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5. Tecnologías de valorización energéticaPágina 102

5 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN ENERGÉTICA

5.1 CEMENTERAS

5.1.1 Descripción de la tecnología

El cemento conocido como ‘portland’ fue patentado en 1824, y desplazó progresivamente a los

cementos tradicionales (derivados del mortero romano) y otros conglomerantes hidráulicos. A finales

del siglo XIX el hormigón, fabricado con cemento ‘portland’, ya se había convertido en un material

de construcción de amplia aplicación en toda Europa.

La fabricación de cemento es una actividad industrial de procesado de minerales. Se divide en tres

etapas básicas:

1. Obtención, preparación y molienda de materias primas (caliza, marga, arcilla, pizarra, etc.) que

aportan los siguientes compuestos minerales: carbonato cálcico (CaCO3), óxido de silicio

(SiO2), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3). Se obtiene una mezcla

pulverulenta de los minerales denominada crudo o harina.

2. Cocción del crudo en hornos rotatorios hasta alcanzar una temperatura del material cercana

a los 1450 ºC, para ser enfriado bruscamente y obtener un producto intermedio denominado

clínker.

3. Molienda del clínker con otros componentes: yeso (regulador de fraguado) y adiciones

(escorias de alto horno, cenizas volantes, caliza, puzolanas), para dar lugar a los distintos tipos

de cemento.

En función de cómo se procesa el material antes de su entrada en el horno de clínker, se distinguen

cuatro tipos de proceso de fabricación: vía seca, vía semi-seca, vía semi-húmeda y vía húmeda

(figura 5.1). En el proceso vía seca, la materia prima es introducida en el horno en forma seca,

pulverulenta. El sistema del horno comprende una torre de ciclones para intercambio de calor en la

que se precalienta el material en contacto con los gases provenientes del horno rotatorio. El proceso

de descarbonatación de la caliza (calcinación) puede estar casi completado antes de la entrada del

material en el horno si se instala una cámara de combustión a la que se añade parte del combustible


Figura 5.1 – Proceso de fabricación del cemento. Fuente: Roger Rivet

(precalcinador).

En el proceso vía húmeda, utilizado normalmente para materias primas de alto contenido en

humedad, el material de alimentación se prepara mediante molienda húmeda y la pasta resultante,

con contenido de agua de un 30-40 %, es alimentada en el extremo más elevado del horno inclinado.

En los procesos vía semi-seca y semi-húmeda, el material de alimentación se obtiene añadiendo o

eliminando agua (filtros prensa), respectivamente, de forma que se obtienen ‘pellets’ con un 15-20

% de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen circular los

gases calientes provenientes del horno rotatorio.

En la actualidad, en torno al 78 % de la producción de cemento en Europa se realiza en hornos de

vía seca; otro 16 % se realiza en hornos vía semi-seca o semi-húmeda; y un 6 % de la producción

europea se realiza mediante vía húmeda.

En todos los casos, los gases circulan en sentido contrario al avance de los materiales

(contracorriente). El flujo de los gases está forzado mediante aspiración de un ventilador o exhaustor

situado aguas abajo del horno, que mantiene todo el horno a presión inferior a la atmosférica

(depresión).


Figura 5.2 - Balance de masas para fabricación de 1 t de cemento. Fuente: Oficemen.

La fabricación de cemento es un proceso intensivo en energía. En función de las materias primas y

el proceso de fabricación, el consumo de combustibles en el horno de clínker se sitúa entre 3000

y 5500 MJ/t - de clínker (700 – 1300 kcal/kg).

Los combustibles utilizados tradicionalmente son el carbón, el coque de petróleo y el fuelóleo.

En la Tabla 5.1 se refleja la evolución del consumo de combustibles en la industria española del

cemento en el periodo 1994 – 2000.

N2 1.550 kg CO2 700 kg (descarbonatación + combustión)O2 250 kgH2O* 50 kgNOx, SO2 < 5 kg -- Exceso enfriamiento Clinker

Yesoadiciones (2.4)Aire

90 kgCombustible

1.200 kgCrudo 1.000 kg

Cemento800 kgClinkerHORNO CLINKER

MOLINOCEMENTO

200 kg

2.000 kg combustión+

exceso enfriador Clinker

* Acompañan a la emisión del horno la humedad de la materiaprima en forma devapor de agua evaporadaa la molienda de crudo (50 - 150 kg) que se suman alH 2 O de combustión.

Relación Clinker/Cemento = 0,8Consumo energético = 850 kcal/kg ClinkerCombustible Potencia Calorífica = 7.500 kcal/kg


1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

HULLA NACIONAL 29.152 4.688 11.526 8.220 8.234 6.034 5.088

HULLAIMPORTACIÓN

717.391 458.910 447.238 317.131 338.247 287.440 294.566

ANTRACITANACIONAL

12.083 904 2.148 1.299 5.614 10.192

ANTRACITAIMPORTADA

4.486 1.272 15.396 10.270 1.621

LIGNITOS 312

COQUE NACIONAL 345.839 294.351 195.832 290.447 450.888 571.995 685.892

COQUEIMPORTADO

1.387.616 1.822.345 1.887.965 2.072.181 2.110.870 2.180.233 2.085.326

ALTERNATIVOS 17.294 17.442 3.474 7.343 7.972 23.584 20.099

FUEL OIL (t) 69.294 58.121 51.691 54.470 122.405 82.670 64.120

GASOLEO (l) 7.852.850 7.790.236 5.327.701 4.997.407 4.740.202 4.747.102 5.792.073

GAS NATURAL (m3) 2.118.258 3.683.212 3.555.419 5.085.595 3.667.083 4.278.294 5.238.804

ALTERNATIVOS (t) 5.400 4.526 7.600 16.237 19.240

Tabla 5.1 – Consumo de combustibles en la industria española del cemento

El consumo de energía eléctrica se destina en su mayor parte a las operaciones de molienda, tanto

de las materias primas previo a su cocción, como en la molienda conjunta del clínker y otros

minerales para dar lugar al cemento. Estas dos operaciones suponen aproximadamente el 75 % de

la electricidad consumida en la fábrica; el resto se emplea en transporte de materiales y en impulsión

de gases. El consumo total se sitúa aproximadamente entre 90 y 120 kWh/t de cemento, en función

de la tecnología utilizada y del tipo de cemento fabricado.


Los costes energéticos de combustible y energía eléctrica suman más del 30 % de los costes de

fabricación, por lo que la reducción del consumo de energía y la diversificación de las de las fuentes

energéticas son factores clave para la competitividad de las empresas cementeras.

Los esfuerzos de reducción del consumo de combustibles en la fabricación de cemento se han

centrado en dos líneas de trabajo:

- Mejorar el rendimiento energético mediante la modernización de las instalaciones y con el

desplazamiento de la producción hacia hornos de mayor tamaño y eficiencia (pe: en el año

1975, la industria española del cemento disponía de 143 hornos, con una capacidad total de

cerca de 30 millones de toneladas de clínker; en 1999 la industria española dispone de 58

hornos, con una capacidad de algo más de 30 millones de toneladas de clínker).

- Modificar la composición del cemento para incorporar en la fase de molienda otros materiales

activos distintos del clínker. Estos materiales, denominados adiciones, incluyen las cenizas

volantes de centrales térmicas, la escoria siderúrgica de horno alto y otros materiales

especificados en normas europeas.

En las últimas dos décadas, la industria europea del cemento ha reducido el consumo de energía para

la fabricación de 1 tonelada de cemento en aproximadamente un 30 %. La reducción de la intensidad

energética del cemento se encuentra ya en una fase asintótica. No será posible obtener en el futuro

los mismos niveles de mejora del pasado, puesto que el margen de maniobra ha quedado ya muy

reducido, inferior al 5 % de acuerdo con estudios de la Comisión Europea (COWIconsult 1993).

