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SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES. TECNOLOGÍAS DE DEPURACIÓN. PROBLEMÁTICA MEDIOAMBIENTAL DE LA INCINERACIÓN DE RESIDUOS PELIGROSOS 1)INTRODUCCIÓN. RESIDUOS GASEOSOS DE LA INCINERACIÓN La destrucción de residuos peligrosos por combustión conlleva la aparición de nuevos contaminantes en el proceso y los principales de ellos con transferencia al medio atmosférico. Ante ello se pueden adoptar dos planteamientos: -Control de la contaminación en origen. Bien por la separación de los materiales previa a la combustión o mediante el control de la combustión minimizando el arrastre de partículas y las reacciones de formación de dioxinas y furanos a baja temperatura en los gases de escape. -Depuración de los gases de combustión

Atmósfera Efluentes Gaseosos

Efluentes Gaseosos Residuos

Incineración

Seca

Cenizas Volantes

Depuración

Escorias

Húmeda

Efluentes Líquidos

Vertedero Tratamiento Físico-Químico Depósito de seguridad Lodos Efluentes Líquidos Medio Acuático

Fig 1.Esquema de producción de residuos en incineradores. Material Filtrante

Fibras Naturales

Fibras Sintéticas

Fibra de Vidrio

Lana

Algod ón

Nombre Industrial

Peso específico

PVC

Poliamida

Poliacrilinitrilo

Poliéster

Polipropileno

Rovyl

Perlon

Diolen

Merakon

Vinion

Nylon

Poli-acriliPolimero Nitrilo puro mixto Dralon Dolan Redon Dralon T Orlon 1.17 1.14-1.16 1.14

Pol ia mi da Ar om átic a Nomex

1.38

0.91

1.38

2.54

Terylene

1.32

1.471.5

1.391.44

1.13-1.15

1-1.7

2.54.0

2.7-3.9

4.5-6.1

2.93.4

3-3.5

2.5-3.2

4.5

4.5-5.5

5.5-6.5

5.5

6.3-0.9

85

110

100

90

90-95

90-95

90

90

93-97

100

75

85-95

Alargamiento de rotura en %

25-35

7-10

12-25

25-40

30-40

30-35

24-30

18-22

40-55

70-90

17

3-4

Absorción de Humedad en % a 20 ºC y 65% de humedad relativa del aire Resistencia contra ácidos

10-15

8-9

0

4.5-4.5

1

1

1

0.4

0.05

4.5

Hasta 0.3 (superfic ie)

Buena para ács débiles a baja temp Mala

Mala

Casi resistente a cualquier concentrac

Buena

Buena frente a ácidos débiles a baja temperatura

Ataque por ácidos: Fluorhidrico Clorhídrico Slfúrico Fosfórico

Casi totalmente resistente

Suficientemente resistente contra álcalis débiles

Buena frente a casi todos los ácidos minerales Buena a T ambiente

Resistencia Total

Buena

Buena con ácidos diluidos en frio, poca calientes Prácticament e Resistente

Resistente

Resistente frente a álcalis débiles

Ataque de álcalis calientes fuertes y frios

125135150

140160(seco)

70-80-90

200220250-270

250(seco )-300

(g/CC) Resistencia al desgarramiento (g/den) Resistencia en húmedo. Relación con resistencia en seco

Resistencia contra álcalis

Resistencia contra insectos y bacterias Resistencia a la temperatura. Servicio continuo ºC. Máxima (ºC)

Peque ña 80-90100

Muy Buena

No está atacado 75-80- 40-5095 65

75-85-95

125135150

10130--

110130-_

Si nos centramos en los sistemas de tratamiento el problema tiene una doble vertiente: la eliminación de los residuos sólidos tras la incineración y el correcto tratamiento de los gases de combustión para minimizar el impacto sobre el medio ambiente. Hay que tener en cuenta que la Incineración de Residuos Peligrosos produce otro tipo de residuos sólidos (lodos, fly ash) y líquidos (sistemas húmedos de depuración) que pueden ser más peligrosos que las escorias del propio horno. Todo esto conlleva la necesidad de un tratamiento adicional de descontaminación con una correcta gestión de los residuos. El impacto potencial mas significativo de este tipo de plantas es la emisión de gases a la atmósfera, como se deriva de la publicación del Real Decreto 1217/1997, de 18 de Julio, sobre incineración de residuos peligrosos (y modificación del RD 1088/1992, de 11 de septiembre, relativo a las instalaciones de incineración de residuos municipales). Este Real Decreto transpone a la legislación nacional la Directiva 94/67/CE del Consejo, de 16 de Diciembre, relativa a la incineración de residuos peligrosos. Los problemas de contaminación gaseosa asociados con esta vía de gestión de los residuos peligrosos constituyen uno de sus puntos críticos más importantes y determinan la necesidad no solo de emplear condiciones de trabajo particularmente enérgicas sino de incorporar sistemas de alta eficacia para

