Artculo de Ing. Ambiental Los Santos, Panam, 16 de Julio de 2014

ESTUDIO DEL CONTENIDO ENERGTICO DE UNA MUESTRA DE RESIDUOS SLIDOS MEDIANTE LA ECUACIN DE KHAN.

Alba J. Medina, Beatriz del C. Rodrguez, Rosibelle R. Bernal

RESUMEN En este artculo elaborado por estudiantes de la Facultad de Elctrica de la Universidad Tecnolgica de Panam en el curso de Ingeniera Ambiental se emplean diversas tablas para el anlisis del contenido energtico de los Residuos Slidos mediante ecuaciones como la ecuacin de Dulong, ecuacin de la Potencia Calorfica y la ecuacin de Khan.ABSTRACTIn this article elaborated by students of the Faculty of Electricity of the Technological University of Panama in the course of Environmental Engineering diverse tables are used for the analysis of the energetic content of the Solid Residues by means of equations as Dulong's equation, equation of the Calorific Power and Khan's equation.

Artculo de Ing. Ambiental Los Santos, Panam, 16 de Julio de 2014

INTRODUCCINLos residuos slidos incluyen todos los materiales slidos desechados de actividades municipales, industriales o agrcolas. Los objetivos de la administracin de los residuos slidos son controlar, recolectar, procesar, utilizar y eliminar los residuos slidos de la manera ms econmica congruente con la proteccin de la salud pblica y los deseos a quienes el sistema da servicio. En trminos generales, los residuos slidos se definen como aquellos desperdicios que no son transportados por agua y que han sido rechazados porque ya no se van a utilizar. En el caso de los residuos slidos municipales se aplican trminos ms putrescibles (biodegradables) llamadas basura, y en los residuos slidos no putrescibles los cuales se designan simplemente como desechos.Los desechos incluyen diversos materiales que pueden ser combustibles (papel, plsticos, textiles, etc.). La mayor parte de estos residuos se desechan con regularidad desde localizaciones especficas. Existen residuos, en ocasiones llamados especiales como el cascajo de las construcciones, las hojas de los rboles y las basuras callejeras, los automviles abandonados y tambin los aparatos viejos.La finalidad de este artculo es evaluar el contenido energtico de los residuos slidos mediante ecuaciones, estas a su vez dependern de valores constantes que sern extrados de tablas de las cuales haremos mencin en el desarrollo de este trabajo.Una limitacin para realizar un anlisis exhaustivo de este informe es la poca informacin que se tiene sobre ciertos componentes y residuos slidos existentes de los cuales no es fcil encontrar tablas con valores constantes que se utilizan en las diferentes ecuaciones.Es importante evaluar el contenido energtico de los residuos slidos ya que existen varias posibilidades de reciclarlos, reutilizarlos y transformarlos. Los residuos slidos contienen alrededor del 50% de materia voltil (combustible), el resto consiste en proporciones ms o menos iguales de humedad y slidos inertes. A causa del contenido voltil, los residuos suelen quemarse para deshacerse de ellos y en ocasiones se utilizan como fuentes de energa. Al comparar los residuos slidos con otros combustibles es necesario tomar en cuenta la energa que se requiere para desmenuzar y clasificar los desechos.Lastimosamente en nuestro pas la energa contenida en los residuos slidos es poco aprovechable en comparacin con industrias en otros pases. En Panam, no se tiene el debido inters ni disposicin para llevar el manejo adecuado de la basura, razn por la cual se aprovecha muy poco el contenido energtico de los mismos.MARCO TERICOTradicionalmente, se tiraba al vertedero todo el residuo slido, de este modo no era necesario evaluar las propiedades del mismo y menos an las energticas. Sin embargo, existen posibilidades para tratar dichos residuos, tambin se puede analizar sus propiedades qumicas, en el cual se siguen los siguientes pasos para identificar la tecnologa del tratamiento: anlisis inmediato, anlisis mediato o elemental y el contenido de energa. En el anlisis inmediato se incluye: contenido de humedad en % de peso, materia voltil, carbn fijo, fraccin no combustible (cenizas). En la tabla #1 se muestra el anlisis fsico de los residuos slidos en porcentaje de