En relación con el consumo de electricidad, los esfuerzos en la mejora de la eficiencia energética se

centran en la modernización de los equipos de molienda, con sistemas de separación más eficientes,

y en la instalación de equipos de transporte mecánicos en substitución de los sistemas neumáticos.

La combustión en el horno de clínker tiene lugar en una o dos zonas, en función de la tecnología

empleada:

- En el mechero principal, presente en todos los hornos, situado en la parte más baja del horno

rotatorio. La llama alcanza una temperatura cercana a los 2000 º C. Los gases de combustión

se mantienen a más de 1200 ºC durante un tiempo superior a 5 segundos, en atmósfera

oxidante.

- En la zona del horno en que se produce la descarbonatación de la caliza (calcinación), en la

que la combustión se realiza a temperaturas cercanas a los 1200 º C, manteniéndose una

temperatura superior a 850 º C durante unos 3 segundos.


La ubicación concreta de la segunda zona de combustión varía para distintas tipologías de hornos:

- Los hornos más modernos disponen de cámaras de combustión en la parte baja de la torre

de ciclones (precalcinador), donde se realiza la combustión con aporte de aire caliente

proveniente del enfriador de clínker (figura 5.3). Algunos hornos disponen de precalcinador

sin aporte de aire terciario, por lo que la combustión se realiza con el exceso de oxígeno

proveniente del mechero principal.

- En hornos vía seca que no disponen de precalcinador o en hornos vía semiseca o

semihúmeda, la combustión puede realizarse en la primera zona del horno rotatorio. Este

sistema está especialmente indicado para combustibles densos y alimentados en tamaños

relativamente grandes (pe.: neumáticos enteros o troceados, figura 5.4).

- En hornos vía húmeda o en hornos largos, la alimentación de combustibles alternativos puede

realizarse en una zona adecuada del horno rotatorio (sistema patentado ‘Mid Kiln’, figura 5.5).

La apertura realizada en el horno rotatorio y el sistema de compuertas permite que se pueda

alimentar combustible en cada rotación del horno.

Figura 5.3 – Esquema de horno con precal cinador e intercambiador de ciclones


Figura 5.3 (Continuación)

Figura 5.4- Alimentación de neumáticos troceados al horno.

1 m i n

0

400

800

1200

1600

2000

TIEMPO DE RETENCIÓN DEL GAS

TIEMPO DE RETENCIÓN DEL MATERIAL

1 0 s 1 0 s 3 s 1 0 s 1 s

30 min30 min

Fi l t ro I n t e r c a m b i a d o r

P r e c a l c i n a d o r

Horno Enf r iador

PERFILES DE TEMPERATURA

M0,65 x 60,3 m , 1 m/s

21º

Capacidad: 185 m3

20 kg/min = 1,2 t/h

P r e -

c a l e n t a d o r

M

0,8 x 0,4 m

1.500 t/d 3.270 kJ/kg

- 20 % Combustible sustituido- CV de Neumáticos troceados = 29 MJ/kg


Figura 5.5- Esquema de funcionamiento del sistema “ MID KILN”. Fuente: HISALBA 1998

Rotat

ion

Flap closed

Loading position for tire

Free opening 0,33 x 0,91 m

Flap openstire discharged

3 , 6 6 m

Loading position for tire


En las condiciones de combustión descritas, los compuestos orgánicos contenidos en los residuos

son destruidos, dando como resultado la formación de CO2 y H2O. La energía liberada en la

combustión se aprovecha en el proceso de fabricación de clínker.

En el caso de que el residuo contenga cloro o azufre, la combustión generará gases ácidos como el

cloruro de hidrógeno y el óxido de azufre. Estos gases son neutralizados y absorbidos por la materia

prima, de naturaleza alcalina. Las sales inorgánicas formadas se incorporan al clínker.

Los metales, igual que ocurre con todos los demás elementos químicos, no se destruyen en los

hornos industriales. Los metales incorporados al horno de cemento a través de las materias primas

o de los combustibles estarán presentes en el clínker o en las emisiones a la atmósfera.

Los numerosos estudios realizados sobre el comportamiento de los metales han demostrado que son

retenidos mayoritariamente en el clínker. Salvo para metales relativamente volátiles como el mercurio

y el talio, la retención alcanza cifras muy próximas al 100%, lo que garantiza que los metales emitidos

a la atmósfera respetan rigurosamente los límites de emisión más estrictos.

Por otra parte, los combustibles alternativos pueden aportar minerales que contribuyan a formar los

compuestos del clínker. Los neumáticos usados, por ejemplo, además de energía aportan hierro para

la composición del clínker. En este caso, además de la valorización energética, la materia prima

contenida en el residuo se recicla en el clínker.

La utilización de residuos y subproductos como combustibles alternativos no debe perjudicar el

comportamiento ambiental de la instalación ni dificultar la operación de la fábrica o afectar a la

calidad del cemento.

Las limitaciones en cuanto a los tipos de residuos derivan de los considerandos anteriores.

El contenido en cloro en el cemento está limitado al 0,1 % en peso, por los que debe garantizarse

que el empleo de combustibles alternativos permite cumplir con esta limitación.

Por otra parte, ya se ha comentado que los metales más volátiles (Hg, Tl) escapan a la acción del

horno y son emitidos en parte a la atmósfera. Su contenido en los combustibles alternativos debe ser


por tanto objeto de vigilancia y control.

Tampoco pueden tratarse residuos radioactivos. Aunque no hay limitaciones tecnológicas que lo

justifiquen, las empresas cementeras son reacias a utilizar residuos orgánicos de origen sanitario u

hospitalario.

La Tabla 5.2 refleja el consumo de combustibles alternativos en la industria española del cemento

en el periodo 1992 – 2000. Como se puede observar, el crecimiento es progresivo aunque lento.

1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

COMBUSTIBLES SÓLIDOS:

MADERA (ASTILLAS) 3.474 3.321 491 3.578 1.832

NEUMÁTICOS 2.101 3.246 12.175 12.900

SERRIN 1.921 4.235 7.831 5.367

OTROS 23.661 21.269 17.294 17.442

COMBUSTIBLES LÍQUIDOS:

ACEITES USADOS 5.400 4.526 7.600 10.971 8.825

LÍQUIDOS ALTERNATIVOS

(mayoritariamente disolventes)

5.266 10.145

Tabla 5.2- Consumo de combustibles alternativos en la industria del cemento. Fuente: Oficemen.

Las autoridades ambientales competentes establecen en los permisos las limitaciones en cuanto a

composición y cantidad de residuos, de forma que se garantice la compatibilidad ambiental de la

actividad.

La utilización de residuos y subproductos como materia prima o como combustible alternativo aporta

dos ventajas fundamentales:

- Por una parte, asocia la industria del cemento a la solución de problemas medioambientales

de la sociedad a la que sirve y en el seno de la cual realiza su actividad.

- Por otra parte, la reducción de costes de fabricación derivada del ahorro en la obtención de

materias primas y de combustibles alternativos más económicos permite mejorar la

competitividad de la industria.


No obstante, debemos tener siempre presente que el objetivo prioritario de la industria del cemento

es:

- fabricar un material básico de construcción de calidad y a buen precio;

- protegiendo la seguridad y salud de quienes trabajan en la fábrica y de quienes viven cerca de

ellas;

- garantizando a su vez que se beneficia al medio ambiente en su conjunto.

Es por ello que la utilización de residuos en las fábricas debe responder a los siguientes criterios:

- Suponer un beneficio medioambiental, solucionando la gestión de algunos tipos de residuos

y reduciendo las emisiones de contaminantes.