la limpieza de los gases, que representan parte esencial del esquema de proceso y suponen y suponen una fracción sustancial de la inversión de una planta incineradora y de los costes de operación de la misma. La parte más importante es sin duda la constituida por los efluentes gaseosos, que de cara a las tecnologías de depuración, se clasifican en 4 tipos: -Gases ácidos: HCl, HF, SOx, NOx -Compuestos orgánicos: hidrocarburos poliaromáticos, clorobencenos, dioxinas, furanos... -Partículas: inquemados de escorias. -Metales pesados: mercurio, cadmio, plomo, arsénico, niquel, manganeso, cobre, cromo, etc. -Dioxinas y furanos La complejidad es importante dada la heterogeneidad de los residuos incinerados y la cada vez más restrictiva legislación por lo que se hace necesario la combinación de procedimientos de limpieza de gases, pero dejando esto por el momento y centrándonos en los equipos individuales, se puede hacer una clasificación en dos grandes grupos según se apliquen a contaminantes sólidos y líquidos (en las corrientes gaseosas) o gases: -Sistemas de captación de partículas -Sistemas de eliminación de gases.

2)SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE PARTÍCULAS Atendiendo al principio en que se basa la depuración, este tipo de sistemas se clasifican en: Colectores de inercia y fuerza centrífuga. Filtros de tejido. Precipitadores electrostáticos. Lavadores y absorbedores húmedos. De todos ellos, las opciones tecnológicamente más viables para conseguir límites de emisión inferiores a los permitidos son los ESP y los filtros de mangas. Por otra parte, los colectores de inercia y fuerza centrífuga no son los más operativos por su bajo rendimiento con partículas de pequeñas dimensiones, es decir, no es posible reducir las emisiones por debajo de los valores limites establecidos en la legislación vigente de previsible implantación. No obstante a continuación hablaremos más detenidamente de ellos. Los aparatos de captación de partículas de captura por red funcionan impulsando las partículas hacia una pared sólida donde se adhieren entre sí formando aglomerados que pueden extraerse del aparato colector. Estos aparatos pueden clasificarse en -Sedimentadores por gravedad (colectores de inercia) -Separadores de ciclón (fuerza centrífuga) -También podríamos meter en esta clasificación los precipitadores. a) b) c) d)

2.1)SEDIMENTADORES POR GRAVEDAD Se trata de una cámara alargada por la que pasa lentamente la corriente contaminada durante el tiempo suficiente para que las partículas sedimenten por gravedad hasta el fondo. Se aplican fundamentalmente en industrias que tratan gases muy secos, por ejemplo en procesos de fundiciones y metalúrgicos. La velocidad del gas diminuye conforme se ensancha la sección transversal respecto del conducto por el que circula el gas (W*H) y también se utilizan desviadores de algún tipo que uniformicen el flujo de paso del gas por la cámara.

Estos sistemas se modelizan de dos maneras: a) El flujo no se mezcla en su totalidad (“flujo en bloque” o “flujo tapón”) b) Mezclado total (en todo el aparato o) en toda la sección transversal perpendicular al flujo (“modelo de retromezclado” o “modelo de mezclado total”) Para ambos modelos, la velocidad horizontal promedio del gas en la cámara es: Vprom=Q/W*H En el modelo de flujo en bloque se supone: en cualquier punto de la cámara, la velocidad horizontal del gas es igual a la Vprom. La componente horizontal de la velocidad de las partículas que se encuentran en el gas es siempre igual a Vprom. c) La componente vertical es su velocidad terminal de sedimentación debida a la gravedad, Vt. d) Si una partícula llega abajo, no vuelve a ser arrastrada

a) b)