peso. Valores que sern tiles para el anlisis de la ecuacin de la potencia calorfica inferior.La nomenclatura para el contenido de energa es la siguiente:Hu= potencia calorfica inferior, es decir de los residuos segn se recogen Hawf= potencia calorfica superior, es decir de los residuos sin cenizas ni agua.Para determinar el poder calorfico inferior se utiliza la siguiente ecuacin: Hu= Hawf x B-2.445 x W (MJ/kg)Donde B= fraccin inflamable (voltiles + carbn fijo)W=fraccin de humedad en pesoLos elementos ms importantes en la transformacin de energa de los residuos slidos son: Carbono (C), Hidrgeno (H), Oxgeno (O), Nitrgeno (N), Azufre (S) y cenizas.Es importante conocer la composicin qumica y el anlisis final para los procesos de residuos a energa, ya sea por combustin o por transformacin biolgica. Por ejemplo, un residuo muy rico en plstico es muy adecuado para la incineracin pero totalmente impropio para la transformacin biolgica. Del mismo modo, un residuo rico en madera o los residuos de jardn son ms aptos para ser incinerados pero no lo son para convertirse en elementos biolgicos. Esto ltimo es as, incluso siendo la madera orgnica, porque sta tiene un alto contenido en lignina que da lugar a un proceso de transformacin muy lento. El contenido de energa en los RSU se puede determinar por la ecuacin de Dulong.Hawf=337C+1419(H2-0.125O2)+93S+23NDondeC, H, O2, S y N son los porcentajes en peso de cada elemento, y Hawf es la potencia calorfica neta sin agua ni cenizas.Khan ha demostrado que el contenido energtico de los RSU puede ser calculado segn la siguiente ecuacin de Khan:E=0.051 [F+3.6(CP)]+ 0.352(PLR)Donde E= contenido energtico MJ/kgF= % de alimento en peso CP=% de cartn y papel en pesoPLR=% de plstico y goma en peso Esta ecuacin funciona bien si no hay o hay muy pocos residuos de jardn. Esto se puede aplicar en lugares como la Unin Europea, pero no se puede aplicar fcilmente en lugares como la costa este de Estados Unidos, donde la cantidad de residuo de jardn es del 20% de los residuosAnte la situacin actual que presentan varios pases, donde sus principales fuentes energticas son a travs de centrales hidrulicas y centrales trmicas a partir de combustibles fsiles, es importante considerar otras fuentes de energa como es el recurso energtico de los residuos.La conversin de Residuos Slidos Urbanos (RSU) en energa es hoy una actividad extendida en pases europeos y del primer mundo, con el objetivo fundamental de disponer en forma rpida yeficientelos residuos producidos por las comunidades.La forma tradicional de disponer losresiduos a cielo abierto yposteriormente taparlos con tierra o incinerarlos in situ ha evolucionado a la forma de campos pretratadosy recubiertospara recibir los residuos ymanejar sus efluentes lquidos. Los residuos son convenientemente tratados, tapadoscon tierra y compactados con maquinaria adecuada. Al cabo de un lapso considerable se recupera gas generado en la descomposicin de los residuos, que debidamente procesado es un combustible. De igual forma se provee un tratamiento a los lquidos generados (lixiviados) para evitar la contaminacin de los suelos.Para la operacin de estas actividades se handesarrollado diversas tecnologas que proveen la conversin de los residuos en energa, algunas de stas con varias decenas de aos en su implementacin.METODOLOGA DE LA INVESTIGACINComo se ha dicho con anterioridad, en este artculo se utilizarn las ecuaciones de la potencia calorfica inferior, la ecuacin de Dulong y la ecuacin de Khan. Posteriormente se desarrollarn estas ecuaciones para varios tipos de residuos, en el cual se comparan su contenido energtico y as notaremos la relacin entre estas ecuaciones.Para evaluar la ecuacin de la potencia calorfica inferior: Hu= Hawf x B-2.445 x W, se utilizan los valores de la tabla #1 pero antes se debe recordar que; W: fraccin de humedad en pesoB: fraccin inflamable (voltiles + carbn fijo)Hawf: potencia calorfica superior, es decir, de los residuos sin cenizas ni agua. Para este caso utilizaremos un valor de 20 MJ/kgNOTA: Los valores de % en peso, se introducen en la ecuacin en decimales.Tabla #1. Porcentaje en Peso (%) de los residuos slidos.TipoHumedad(W)Materia VoltilCarbono FijoHu (MJ/ kg)