- Garantizar la seguridad de los trabajadores y de las personas en el entorno de la fábrica.

- Ser totalmente compatible con la calidad del cemento y la operación de la instalación.

- Garantizar que el cemento no verá mermada su compatibilidad ambiental.

5.1.2 Conclusiones de estudios previos

En 1999 Oficemen participo en el proyecto “Valorización Energética de residuos de Vehículos Fuera

de Uso”. En dicho Proyecto se realizaron pruebas de valorización de Residuo Ligero de

Fragmentación (RLF) de Vehículos Fuera de Uso (VFU) en las plantas cementeras de Jerez

(HISALBA, S.A.) y Lemona (CEMENTOS LEMONSA, S.A.). Las principales conclusiones se

resumen a continuación.

Los problemas técnicos, en particular, los referentes a la trituración y alimentación del RLF, pueden

ser solventados invirtiendo en los equipos adecuados. El análisis comparativo medioambiental podría

resumirse como se indica en la tabla 5.3.

TECNOLOGÍA RENDIM. EMISIONES

ATMOSFÉRICAS

AGUAS

RESIDUALES

RESIDUOS

SÓLIDOS

VALORIZACIÓNENERGÉTICA ENCEMENTERA DE RLFde VFU

Alto: Se empleaenergíatérmica

No cambian significativa-Mente por el empleo de RLF,siempre que se controlencontenido en C1 y en metalesvolátiles

No se generan aguasresiduales

No se generan: losmetales se combinancon el clinker

Tabla 5.3 – Características de la valorización energética de RLF en cementera


Las plantas cementeras aparecen como la alternativa menos costosa y con menos riesgo ya que las

inversiones necesarias para su adaptación a la valorización de estos residuos son sustancialmente

menores que las requeridas para la puesta en marcha de nuevas instalaciones de valorización

energética.

Con esta iniciativa, se dio el primer paso para el cumplimiento de las futuras directrices europeas al

alcanzar el objetivo de conocer la viabilidad económica y la problemática técnica que se da al

valorizar energéticamente parte de los residuos provenientes de vehículos fuera de uso. Además, se

fomentó que empresas y asociaciones trabajen conjuntamente con vistas a un mayor y mejor

reciclado de los vehículos al final de su vida útil, convirtiendo lo que para unos es un residuo en lo

que para otros es un combustible limpio, y contribuyendo así a la protección del medio ambiente.

5.1.3 Experiencia actual en España.

a) Utilización de neumáticos y residuos líquidos en Hisalba-Lorca.

Información General.

La fábrica de cemento de Lorca, objeto del presente estudio, es una de las cinco plantas de

“Hisalba”, compañía perteneciente al grupo cementero “Holderbank”, primer fabricante mundial de

cemento. Está situada a 3,5 km de la ciudad de Lorca de la Región de Murcia en el sureste de

España y comenzó a operar en el año 1967 empleando fuel oil como único combustible.

En los años 80, a raíz de la crisis del petróleo, empezó a consumir hulla como combustible habitual

y a finales del año 1989 se comenzó a utilizar una mezcla de coque de petróleo y hulla. Desde 1991,

consume combustibles alternativos, siendo pionera en la valorización de residuos en España.

Información Técnica.

El proceso inicialmente era de tipo semiseco (gránulos), con un horno de dimensiones 4,4 m de

diámetro y 146 m de longitud y una producción de 900 t/día... En 1969 se suprimen los platos

granuladores por una etapa de ciclones y se montan 20 metros de guirnaldas de cadenas para el

intercambiador térmico. La producción aumenta así a 1.200 toneladas/día.


En 1974, se realiza la transformación del horno, colocando un intercambiador de dos etapas

(Polysius) y se acorta el horno, dejándolo en 116,5 m. Con esta modificación, la producción pasa

a ser de 1900 t/día.

El consumo calorífico específico del horno se sitúa, a Mayo de 1999, en 3.890 KJ/Kg de clinker,

y el de energía eléctrica en 69,62 kWh/t de clinker.

El combustible tradicional que se emplea es una mezcla de coque y carbón. También se utiliza fuel

oil en la fase de arranque del horno.

Se emplean actualmente tres tipos de residuos: aceites usados, disolventes y neumáticos enteros. De

los 3 tipos de residuos que en la actualidad valoriza la fábrica, 2 de ellos son de tipo líquido (los

aceites y los disolventes) y el otro es sólido (los neumáticos enteros). Los aceites usados han de tener

un punto de inflamación superior a 55ºC y un contenido en PCBs inferior a 50 ppm.

Los disolventes deben tener un punto de inflamación superior a –10ºC, un contenido en cloro inferior

a 1% y un poder calorífico inferior comprendido entre 1.500 y 11.500 Kcal/Kg. Su viscosidad a

20ºC ha de ser menor de 100 cps.

Las cantidades anuales de combustibles alternativos empleados han ido aumentando desde 1991 año

en el que se empezó con aceites usados. Cinco años más tarde se comenzó a valorizar disolventes

y en 1998 se inició la alimentación de neumáticos enteros (figura 5.6)


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Ton

elad

as

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

Aceite

CLS:

Neumáticos

Total anual

Figura 5.6- Evolución del consumo de combustibles alternativos desde 1991.

Instalaciones de almacenamiento, manipulación y pretratamiento.

Aceite: La instalación de aceites usados está constituida por dos tanques de almacenamiento y los

correspondientes equipos de descarga y alimentación al horno.

Disolventes: Se trata de una instalación para líquidos inflamables formada por 2 tanques de

almacenamiento inertizados con nitrógeno.

Neumáticos: La instalación de neumáticos enteros, única en su género en España, consta de una

etapa de almacenamiento y clasificación, un sistema de alimentación y regulación y, finalmente, un

dispositivo de inyección en el horno.

La introducción de los neumáticos en el horno se realiza a través del MID-KILN, dispositivo

colocado aproximadamente a la mitad de la longitud de aquél (de ahí su nombre) en la zona de

calcinación, a razón de un neumático por revolución. La instalación tiene la posibilidad de valorizar

otros residuos realizando pequeñas modificaciones: bidones, balas, plásticos, etc.


Alimentación al Horno.

Los disolventes y los aceites usados se bombean por medio de instalaciones al efecto y se introducen

al interior del horno por el quemador principal en su zona central a través de conducciones

independientes, mientras que el carbón molido se introduce en la zona exterior de la tobera y forma

la llama principal (figura 5.7)

Figura 5.7- Representación gráfica de la alimentación del horno

Los neumáticos se alimentan al horno a través de una válvula que se encuentra a 59,5 m desde la

torre del intercambiador.

El sistema de alimentación va fijado a la virola del horno y se compone de una horquilla, que recoge

el neumático o la carga que se desee a su paso por la horizontal y de una clapeta accionada por levas

cuya apertura vertical se produce cuando el MID-KILN está en posición alta del movimiento de

rotación del horno.

La clapeta va unida a un tubo de inmersión de acero refractario que penetra en el interior del horno,

cuya función es evitar el contacto directo del material a alta temperatura con aquélla.

Aspectos Medioambientales.

La utilización de residuos como combustibles alternativos está sujeta a las preceptivas autorizaciones

administrativas y a los controles ambientales más estrictos que figuran en los permisos de gestión

correspondientes.


Existe un sistema de medición en continuo de las emisiones con indicación en la sala de control y

actuación simultanea sobre la regulación del horno y las instalaciones de alimentación.

De la experiencia acumulada se deduce que el uso de combustibles alternativos no tiene un efecto

apreciable sobre las emisiones del horno.

Los límites de emisión de la fábrica y los valores medidos se recogen a continuación en la Tabla 5.4.