Con estas premisas, una partícula que entra en la cámara a una altura H(m) sobre la base del sedimentador irá con un gas que tarda en recorrer la cámara (en la dirección del flujo) un tiempo: t=L/Vprom Durante este tiempo, la partícula sedimentará por efecto de la gravedad y recorrerá una distancia vertical igual a: D=t*Vt=Vt*(L / Vprom) Y según la ley de Stokes: Vt=g*D2*(ρ

part

-ρ

fluido

)/18*µ

fluido

Si la distancia que recorre en ese tiempo es mayor o igual que h, la partícula llegará al piso de la cámara y será capturada. Si todas las partículas son del mismo tamaño, se encuentran distribuidas uniformemente a través de la admisión de la cámara y no interactúan entre sí. La fracción de partículas capturadas es igual a ala eficiencia fraccionaria de captura. Fracción Capturada=η =(L*g*D2*ρ

f.bloque

=(L*Vt)/(H*Vprom)=

)/(H*Vprom*18*µ

part

gas

)

Hemos despreciado ρ fluido(aire) frente a ρ part. Además en el modelo de flujo mezclado, se supone que el flujo de gas se mezcla en su totalidad en la dirección z, pero no en la dirección x. El mezclado en la dirección x tiene poco efecto en la eficiencia de la captura, no así el mezclado en la dirección z. Consideramos una sección del sedimentador de longitud dx. En esta sección, la fracción de las partículas que llegaran al piso será igual a la distancia vertical desde la que cae una partícula promedio debido a la gravedad, al pasar por la sección, lo cual puede escribirse como:

Fracción Capturada=η

=(Vt*dt)/(H)

mezclado

Siendo dt la altura desde la que cae dicha partícula y H la altura total. El cambio en la concentración que pasa por esta sección es: dC= -C*η

mezclado

= -((C*Vt*dt)/(H))

El tiempo que tarda la partícula promedio en pasar por esta sección es: dt= dx / Vprom Combinando las ecuaciones: dC/C= -(Vt/(H*Vprom))*dx Si se integra desde la admisión (x=0) hasta la salida (x=L): Ln(Csalida/Centrada)= - (Vt*L)/(H*Vprom) Como:

η

flujo mezclado

= 1 - (Csalida/Centrada)=1 – e(-(Vt*L)/(H*Vprom))

Puede sustituirse Vt por su expresión de la ley de Stokes:

η Comparando ambas teorías

= 1 - e(-(L*g*D^2*

flujo mezclado

η

ρ part)/(H*Vprom*18*µ gas))

η (flujo bloque)

=1 – e-

flujo mezclado

Para partículas pequeñas, en las que las eficiencias de captura son pequeñas, los modelos de flujo mezclado y en bloque prácticamente dala misma respuesta. Para partículas más grandes (φ >50 µ m) las eficiencias calculadas de captura se vuelven más grandes y los 2 modelos dan respuestas diferentes. Es idóneo en estos casos el modelo de flujo mezclado. Ejemplo Calcúlese la relación eficiencia-diámetro para precipitar partículas de 1 µ m un sedimentador por gravedad que tiene H=2m, L=10m y Vprom= 1m/s. Tanto para el modelo de flujo en bloque como para el mezclado, suponiendo que se cumple la ley de Stokes. Datos: ρ part=2000 kg/m3 µ aire= 1.8*10-5 Kg/m*s

2.2)SEPARADORES CENTRÍFUGOS (CICLONES) Si los separadores por gravedad son ineficaces para partículas pequeñas, habrá que usar equipos semejantes pero con una fuerza impulsora mayor que la gravedad para impulsar las partículas hacia la superficie de captura. Esta será la fuerza centrífuga. Si el cuerpo se mueve en una trayectoria circular de radio r y velocidad Vc a lo largo de esa trayectoria, tendrá una velocidad angular: w=Vc/r; Fuerza Centrífuga=( m*Vc2)/r= m*w2*r Incluso a velocidades moderadas y radios comunes, la fuerza centrífuga que actúa sobre partículas pueden ser 2 órdenes de magnitud mayores que las de la gravedad. Ahora, ya no es aplicable la Ley de Stokes, pero sí un equivalente centrífugo de esa ley. Lo único que hay que hacer es sustituir la fuerza gravitacional por la centrífuga, es decir, cambiar g por Vc2/r o por w2*r. Con ello tenemos 2 velocidades diferentes en la ecuación:

-

Vt: Velocidad terminal de sedimentación en la dirección radial. Vc: Velocidad a lo largo de la trayectoria circular.

