. LAS TEMPERATURAS EN EL INTERIOR DE LOS HORNOS

4.1. PERFIL DE TEMPERATURAS EN UNA PLANTA INCINERADORA

El perfil de temperaturas típico de una incineradora es como el de la figura. Desde el punto de vista de la destrucción térmica el tiempo de residencia debe ser el que tiene lugar en la cámara de postcombustión, ya que dentro del horno se desarrollan, esencialmente las fases de destilación y gasificación.

4.2. DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS Por todo lo explicado, la distribución de temperaturas en el interior de un horno de incineración de residuos es muy irregular en la sección longitudinal del horno (Sin embargo, éstas se estabilizan en la cámara de postcombustión). Esto conduce a la generación de partículas inquemadas en suspensión. Obviamente, ciertos contaminantes no serán destruidos.

La generación de llamas conduce a una irregular distribución de la temperatura en toda la sección transversal del horno.

200

400

600

800

HORNO

C. POSTCOMBUSTIÓN

CALDERA

F. ELECTROESTÁTICO SCRUBBER CHIMENEA


5.CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN

5.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CAMARA DE POSTCOMBUSTIÓN La cámara de postcombustión tiene la misión de asegurar que los gases procedentes del horno, en parte no quemados, permanezcan en ella el tiempo de residencia preciso, con una temperatura superior a la que indica la curva de destrucción térmica del residuo. Con ello se garantiza una destrucción térmica superior al 99,99% de los compuestos entrantes. Cuando no se dispone de datos concretos, una buena aproximación, si no existen compuestos halogenados es de 2 segundos a 850ºC. Este tiempo de residencia es el recomendado por la “Mejores Tecnologías Disponibles” de acuerdo con la propuesta de Directiva sobre Incineración de Residuos Industriales de 8 de Septiembre de 1.993. (Decreto 323/1994 de 4 de Noviembre). Para ello la citada cámara suele estar construida en diversos tabiques de forma que los gases la atraviesen siguiendo un recorrido laberíntico. A la entrada se disponen de quemadores que aseguran la elevación y mantenimiento de la temperatura hasta los valores preestablecidos. Los quemadores queman con bastante exceso de aire para asegurar la combustión de los gases y/o vapores no quemados procedentes del horno. La cámara está constituida por un recipiente de acero recubierto interiormente con una capa de refractario y aislante. Las paredes laberínticas interiores son de material refractario para resistir el esfuerzo mecánico. La velocidad de los gases a la salida debería ser inferior a 1 m/s, lo que permite la deposición del posible material particulado que haya podido arrastrar durante la etapa de incineración en el horno.

5.2.EJECUCIÓN DE CÁMARAS DE POSTCOMBUSTIÓN La imposibilidad de conseguir una correcta destrucción de sólidos en una cámara de combustión, obliga a la incorporación de una cámara de postcombustión. Así, existen incineradores con una cámara de postcombustión de ejecución horizontal acoplada.

Otra ejecución de la cámara de postcombustión es la vertical. Por lo general estas cámaras de postcombustión aseguran una aceptable combustión cuando se trata de combustibles líquidos. Si el residuo a incinerar es sólido se aconseja instalar una cámara de postcombustión laberíntica.

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6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN

6.1. INCINERACIÓN CON VITRIFICACIÓN Cuando un residuo, por ejemplo el ASR (Residuo de la Trituración de Automóviles), cuyos principales parámetros se hallan en la tabla adjunta, se incineran, la gran cantidad de cenizas presentes aconseja a una fusión, con vitrificación de las mismas.

PCI (Kcal/kg) 3.500 % de cenizas 43

% de humedad 15 % de cloro 1,8

% de azufre 0,7 La instalación consta de un reactor de gasificación de lecho fluidizado, los gases atraviesan un horno de fusión donde la elevada temperatura de combustión de los gases facilita la fusión. Los gases, después de atravesar la caldera, se lavan antes de ser evacuados a la atmósfera.

6.2. INCINERACIÓN DE RESIDUOS SANITARIOS La incineración se realiza en plantas más o menos convencionales, dando prioridad a la destrucción térmica sobre la recuperación. El lavado de gases se diseña con los contaminantes previstos.

capítulo 3: la incineración y la destrucción térmica

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