ELEMENTO LÍMITES DE EMISIÓN

(mg/Nm3)

VALORES MEDIOS DE EMISIÓN

(mg/Nm3)

Partículas 122 <80

SO2 1930 <100

NOx 1200 <1100

CO <350

HCI 82 <15

COT 122 <50

Tabla 5.4 – Límites de emisión de la fábrica y valores medios de emisión. Fuente: Oficemen.

Por los valores observados en la tabla, y que son datos públicos, se puede comprobar que en

ninguno de los tipos de emisiones se supera el valor referencia que se estipula por ley.

Inversiones.

Las instalaciones de valorización de residuos cumplen con las condiciones requeridas en las

respectivas autorizaciones en cuanto a accesos, carga y descarga, alimentación en depósitos fijos,

redes de evacuación de aguas, características complementarias, protección del suelo, destino de

efluentes líquidos, destino de los residuos, normas de seguridad y demás requisitos.

Todo ello ha requerido importantes inversiones que en la fábrica de Lorca han ascendido

aproximadamente a 2.5 millones de euros.

b) Utilización de neumáticos usados en LEMONA.

Información general.

Con el objeto de valorizar un residuo como los neumáticos usados, se constituyó la empresa

Neuciclaje, S.A., que es la propietaria de la planta objeto de este caso estudio. Esta empresa está


participada por dos compañías del sector cementero, una compañía dedicada a la recogida y

tratamiento de neumáticos usados y una ingeniería especializada en gestión del medio ambiente.

La recogida de estos neumáticos se realiza en el País Vasco y en zonas limítrofes pertenecientes a

otras Comunidades Autónomas (Cantabria, Navarra, Castilla y León, etc.) cuando los costes de

recogida lo justifican.

La planta de tratamiento de neumáticos está situada en la localidad de Zamudio (Vizcaya) por ser

éste un punto estratégico para suministrar neumático troceado a la fábrica de Cementos Lemona,

S.A., en la localidad del mismo nombre y a la fábrica de Financiera y Minera, S.A., ubicada en

Arrigorriaga (Vizcaya).

Con la utilización de neumático fuera de uso (NFU) en cementera se consigue un doble objetivo:

- Por una parte se trata un residuo altamente contaminante, con una valorización del mismo

carácter energético, ya que su alto poder calorífico así lo permite.

- Por otro lado se reduce el consumo de combustibles fósiles importados, disminuyendo de esa

forma la dependencia energética.

Información Técnica.

Aunque las instalaciones de fabricación del cemento llevan funcionando una gran cantidad de años,

se han ido realizando diferentes inversiones para actualizar la tecnología utilizada.

El proceso empleado es de vía seca, con funcionamiento completamente automatizado mediante un

sistema de control adaptativo – predictivo, lo cual reduce considerablemente el consumo energético

de la instalación, ya que permite trabajar en las condiciones óptimas para la carga que en cada

momento tenga el horno.

El aprovechamiento de 15000 t/año de neumáticos fuera de uso permite un ahorro de energía

primaria de 11000 tep/año.

Por otra parte, el consumo específico en fábrica para moler carbón puede alcanzar 40 kWh/T,

mientras que el consumo específico en planta para trituración de neumáticos es de 29,4 kWh/t. El

ahorro energético producido en la trituración es lógicamente proporcional a la cantidad de

combustible sustituido.

El combustible tradicional que se emplea es una mezcla de choque de petróleo y carbón de hulla,


además de fuelóleo, este último, sobre todo, en los arranques del horno.

Se emplean actualmente neumáticos troceados a un tamaño de 100 mm x 100 mm. Alimentados en

el precalcinador del horno. La planta de granulación de neumáticos tiene una capacidad de diseño

de 15000 t/año, funcionando 1.500 horas/año (10 t/hora).

La armadura metálica de los neumáticos se mantiene dentro de los gránulos al trocearlos,

incluyéndose por tanto en la alimentación al horno. Con esto se obtiene un beneficio adicional, que

es el aporte de hierro al clínquer.

Los neumáticos fuera de uso (NFU) llegan a la planta de trituración donde son troceados a un

tamaño de 100 mm. X 100 mm. De allí se distribuyen a las dos fábricas de cemento donde se

almacenan para su posterior introducción como combustible en el horno.

En la propia fábrica de cemento existen instalaciones para el almacenamiento controlado de

neumáticos ya troceados y elementos para la manipulación y alimentación al horno.

Se dispone de medios adecuados de análisis y control de emisiones, así como de sistemas de pesaje

del neumático y dosificación del mismo en la alimentación al horno.

Alimentación al horno.

Los neumáticos troceados se alimentan al horno en el precalcinador.

Aspectos medioambientales.

La utilización de neumáticos fuera de uso (NFU) como combustible en esta planta supone alcanzar

la valorización de 15.000 t/año de neumáticos fuera de uso.

La utilización de estos residuos permite la gestión controlada de neumáticos acumulados en

vertederos, que de otra manera suponen un grave problema ambiental.


Inversiones.

La inversión total realizada para este proyecto fue de 1,25 Millones de euros. Se obtuvo una

subvención del Plan de Ahorro y Eficiencia Energética del Ministerio de Industria y Energía

(España) de 220000 Eur.

5.2 PIROLISIS

El proceso de pirólisis seguido de combustión ó gasificación está considerado como el método más

atractivo y práctico para la generación de energía a partir de los residuos sólidos orgánicos que

generan los vehículos a lo largo de su vida útil.

Aunque, recientemente, están adquiriendo especial relevancia los residuos sólidos procedentes de

los talleres de reparación y desguace, los más característicos son los neumáticos fuera de uso (NFU)

y los procedentes del fragmentado de los vehículos al final de su vida útil (DFV).

La pirólisis de estos residuos hidrocarbonados puede ser interpretada como una degradación térmica

incompleta, generalmente en ausencia de aire, resultando de este proceso una serie de productos

tales como líquidos condensables o tar, un compuesto sólido combustible ó char y gases

incondensables, acompañados de ciertos materiales inertes y restos metálicos que no pudieron

separarse en fases anteriores de preparación y/ó recuperación y que no sufren transformación alguna

en el proceso.

Se han realizado numerosos estudios, tanto a nivel de laboratorio como a escala industrial en plantas

piloto, previos a su implantación en plantas de producción para investigar los parámetros cinéticos

que regulan la pirólisis de estos residuos.

Las primeras investigaciones se centraron en el estudio de la pirólisis del caucho natural NR y en la

de ciertos elastómeros de síntesis BR, principales componentes de la formulación de los neumáticos,

encontrándose que cada uno de estos compuestos sufre, independientemente de los otros, una

degradación térmica irreversible de primer orden.

Recientemente, Chen y Yeh (1997) investigaron la pirólisis del elastómero de síntesis SBR (Stirene-

Butadiene Rubber), principal integrante de la formulación actual de los NFU, utilizando nitrógeno

como gas envolvente con diferentes contenidos de oxígeno. En sus trabajos establecieron, variando

el contenido de oxígeno en el gas envolvente entre el 0 y el 20%, para la energía de activación


aparente y el factor de frecuencia valores comprendidos entre 211 kJ mol-1 > EA > 153 kJ mol-1

y entre 1,32 x 1014 > A > 5,75 x 108 min-1, respectivamente, con reacciones de orden 0,6 a 0,8.

Es decir, que al aumentar el contenido de oxígeno en el gas envolvente, nitrógeno, disminuyen la

energía de activación de la reacción y el factor de frecuencia y crece el orden de la reacción.

Otros investigadores han centrado su atención en las pérdidas de peso y en la velocidad de pérdida

de peso normalizada durante la pirólisis de estos compuestos, deduciendo a partir de datos

experimentales las curvas SWLP y NWLR que definen estos parámetros como función de la

temperatura del proceso y del tiempo de calentamiento.