R. de comida70.021.43.63.28

R. de jardinera60.030.09.56.43

Cartn5.277.512.317.83

Papel10.275.98.416.61

Plsticos0.295.82.019.55

Textiles10.066.017.516.45

Madera2068.111.315.39

Vidrio2.0---

Metales2.0---

Total95.84

Ahora para evaluar la ecuacin de Dulong: Hawf= 337C+1419(H2-0.125O2)+93S+23N, utilizaremos una muestra #1 de un compuesto C40H2050O850N12S. En la siguiente tabla tenemos la masa molar de cada elemento.Nota: Los valores de % en peso se introducen en porcentajes y no en decimales.ElementoMasa AtmicatomoMasa Molar% en peso

Carbono12404802.94

Hidrgeno12050205012.55

Oxgeno168501360083.28

Nitrgeno14121681.03

Azufre321320.19

Total16330

Sustituyendo en la ecuacin tenemos:Hawf= 337(2.94)+1419((12.55/2)-0.125(83.28/2))+93(0.19)+23(1.03)Hawf=2550.47 KJ/kg=2.550 MJ/kgRealizando el mismo procedimiento para una muestra #2 de residuo slido C20 H500O250N99S67ElementoMasa AtmicatomoMasa Molar% en peso

Carbono12202402.90

Hidrgeno15005006.04

Oxgeno16250400048.37

Nitrgeno1499138616.76

Azufre3267214425.92

Total8270

Hawf=337(2.90)+1419((6.04/2)-0.125(48.37/2))+93(25.92)+23(16.76)Hawf= 3768.90 KJ/kg=3.77 MJ/kg

Por ltimo analizaremos la ecuacin de Khan, objeto de estudio de este informe. Esta se determina por la ecuacin: E=0.051 [F+3.6(CP)]+ 0.352(PLR) Recordando que:E= contenido energtico MJ/kgF= % de alimento en peso CP=% de cartn y papel en pesoPLR=% de plstico y goma en peso En la siguiente tabla se muestra la composicin en % de Peso Hmedo de algunos residuos. Sabiendo que Khan relaciona compuestos orgnicos tenemos:Componente Orgnico% en peso hmedo

Alimento9

Cartn6

Papel34

Plstico7

Goma0.5

Nota: Los valores de % en peso se introducen en porcentajes y no en decimales.Sustituyendo en la ecuacin de Khan,

E=0.051 [9+3.6(40)]+ 0.352(7.5)E=10.44 MJ/kgANLISIS DE RESULTADOS: El uso de las diferentes ecuaciones nos arroja resultados distintos. En la ecuacin de la potencia calorfica inferior, tenemos un contenido energtico mayor en comparacin con las dems ecuaciones. Sin embargo, el valor obtenido mediante esta ecuacin es ms acertado que las dems porque estos datos provienen de procesos qumicos realizados en laboratorios. Grfica 1. Comparacin del contenido energtico diversos componentes mediante la Ec. de la Potencia Calorfica Inferior.

Al utilizar esta ecuacin, notamos que el mayor contenido energtico lo podemos encontrar en los plsticos, seguido del cartn. Es por ello, que debemos reciclar la mayor cantidad de plstico posible y as aprovechar al mximo su energa.Con respecto a la ecuacin de Dulong, existe un margen considerable de diferencia. Se fundamenta en un proceso estequiomtrico realizado a una muestra de residuo slido del cual depender su contenido energtico. Cada compuesto tendr un nmero determinado de tomos que indicarn su concentracin, entre mayor sea su concentracin, mayor ser su contenido energtico. Grfico #2 Comparacin del contenido energtico de dos muestras de residuos slidos.

Se observa que a medida que su composicin aumenta, de igual forma aumenta el contenido energtico.La ecuacin de Khan, es un tanto ms limitada ya que se centra solamente en compuestos orgnicos (alimentos, papel, cartn, plstico y goma).

Grfico #3 Comparacin entre Ecuaciones

El contenido energtico mediante la ecuacin de la Potencia Calorfica Inferior es mayor como se dijo anteriormente, ya que esto ser acerca ms a la realidad, pues sus datos son obtenidos por lo general de laboratorios. Mientras que Dulong y Khan dependen de la composicin qumica y de los compuestos orgnicos, respectivamente. Como ya hemos visto, es de suma importancia cumplir con las 3R (reciclar, reducir y reutilizar), porque por muy pequeo que sea el contenido energtico que se le extraiga a un residuo slido, si los sumamos todos obtendremos grandes cantidades de energa y adems de esto ayudaremos a reducir la contaminacin del medio ambiente.

CONCLUSIONESAlgunas de las desventajas que se pueden tener es que los procesos de incineracin de residuos slidos urbanos, aunque tcnicamente vlidos, tanto para su eliminacin como para su valorizacin energtica, generan un importante rechazo social, motivado principalmente por la contaminacin ambiental provocada por sustancias como dioxinas, furanos y diferentes metales pesados que pueden ser emitidos por las instalaciones.Es importante poder generar en las personas un cambio de paradigma, dejando de pensar que los residuos son algo intil y, que generar energa a partir de ellos es un desafo importante para el gobierno, empresas privadas y la sociedad misma. Para ello es necesario reunir los recursos necesarios, dirigir y promocionar iniciativas para obtener los beneficios.Este informe cambiar la perspectiva que tenemos sobre los residuos slidos, ya no se vern como una simple basura, sino como una forma de aprovechamiento energtico.Adems se puede concluir que la utilizacin de una u otra ecuacin para evaluar el contenido energtico depender de la informacin que se disponga en campo, ya sea del % en peso, proceso estequiomtrico.Esperamos que este pequeo informe sea de provecho a sus lectores.

BIBLIOGRAFA Kiely, Gerard (1999), Ingeniera Ambiental 1 Ed. Editorial Mc Graw-Hill Colombia 1331p Folleto sobre Manejo Integral de Residuos Slidos, suministrado por el profesor. Ingeniera Ambiental