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CAPÍTULO 2: ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO AVANZADO

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ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO AVANZADO 2.1 INTRODUCCIÓN En la mayoría de las depuradoras de tamaño medio o grande, los fangos reciben un tratamiento de espesado y deshidratación mecánica, después de lo cual son llevados a un vertedero o distribuidos para su utilización directa en terrenos de cultivo. En apartados anteriores se han presentado las razones legales y medioambientales que aconsejan el desarrollo de tratamientos posteriores de los fangos, para conseguir una mayor reducción de su volumen y mejorar sus características mecánicas y sus propiedades para un mejor aprovechamiento posterior. Existen varias alternativas técnicas para el tratamiento posterior de los fangos de depuradora: secado biológico (compostaje), incineración, vitrificación, oxidación húmeda, pirólisis/gasificación o secado térmico (convencional o solar). Los sistemas más utilizados y con eficiencia comprobada son el secado biológico, la incineración y el secado térmico. La utilización del resto de tecnologías para el tratamiento de los lodos no está aún demostrada a nivel industrial, disponiéndose de pocas referencias, justificándose sólo en situaciones muy particulares.

Figura 2.1 Diferentes rutas para la gestión de los fangos de depuradora

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A continuación se describen las alternativas técnicas, englobándolas en tres bloques: a) Técnicas que conducen a una valorización agronómica del fango tratado. b) Técnicas que permiten la valorización energética del fango. c) Técnicas de secado térmico mediante la utilización de fuentes de energía

convencionales o de energía solar, y que permiten una posterior valorización tanto agronómica como energética de los fangos.

Las técnicas de secado térmico se describen en capítulos posteriores. En el capítulo 3 se estudia el secado térmico convencional y en el capítulo 4 el secado térmico solar. 2.2 SECADO BIOLÓGICO. COMPOSTAJE Los lodos de depuradora presentan excelentes cualidades para su utilización agronómica, lo que permite aprovechar el potencial fertilizante que encierra su doble carga orgánica e inorgánica. Sin embargo, la utilización de estos residuos de forma directa no siempre está exenta de riesgos, ya que además de los problemas derivados de la presencia de metales pesados (que no pueden ser eliminados), hay dos factores limitantes: la presencia de sustancias fitotóxicas y los microorganismos patógenos. Es necesario por tanto, un proceso que permita la eliminación total de estos factores limitantes para evitar riesgos innecesarios y perjudiciales para el suelo y las plantas: el compostaje. Así, el compostaje de los fangos de depuradora permite su estabilización biológica y el control de algunos riesgos contaminantes. El compostaje puede definirse como una descomposición biológica aerobia y termófila de residuos orgánicos en fase sólida y en condiciones controladas. Puede realizarse tanto sobre fangos digeridos como no digeridos y conlleva una degradación aeróbica de la materia orgánica contenida en el fango y una reducción del contenido en agua de éste, cuya eficiencia depende del proceso de compostaje. 2.2.1 Variables del proceso de compostaje El compostaje precisa de un control para el buen desarrollo del mismo y para conseguir un producto final que sea aceptable y apto para su utilización como abono orgánico. En la tabla 2.1 se muestra la composición media de lodos de depuradora. Los principales parámetros a controlar son los siguientes: a) Humedad Los fangos líquidos con alto contenido en agua no constituyen un medio apropiado para el crecimiento de microorganismos. Sin embargo, pueden ser compostados mezclados con otros residuos orgánicos altamente fermentables, caracterizados por un contenido bajo o nulo de agua. Los fangos con contenidos superiores al 15% de agua son fácilmente compostables, especialmente mezclados con materiales estructurantes que forman una mezcla porosa compostable. Los niveles óptimos de humedad están entre el 40 y el 60%. Humedades más bajas reducen e incluso detienen la actividad microbiana (principalmente de las bacterias). Con humedades más elevadas el agua desplaza al aire de los espacios intersticiales, desencadenando la fermentación anaerobia, mucho más lenta y que desprende malos olores.

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CONTENIDO CARACTERÍSTICAS AGRÍCOLAS Agua 50 – 80% Condiciona su manejo y transporte Materia orgánica 50% Humificación similar a la natural Nitrógeno 1 - 7% N Sobre todo orgánico, mineralizable Fósforo 1 - 5% P2O5 Bastante disponible Potasio 0,3 – 3% K2O Bajo contenido, pero soluble Otros macroelementos Variable Según tratamientos, formas inorgánicas

Microelementos Variable Puede ser un factor limitante Microorganismos Variable Gran cantidad y variedad

Tabla 2.1 Composición y contenidos medios en los lodos de depuración de aguas urbanas (sobre materia seca). Fuente: Centro de Ciencias Medioambientales del CSIC. b) Microorganismos En el proceso intervienen bacterias, hongos y actinomicetos, cuyas poblaciones se suceden al degradarse la materia orgánica. Los lodos residuales suelen contener los microorganismos necesarios para su fermentación sin necesidad de su incorporación externa. c) Temperatura Su variación en la pila que está compostando controla la sucesión de distintas poblaciones microbianas. Se eleva durante las primeras semanas y luego desciende lentamente hasta estabilizarse con la ambiente, dándose entonces por finalizado el proceso. Al alcanzarse los 70–75 ºC se destruyen los agentes patógenos del lodo. d) Aireación Su importancia parece clara por tratarse de un proceso de fermentación aerobia. Se consigue mediante volteo periódico de las pilas o insuflando aire forzado. En ausencia de aire y por tanto de oxígeno, la materia orgánica se descompone mucho más lentamente, produciendo malos olores y un material no aceptable para aplicarse al suelo. En el compostaje de fangos de depuradora es conveniente añadir algún agente estructurante que mejore la porosidad de la mezcla y favorezca la aireación. El estructurante suele estar compuesto por residuos orgánicos de varios orígenes. e) Tamaño de partícula Estrechamente relacionado con la velocidad del proceso, al desarrollarse la actividad microbiana, en principio, sobre la superficie de las partículas, de modo que a mayor superficie mayor actividad biológica y descomposición más rápida. Sin embargo, un producto demasiado fino es desaconsejable por los riesgos de compactación de la masa que impide la aireación. Las dimensiones óptimas están entre 10 y 50 mm. f) pH Influye en la velocidad de las reacciones enzimáticas y es uno de los indicadores de la evolución del compostaje. Comienza aumentando al liberarse los ácidos orgánicos