En los epígrafes siguientes se estudian, como proceso básico para la valorización energética, la

pirólisis de las mezclas NR, BR y SBR bajo el nombre genérico de “caucho”, y de la mezcla de

fibras, ambos integrantes de los diversos residuos de los VFU y se hace un apartado específico para

la pirólisis de los residuos de fragmentadora.

Además, se presenta un modelo cinético teórico de la pirólisis de estos residuos, mediante el cual

y en función de su formulación y las condiciones del tratamiento, se pueden deducir los parámetros

cinéticos de la pirólisis y simular sus características, permitiendo validar los resultados con los datos

experimentales que se extraigan de las pruebas a realizar, con posterioridad, en planta piloto.

Finalmente, se han analizado las actuales tendencias en la valorización energética de estos residuos,

considerando la pirólisis como una fase preparatoria de su tratamiento finalista. En este apartado, han

tomado especial importancia la pirólisis seguida de la combustión de los gases, en un proceso

denominado termólisis, y la gasificación, para producción de combustibles, en aquellos residuos que

en la fase de pirólisis se generan gases y vapores con un contenido significativo de PAH´s.

5.2.1 Descripción de la tecnología

Los residuos NFU y DFV utilizados, son materiales convencionales, cuya caracterización es

conocida y procede de empresas colaboradoras en el proyecto. Este material fue recogido durante

un estudio de caracterización realizado con anterioridad. La caracterización física de este material

se muestra en la Tabla 5.5.


% en peso Caucho Fibras DFV (sd) DFV(d)

Volátiles 64,20 80,00 54,60 63,30

Carbono fijo 27,80 5,20 6,10 7,40

Cenizas 7,00 12,30 36,90 26,90

Humedad 1,00 2,50 2,40 2,40Tabla 5.5 Caracterización de residuos. Análisis Inmediato. Fuente: Novafin.

Las características físicas, químicas y térmicas de los residuos son esenciales para la comprensión

de su comportamiento en el proceso de pirólisis. Los residuos del caucho de los neumáticos han sido

asimilado a partículas esféricas de diámetro variable después de un proceso de trituración con ó sin

enfriamiento criogénico previo. Las dimensiones consideradas han sido:

- de 1.18 a 2.36 mm (8-16 mesh);

- de 1.00 a 1.18 mm (16 mesh);

- de 0.50-0.60 mm (30 mesh) y

- de 0.355-0.425 mm (40 mesh).

Las fibras fueron extraídas durante el proceso de producción del polvo de caucho de los neumáticos

usados NFU, y los residuos DFV corresponden a dos muestras de residuos procedentes del

fragmentado de vehículos sin descontaminar, la primera, y descontaminados la segunda.

El proceso de pirólisis de estos residuos NFU, comprende la serie de reacciones que regulan la

degradación y descomposición térmica de sus componentes mediante el craqueo, volatilización, en

atmósfera inerte y, fundamentalmente, en ausencia total de oxígeno para evitar cualquier tipo de

reacción de combustión parásita.

En estas condiciones los residuos no arden, pero liberan sus componentes iniciales, dando lugar a

la formación de gases, líquidos y aceites pirolíticos y un residuo sólido carbonoso. Los parámetros

cinéticos a considerar en el proceso de pirólisis son los siguientes:

- Velocidad de calentamiento.

- Temperatura inicial hasta alcanzar el régimen estacionario.

- Temperatura de proceso en régimen estacionario.

- Tiempo de reacción.

- Velocidad de pérdida de peso.


- Energía de activación aparente.

- Factor de frecuencia.

- Presión de trabajo.

Cuando se consideran como parámetros principales del proceso la velocidad de calentamiento y la

presión de trabajo, los procesos de pirólisis se pueden clasificar:

Pirólisis lenta a presión atmosférica ó superior (objetivo à sólido): Este proceso es muy antiguo

y ha recibido también el nombre de carbonización, ya que tenía como meta la producción de carbón

vegetal. La velocidad de calentamiento es inferior a 2ºC/s y la temperatura no supera los 400-

500ºC.

Pirólisis a presión reducida (objetivo à líquido). Cuando la pirólisis se realiza a presión próxima

al vacío y una alimentación en lotes (“batch”), los productos volatilizados no permanecen nada más

que algunos segundos en el reactor, con lo cual se evitan las reacciones intermedias que pueden

configurar la presencia de radicales alquílicos en estado de vapor. Esta técnica conduce, pues, a una

mayor proporción de líquidos que la anterior. Por esta razón se la suele llamar “destilación seca”.

Pirólisis flash (objetivo à gas ). El tiempo de residencia de los gases en el reactor es pequeña,

generalmente inferior al segundo. Este proceso utiliza una tecnología muy depurada ya que requiere,

además de realizarse en un rango de temperaturas entre los 400ºC-700ºC y un coeficiente de

transferencia de calor suficientemente alto, un desarrollo en atmósfera inerte. En este proceso se

producen fundamentalmente gases, por lo cual se puede hablar de una gasificación no oxidante. Con

el término “Termólisis”, se denomina el proceso de pirólisis tipo flash, de carácter alotérmico, en

ausencia de oxígeno y una presión que puede oscilar entre los 50 y 500 milibares

Las reacciones químicas implicadas en este proceso, están condicionadas por los factores siguientes:

- Características de los residuos entrantes.

- Composición química y contenido en agua.

- Parámetros cinéticos.

- Condiciones de operación tales como temperatura y presión.

- Modelización del reactor y cálculo del tiempo de residencia.

Dependiendo del tiempo de residencia en el reactor y del rango de temperaturas del proceso, los


productos que se generan evolucionan hasta componentes más estables. En general, a medida que

aumenta la temperatura de trabajo, la fracción de gases también aumenta, en detrimento de la

fracción de líquidos.

El proceso estándar desarrollado en la actualidad, establece un tratamiento en continuo mediante

calentamiento de los residuos en una atmósfera de gas nitrógeno, con un rango de temperaturas de

200ºC a 750ºC, según los residuos, con velocidades de calentamiento controladas de 10º, 30, 45

y 60ºC min-1 y un tiempo de residencia menor de 1 hora a la máxima temperatura del rango. La

selección del peso de residuo a alimentar por unidad de tiempo, está basada en las condiciones de

velocidad de calentamiento óptima para cada tipo de residuo.

El porcentaje de pérdida de peso del residuo a tratar ó SWLP, la temperatura del proceso y el

efecto del calentamiento ó coeficiente de transferencia de calor, se consideran variables dependientes

del tiempo de calentamiento. De esta manera, los valores de la variable SWLP son una función de

la temperatura del proceso y del tiempo del calentamiento. A partir del SWLP se puede obtener el

ratio normalizado de pérdida de peso durante el proceso. El parámetro velocidad de pérdida de

peso normalizada ó también NWLR se puede obtener mediante diferenciación con respecto al

tiempo el cual es, a su vez, una función de la temperatura de la muestra y de la velocidad de

calentamiento

a) Pirólisis de la goma de neumáticos

En la figura 5.8 se muestran las típicas curvas DTG obtenidas en la pirólisis del caucho de los

neumáticos, con un gránulo de 40 mesh, y diferentes velocidades de calentamiento que oscilan de

los 10ºC min-1 a los 60ºC min-1, respectivamente.

Figura 5.8- Velocidad de pérdida de peso normalizada en función de la temperaturaCaucho de neumáticos NFU en gránulos.