Aún existirá otra, una velocidad terminal de sedimentación en dirección axial pero, normalmente, es aproximadamente 100 veces menor por lo que la despreciamos. La velocidad terminal de sedimentación que nos interesa es la de dirección radial que forma ángulos rectos con el movimiento circular principal de la partícula. Si sustituimos la aceleración gravitacional por esta centrífuga en la ley de Stokes y despreciamos el término ρ fluido tenemos: Vt=(Vc2*D2*ρ

)/(18*µ

part

gas

*r)

El aparato más utilizado como colector de partículas es el separador-ciclón o ciclón. Se trata de un cuerpo cilíndrico vertical con una salida para polvo en el fondo cónico. El gas entra por una admisión rectangular tangencial al ciclón de forma que el gas fluye alrededor de la circunferencia del cuerpo cilíndrico, no de manera radial hacia adentro. El gas se mueve en espiral y hacia abajo, se vuelve y sube en espiral hacia arriba por la parte superior del aparato. Durante el movimiento el movimiento en espiral, las partículas son impulsadas hacia pared por la fuerza centrífuga, son capturadas, forman aglomeradas y bajan por la acción de la gravedad y se recoge el polvo la tolva del fondo.

Si hacemos las sustituciones señaladas en las ecuaciones de diseño del sedimentador por gravedad.

η η

f.bloque

f.bloque

=(N*π *D0*Vt)/(Wi*Vc)

=(N*π *Vc*D2*ρ

η

)/(9*Wi*µ

part

π *Do*Vt)/(Wi*Vc))

= 1 - e(-(N*

flujo mezclado

gas

)

η

π *Vc*D^2*ρ part)/(9*Wi*µ gas))

= 1 - e(-(N*

flujo mezclado

D= Diámetro de la partícula Do= Diámetro exterior del ciclón⇒ Aparece de forma indirecta a través de Wi que es proporcional a él. Wi=0.25*Do N: Número de vueltas que el gas realiza alrededor del ciclón antes de que salga del área de captura cercana a la pared. ⇒No hay base teórica para calcular N a partir de principios de la mecánica de fluidos. Un valor de 5 representa el mayor de los datos experimentales si no tenemos otra información Wi: Anchura de la cámara de entrada⇒ El equivalente a H en el sedimentador por gravedad. η : fracciones capturadas. N*π *D0: camino recorrido, el equivalente a L Nota: Máxima distancia vertical en el sedimentador es equivalente a máxima distancia horizontal en el ciclón. Ejemplo. Calcúlese la eficiencia y el diámetro para un separador de ciclón que separa partículas de 1µ m, tiene Wi=0.5m, Vc=60m/s y N=5, tanto para la hipótesis de flujo en bloque como mezclado, suponiendo que se cumple la ley de Stokes. Datos: ρ part=124.8 kg/m3 µ fluido=1.8*10-5 kg/m*s Ejemplo Diseñar un ciclón por el que pasa una corriente de aire de 1000 m 3/h. Esta corriente contiene partículas cuya densidad es 1200 kg/m3. Determinar el diámetro de las partículas que son separadas si la eficacia del proceso es del 50% y la velocidad del aire a la entrada no puede exceder de 10 m/s. Datos: µ fluido=1.8*10-5 kg/m*s N=5 Hay que conocer otro concepto para colectores de partículas, el diámetro de corte. Este concepto da una medida del diámetro de partículas capturadas y ñlas que se cuelan en un colector de partículas. Por ejemplo, en un colador sería el diámetro de los agujeros. Para partículas mayores que el diámetro de corte, la eficiencia de captura es del 100% y para las más pequeñas, el 0%. Sin embargo, no es después así, no hay un solo diámetro de corte en el que la eficiencia varíe tan bruscamente del 0 al 100%. Se adopta la convención de definir el diámetro de corte como el de una partícula para la que la eficiencia es 0.5 (50% de captura) Sustituyendo en al ecuación anterior de flujo en bloque: Dcorte=((9*Wi*µ

gas

) /(2*N*π *Vc*ρ

))1/2

part

Como regla empírica, si una corriente de gas tiene partículas