En la figura 5.9 se muestran las curvas DTG obtenidas con una velocidad de calentamiento de 10ºC

min-1. Es interesante notar que la curva DTG correspondiente exhibe tres diferentes regiones NWLR

sobre un rango de temperatura de 150-600ºC. Estas características pueden ser debidas al hecho

de que los componentes principales de los neumáticos usados son caucho natural (NR), caucho de

síntesis estireno-butadieno (SBR), caucho sintético de butadieno (BR) o cualquier combinación entre

ellos, con mezclas, aceites, plastificantes y aditivos como componentes menores.

Todos estos componentes pierden su peso con diferente velocidad y a temperaturas diferentes. En

función de las temperaturas de evaporación, deducidas teóricamente de los grafos de los

hidrocarburos presentes en la composición del residuo, se puede deducir que los distintos integrantes

en el polvo de neumático se evaporan antes que la temperatura alcance los 150ºC. En el rango de

temperaturas de 150ºC a 350ºC los aceites, plastificantes, y los aditivos se pierden. La pérdida de

NR, SBR y BR ó sus respectivas combinaciones en el rango de temperaturas de 340-550'C ofrece

dos picos en la curva NWLR cerca de los 380ºC y 450ºC.

Figura 5.9- Velocidad de pérdida de peso normalizada en función de la temperatura.Caucho deneumáticos NFU en gránulos de diferentes tamaños

La tabla 5.6 muestra los valores que toman los parámetros del proceso de la pirólisis del caucho de

los neumáticos NFU según los diferentes rangos de temperatura del proceso.


Velocidad de

calentamiento

Dimensión

del gránulo

Temp. de

proceso

Tiempo de

reacción

NWLR

pico1

NWLR

pico2

PERDIDA

DE PESO

30 30 520 8,5 0,3107 0,1819 63,71

40 520 8,5 0,3299 0,1700 61,41

45 30 545 5,5 0,4942 0,2736 63,62

40 525 5,5 0,5216 0,2487 61,73

60 30 545 4,2 0,7729 0,3485 63,42

40 545 4,2 0,7804 0,3313 60,52Tabla 5.6 - Parámetros cinéticos de la pirólisis de NFU. Gránulos de caucho

En los trabajos sobre la pirólisis de los compuestos NR, BR y SBR, Liu, Thang y Zheng (Handbook

of Rubber Industry – 1992) encontraron que la velocidad máxima de pérdida de peso del NR se

establece a una temperatura próxima a los 370ºC, la del BR entre los 372ºC y los 460ºC y la del

producto SBR entre los 372ºC y el rango 429-460ºC según condiciones de proceso. Estos

resultados indican que los tres materiales principales de la formulación del caucho de los neumáticos

NFU, contribuyen a la pérdida de peso del residuo mezcla, siempre que el rango de temperatura

varíe entre los 370ºC a 460ºC, lo cual concuerda con los datos que se muestran en la Tabla 5.6.

En el cálculo de los parámetros cinéticos de la pirólisis de NR, BR y SBR con una velocidad de 10º

C min-1 se obtiene que la energía de activación es 207, 215 y 152 kJ mol-1 y el factor de frecuencia

es 2,36 x 1016, 6,32 x 1014 y 4,15 x 1010 min-1 para el NR, BR y SBR, respectivamente, los cuales

son ligeramente más altos, debido al efecto mezcla de los tres compuestos, que los obtenidos en la

pirólisis de los gránulos de caucho de los neumáticos fuera de uso NFU, según se muestra en la

Tabla 5.3.

NIVEL DE BAJA TEMPERATURA NIVEL DE ALTA TEMPERATURA

Rango de

temperaturas

Energía de

activación

Factor de

frecuencia

Rango de

temperaturas

Energía de

activación

Factor de

frecuencia

Velocidad de

Calentamiento

(ºC) (kj mol-1) (min-1) (ºC) (kj mol-1) (min-1)

10 300 420 164,5 6,29 x 1013 350 500 136,1 2,31 x 109

30 310 440 180,9 1,32 x 1014 370 510 133,6 2,09 x 109

45 320 470 203,4 7,58 x 1015 400 540 107,0 3,34 x 107

60 320 480 218,7 1,13 x 1017 410 540 99,1 1,02 x 107

Tabla 5.7 - Parámetros cinéticos de los NFU. Caucho de neumáticos

Analizando los resultados obtenidos se deduce que la pérdida de peso total durante la pirólisis del


caucho de los neumáticos fuera de uso es del 60 al 69%, con un porcentaje del 7% debido a los

inertes, plastificantes y aditivos. Del estudio de estos resultados se deduce que:

- La dimensión del gránulo de polvo de NFU, no tiene un efecto relevante en el proceso de

pirólisis.

- La velocidad de calentamiento afecta significativamente a la pirólisis.

- Con la velocidad de calentamiento también aumentan, a) los intercambios (shifts) de la

reacción, en rangos de temperaturas más altos, por ejemplo el inicio y final del incremento de

temperaturas; b) la temperatura correspondiente al valor del de los incrementos de NWLR;

c) sin embargo los incrementos de NWLR y el tiempo de la reacción decrecen fuertemente.

- Durante la pirólisis la energía de activación aparente y el factor de frecuencia de la reacción

de degradación crece con la velocidad de calentamiento, indicando que la descomposición es

mas dificultuosa. Por el contrario, la energía de activación aparente y el factor de frecuencia

de la reacción de craqueo decrece, haciendo más factible la descomposición.

- La pirólisis del caucho de los neumáticos se desarrolla en un rango de temperaturas entre

200ºC a 500ºC.

- Hay algunos solapes (“overlaps”) en el rango de temperaturas, por lo que se asume que estas

las reacciones de degradación y descomposición se desarrollan sin solución de continuidad

(“follow smoothly”).

b) Pirólisis de las fibras de los neumáticos

La figura 5.10. muestra las curvas DTG típicas de la pirólisis de las fibras componentes de los

neumáticos para diversas velocidades de calentamiento.

Fig.5.10. Velocidad de pérdida de peso normalizada en función de la temperatura

La tabla 5.7. muestra con detalle los parámetros del proceso de la pirólisis de las fibras de los


neumáticos. Se ha encontrado que la descomposición térmica sucede en la región de temperaturas

entre 350ºC y 520ºC.

Velocidad de

calentamiento

Temp.

inicial

Temp.

final

Tiempo de

reacción

NWLR Pérdida de peso

pico

Pérdida de peso

total

10 412 510 20,3 0,0167 42,10 82,59

30 445 525 6,7 0,0169 42,49 83,95

45 447 535 4,8 0,0152 34,76 80,00

60 450 535 3,5 0,0219 34,58 81,88Tabla 5.7. Parámetros cinéticos de la pirólisis de NFU. Fibras y otros componentes hidrocarbonados

La tabla 5.8. muestra con detalle los parámetros cinéticos restantes del proceso de la pirólisis de las

fibras de los neumáticos. Se ha encontrado que la descomposición térmica sucede en la región de

temperaturas entre 350ºC y 520ºC.

Velocidad de

Calentamiento

Rango de

Temperaturas

Energía de

Activación (kj mol-1)

Factor de

Frecuencia (min-1)

10 320 – 500 152,00 4,81 x 1011

30 340 – 520 160,70 6,91 x 1011

45 340 – 520 163,80 6,91 x 1011

60 350 – 520 201,10 5,11 x 1014

Tabla 5.8. Parámetros cinéticos de los NFU. Energía de activación. Fibras y otros componentes

El proceso de pirólisis aplicado a la valorización de residuos sólidos orgánicos procedentes de los

vehículos fuera de uso tales como las fibras de los neumáticos y otros materiales hidrocarbonados

presenta las características siguientes:

- La velocidad de calentamiento del residuo afecta, significativamente, a las reacciones presentes

en el proceso.

- Durante la pirólisis de los residuos, a medida que la velocidad de calentamiento crece:

- La reacción se desplaza a un rango de temperaturas superior.

- La temperatura que corresponde al valor pico de NWLR crece.

- Los incrementos de NWLR y el tiempo de reacción disminuyen fuertemente.

- La energía de activación aparente y el factor de frecuencia crecen, lo cual conduce a una


descomposición térmica más difícil y lenta.

- La pérdida total de peso del residuo es del 80 al 84% para la pirólisis de las fibras de los

neumáticos.

- La pirólisis de las fibras se realiza en rangos diferentes de temperatura y se solapan de tal

manera que puede decirse que las dos reacciones se realizan sin solución de continuidad.

Finalmente, la energía de activación aparente y el factor de frecuencia es mayor en la pirólisis de las

fibras que en la de los compuestos de caucho de los neumáticos NFU.

c) Consideraciones finales

Las curvas DTG obtenidas de los datos experimentales de diversos fabricantes suministran una

información válida y extensa sobre el mecanismo y la cinética de la pirólisis de materiales

heterogéneos que integran los residuos procedentes de los VFU, tales como el polvo de caucho de

los neumáticos y las fibras que integran los componentes principales de los neumáticos fuera de uso

NFU.

La pirólisis del caucho de los neumáticos NFU demuestra la existencia de tres rangos de

temperatura, situados entre los 150 a 350ºC el primero, entre los 330 a los 450ºC , el segundo y

entre los 420ºC a los 520ªC el tercero, en los cuales la velocidad de pérdida de peso del residuo

se incrementa .

Por su parte, la pirólisis de las fibras de los neumáticos presenta una sola región en la que se

incrementa la pérdida de peso, que se sitúa en un rango de temperaturas que se extiende entre los

350ºC a 520ºC.

Otro aspecto fundamental es el efecto significativo que tiene la velocidad de calentamiento en el

proceso de pirólisis y combustión. Incrementando la velocidad de calentamiento las regiones de

pérdida de peso se desplazan a rangos de temperaturas más altos y la velocidad de pérdida de peso

se incrementa. El tiempo de reacción se acorta con rapidez aunque la pérdida de peso total,

obviamente, no cambia.

La energía de activación aparente y el factor de frecuencia también crece cuando se incrementa la

velocidad de calentamiento y se incrementan las dificultades de la reacción de pirólisis. Desde la

energía de activación obtenida, se deduce que la pirólisis del caucho de los neumáticos es más


sencilla que la pirólisis de las fibras.

5.2.2 Formulación del Modelo Cinético

Es bien conocido que muchas reacciones, algunas de ellas muy complejas, están involucradas en el

proceso de pirólisis del caucho de los neumáticos. Por ello, ha sido difícil desarrollar un modelo

cinético preciso para la determinación de los diferentes parámetros cinéticos solamente desde los

datos termogravimétricos.

Es generalmente aceptado que los parámetros más importantes en la pirólisis son la temperatura, el

peso de la alimentación batch, ó el valor del flujo en alimentación continua, y la velocidad de pérdida

de peso, el tiempo y la velocidad de calentamiento. Basados en estos parámetros, se ha propuesto

un modelo para predecir el peso y la velocidad de pérdida de peso del caucho de los neumáticos

que se desarrolla en el Anexo correspondiente y cuyos fundamentos se desarrollan a continuación.

La cinética de la descomposición térmica ó craqueo de los residuos va a depender de su

composición la cual se conoce mediante las técnicas de caracterización del residuo.

Además, la craqueabilidad de los diferentes residuos cuyos componentes son compuestos

hidrocarbonados es función del tipo y del tamaño de sus moléculas. Esta facilidad de craqueo

disminuye en el siguiente orden: olefinas, naftenos, parafinas y aromáticos.

Hay que considerar, así mismo, que cada familia de compuestos hidrocarbonados se craquea

mediante reacciones distintas, con distintas velocidades y obteniéndose distintos productos cuyas

características comunes, para su correcta valorización energética, son su capacidad calorífica que

a su vez depende, en gran parte de la energía de activación de la reacción que lo genera.

En un proceso de este tipo, en el que la alimentación está formada por un alto número de

compuestos a reaccionar, se ha seleccionado un método que permite simplificar y racionalizar su

estudio cinético agrupando los diferentes productos en pseudoespecies ó “lumps” (Weekman,

1979).

Para este tipo de residuos los compuestos que intervienen en las reacciones de craqueo se

distribuyen según las cadenas de reacciones en las que cada componente contribuye a la

descomposición en diferentes regiones de la temperatura formando volátiles y char. La velocidad

resultante, es considerada como la suma de cada una de las velocidades de las reacciones


componentes. Un diagrama esquemático representativo, es:

K1 K2.

Residuo VFU à Reacción Intermedia 1à Reacción intermedia2 à Char

Y a su vez se tendría:

Residuo VFU à Vapor de agua + Aceites + Plástificadores + Aditivos

Reacción intermedia 1 à Volátiles + gases

Reacción intermedia 2 à Volátiles + gases

De acuerdo con lo anterior, se ha planteado la resolución de un modelo de tres “lumps” en el cual,

los productos se agrupan en tres grandes bloques:

Bloque 0 – Residuos con puntos de ebullición de sus componentes >200ºC

Bloque A – Grupo de hidrocarbonados con número de carbonos >5

Bloque P - Formado por el residuo carbonoso y el gas seco.

Se ha puesto como condición de principio que las reacciones 1 y 2 siguen la Ley de Arrehenius con

lo cual es posible calcular los valores de las constantes de velocidad y cumplir, además, con la

condición de “degradación irreversible de primer orden”.

Por otra parte, la reacción 1 se realiza, en una región de temperaturas más baja que la de reacción

2, que se desarrolla en el rango máximo, por lo que ambas reacciones se solapan en un rango

intermedio que coincide con los picos en los que la velocidad de pérdida de peso normalizada es

mayor.

Las reacciones constitutivas de la pirólisis pueden ser representadas mediante la ecuación de

descomposición de un sólido, propuesta por Vachuska and Voboril (Thermal Analysis – Chinese

– Min 8, Behair Hall, Taipei, 1992)

dαT /dt = Σ dα i /dt = Σ Ki x (1 - α i) (1)

Dado que la descomposición puede ser activada en una temperatura inferior a 700 ºC, que está

dentro del rango de temperaturas de la cinética de la reacción, la constante de velocidad puede ser


obtenida de la Ley de Arrehenius

Ki = Ai exp (- Ei / RT) (2)

Usando las ecuaciones (1) y (2) se pueden calcular los parámetros cinéticos de la pirólisis a partir

del operativo siguiente:

Introduciendo el concepto de calor de reacción y conviniendo que en el rango de temperaturas de

trabajo, que la velocidad de calentamiento es constante se tiene que la temperatura del residuo

cambia con la velocidad actual de calentamiento. Sustituyendo la ecuación (2) en la ecuación (1),

tomando logaritmos naturales y operando, se tiene la ecuación (3):

Si hay dos reacciones que se desarrollan en regiones de temperatura diferentes, lo cual corresponde

a la descomposición de dos componentes, se puede expresar la descripción cinética según una

expresión equivalente.

Si sucede una reacción solamente en una región específica, por ejemplo la reacción (1), entonces

dα2 /dt = 0, α2 = 0 y α1 = αT y la expresión (3) puede simplificarse hasta tomar la forma siguiente:

(4)

La ecuación (4) se representa mediante una línea recta de pendiente E/R y una ordenada que se

anula cuando lnA = 1/T .

Como no se disponen de las curvas TG y DTG, las cuales siempre se obtienen experimentalmente,

los parámetros cinéticos α y dα/ dt se pueden estimar, fijando previamente ó variando, el rango de

temperatura del proceso de pirólisis y la velocidad β de calentamiento.

En efecto, integrando la ecuación (1) entre un intervalo de temperaturas de 0º K a Tº K, se tiene:

dα/( 1 - α ) = ( A / β ) x exp (- E/RT ) dT (5)

El término de la derecha de la ecuación (5) no tiene una integral exacta pero se puede calcular

utilizando la relación Coats y Redfern y , por tanto α puede ser expresado como una función

)1).(exp(ln(lnln αααi

n n

RTEA

dtd

dtd

−−== ∑ ∑

( )RT

EA

dt

d 111

1 ln1/ln −=

−α

α

∫α

0∫α

0


explícita de los restantes parámetros conocidos.

Mediante el proceso de cálculo propuesto, se pueden establecer teóricamente todos los parámetros

del proceso de pirólisis, correspondiendo hacer la validación de los resultados mediante las

correspondientes curvas TG y DTG deducidas experimentalmente en laboratorio ó en planta piloto.

La nomenclatura utilizada a lo largo del desarrollo del modelo cinético es:

A

E

K

R

t

T

Wo

w

Woo

α = (Wo – W)/( Wo- Woo)

dα/dt

factor de frecuencia (min-')

energía de activación aparente (kJ mol-1)

constante de velocidad (min-1)

constante de los gases, R = 8.314 x 10-3 (kJ mol-1 K-')

tiempo de la reacción (min)

temperatura de la muestra (K)

peso de la muestra en el momento inicial (mg)

peso de la muestra en el tiempo t (mg)

peso de la muestra al final del tiempo.

ratio de pérdida de peso normalizado

velocidad normalizada de pérdida de peso.

5.3 OTRAS TECNOLOGIAS

La pirólisis de los residuos procedentes de los vehículos fuera de uso puede ser interpretada, como

tales compuestos hidrocarbonados, como una degradación térmica incompleta, generalmente en

ausencia de aire, resultando de este proceso un residuo sólido ó char, líquidos condensables o tar

y gases incondensables.

Recientemente, se han investigado los aspectos del proceso de pirólisis de residuos de alfombras,

suelos y pisos fabricados con cauchos vulcanizados derivados de residuos de neumáticos, usando

TGA con diferentes velocidades de calentamiento. Sus curvas DTG, siguen, igualmente, un proceso

de degradación de tres regiones, con puntos diferentes y de valor inferior en los picos, aspecto que

ser debido a la influencia de la composición de la mezclas de otros compuestos utilizados en su

fabricación.


El proceso de pirólisis seguido de combustión ó gasificación está considerado como el método más

atractivo y práctico para la generación de energía a partir de los residuos NFU y otros derivados

de los vehículos fuera de uso VFU.

La pirólisis alotérmica seguida de combustión, comúnmente llamada termólisis, desplaza el proceso

a una mayor producción de gases que constituyen el combustible utilizado en la generación directa

de energía eléctrica.

La gasificación se refiere a la pirólisis seguida de un tratamiento, mediante reacciones a temperaturas

más altas, del char, tar y primeros gases, para producir compuestos gaseosos de bajo peso

molecular. El postratamiento gasificador puede realizarse mediante la inyección de oxígeno, con ó

sin aire, vapor de agua y/ó hidrógeno. La gasificación se define como la tecnología de proceso

diseñada y que opera con el objetivo de producir un gas de síntesis a través de la conversión

térmica primero y química después de materiales ricos en carbono pero que un primer craqueo

térmico generan compuestos, líquidos y/ó gases con un alto contenido de PAH´s. El gas de síntesis

producido, puede utilizarse como combustible directo para la obtención de energía, productos

químicos, productos intermedios o energía.

Los gasificadores funcionan en un rango de temperaturas T> 850º C y a presión moderada/alta. En

estas condiciones los enlaces químicos se rompen por acción de la energía térmica en lugar de

hacerlo por oxidación como ocurre en la incineración y además esta reacción es endotérmica, con

el consiguiente ahorro de aporte de energía. Los componentes del gas de síntesis producido

depende, en gran manera, del proceso de gasificación que se emplee, aunque es de reseñar la

presencia de gases tales como CO, CO2, H2, H2O y CH4.

En atmósfera pobre en oxigeno, la oxidación está limitada y el equilibrio termodinámico y químico

de la reacción de intercambio (“shift”) implican un ambiente reductor en el gasificador, por lo que

los elementos presentes en los residuos tales como C, H, N, O, S, CL, se convierten en una mezcla

compleja que depende de los residuos utilizados, llamada gas de síntesis que presenta una

composición variable de: CO, CO2, H2, H2O, CH4, N2, H CL, H2S, pequeñas cantidades de NH3,

HCN, carbono elemental y trazas de hidrocarburos. Este tipo de gases debe ser sometido a un

proceso de lavado posterior (“stripper”).

Existen diversos procesos de gasificación, en función de los residuos y del destino posterior que se

dé al gas de síntesis cuya aplicación más importante sea, a corto plazo, la generación de energía

eléctrica.


Los tipos de reactores más utilizados son los de lecho fluidizado burbujeante, para aquellos residuos

con pequeña granulometría, gasificadores de lecho móvil, a contracorriente ó en corrientes paralelas

y, muy raramente, gasificadores de lecho fijo.

Los gasificadores se están empleando con éxito, en residuos tales como la Biomasa, Residuos de

fragmentadora, plásticos, lodos de estaciones de depuración de aguas y otros.

La composición del gas de síntesis en la valoración de residuos de materiales plásticos, se muestra

en la tabla 5.9.

Componente Gas de síntesis

N2 68%

O2 -

H2O -

Gases no

combustible

CO2 9.9 %

H2 7.1 %

CO 7.2 %

CH4 2.5 %

C2H4 3.0 %

C2H6 0.3 %

Gases

combustible

C3H6 0.4%

PCI en MJ/Kg 5.5Tabla 5.9 - Composición del gas de síntesis. Materiales plásticos - Fuente POLIGAS.

Las realizaciones más significativas en este campo, son:

Actualmente en León, se está construyendo la primera planta comercial de reciclado de neumático

por termólisis con proceso Traidec. Esta planta es propiedad de la compañía RMD y su desarrollo

se ha llevado a cabo con la colaboración de Cidaut, Logic Electromecanic, Traidec, Sfat y EREN:

La Empresa andaluza Complejo Medioambiental de Andalucía (CMA) tiene con Abengoa un

proyecto de montar una planta de pirólisis y gasificación en Huelva.

Proyecto POLIGAS. Este proyecto, actualmente en fase de construcción tiene como objetivo

valorar 15.000 t/ año de los residuos plásticos procedentes de la industria cerámica en Castellón


mediante gasificación con el fin de obtener energía eléctrica en régimen especial, la tecnología

utilizada es ENERKEM.

Para la fabricación de piezas con mezclas heterogéneas de plásticos, existen varias tecnologías

funcionando actualmente:

La tecnología de FALIGERE, que da una segunda oportunidad a los diferentes residuos plásticos,

mediante un proceso no contaminante, mezclándolos en frío con una formula de hormigón ligero

formando un conjunto altamente resistente y versátil, dando lugar a diferentes artículos que fabrica

como son actualmente: postes y otros perfiles, placas, pero siguiendo con su vocación innovadora,

pretende fabricar en breve elementos de seguridad vial.

La sociedad RHM, en su fabrica ubicada en Noblejas (Toledo), transforma los residuos plásticos

de cualquier procedencia y sin necesidad de clasificar en productos terminado, en dimensiones y

formas muy variadas.

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5 TECNOLOGÍAS DE VALORIZACIÓN ENERGÉTICA · ... en función de la tecnología empleada: - En el mechero ... situado en la parte más baja del horno rotatorio. La llama ... de aire