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resultantes del metabolismo de los carbohidratos, para descender hasta valores próximos a la neutralidad. Tabla 2.2 Parámetros para establecer la madurez de los compost de lodos (Costa et al. 1991)

g) Relación Carbono/Nitrógeno (C/N) La relación C/N en el material a compostar es del orden de 30, para evitar pérdidas de nitrógeno en forma de amonio si fuese inferior, o una prolongación del proceso si la relación es superior debido a la deficiente disponibilidad de nitrógeno para la síntesis proteica de los microorganismos fermentadores. También el fósforo está presente y se considera que la relación C/P ha de ser de 3 a 5 veces la relación C/N. h) Naturaleza química del sustrato Influye por la complejidad de estructuras moleculares que dificultan la degradación y la velocidad del proceso, como son los materiales denominados biorresistentes (lignina y celulosa). También está influido por la riqueza y proporciones adecuadas de nutrientes esenciales para el metabolismo microbiano (C, N, P, oligoelementos, etc.). Uno de los mayores riesgos que tiene la aplicación agronómica del compost es emplearlo sin un adecuado grado de madurez (Tabla 2.2). La falta de madurez del compost puede ocasionar efectos negativos graves, como son: - Origina una disminución del contenido de oxígeno a nivel de raíces. - Si la razón C/N es elevada, provoca un bloqueo del nitrógeno del suelo. - Puede provocar un excesivo aumento de la temperatura del suelo. - Permite la acumulación de sustancias fititóxicas. - No hay eliminación de microorganismos patógenos. 2.2.2 Descripción general del proceso y factores condicionantes de las plantas de compostaje Existen varios sistemas de compostaje que, pese a sus diferencias conceptuales, tienen en común las siguientes fases del proceso, en algunos de forma integral y en otros en áreas o reactores separados: a) Pretratamiento, en el cual se mezclan los fangos con el agente estructurante. b) Precompostaje, donde se realiza el proceso de secado. Los diferentes sistemas

de compostaje se diferencian por la forma en que se realiza esta fase del proceso. c) Postratamiento, donde se voltea el producto y se separa el agente estructurante.

Parámetro Límite mg de C-CO2 100 g-1 de C orgánico total < 500 Carbono hidrosoluble < 0,5 % Carbohidratos solubles < 0,05 % Índice de biodegradabilidad < 2 Carbono hidrosoluble / Nitrógeno total < 0,3 C/N hidrosoluble < 2 Capacidad de cambio / C orgánico total > 3,2 Fitotoxicidad Negativa en test biológicos con vegetales

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d) Postcompostaje, una fase secundaria de compostaje, sin agente estructurante y menos intensiva.

Figura 2.2 Sistema de compostaje en pila volteada con aireación forzada La velocidad del proceso se puede controlar mediante la regulación de la aireación, el contenido de humedad y la manipulación mecánica del material. El control del proceso distingue las diversas técnicas de compostaje y, en cierto modo ha marcado su evolución. En la concepción de una planta para el compostaje de fangos de depuradora se deben considerar los siguientes aspectos y costes: - Áreas de recepción y almacenamiento de fangos. - Sistema mecánico de mezclado. - Área de almacenamiento de la mezcla a compostar, antes de la aireación. - Superficie dedicada a la degradación biológica. - Superficie destinada a la maduración del compost y a la estabilización final. - Sistemas de tamizado mecánico. El tamaño de tamizado depende generalmente

de las condiciones de utilización del compost. La fracción que pasa el tamiz puede ser almacenada, comercializada o eliminada mientras que el rechazo puede ser reciclada como agente estructurante.

- Control de exigencias locales de la planta: aguas residuales, olores, control de emisión de polvo y control de otras molestias como ruido, insectos, etc.

Los sistemas de compostaje se pueden clasificar en las siguientes categorías: a) Sistemas de compostaje abiertos:

- Pilas estáticas: - Con ventilación natural - Con aireación forzada con succión o soplado

- Pilas volteadas: - Con ventilación natural - Con aireación forzada (Figura 2.2)

b) Sistemas de compostaje cerrados funcionando de forma continua o periódica con

aireación forzada:

- Reactores horizontales rotativos

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- Reactor vertical estático - Sistemas encapsulados

La elección entre los diferentes sistemas depende principalmente de parámetros técnicos y económicos, aunque también ha de considerarse variables como son la distancia de la planta a zonas pobladas, la disponibilidad de terrenos o aspectos paisajísticos. En general, el compostaje de los lodos, el control del proceso y la dependencia con el clima conducen a la opción de aireación forzada. Los sistemas ventilados de forma natural constituyen la técnica más primaria y simple, que no trata las emisiones de malos olores. La introducción de la aireación forzada a través del material mejora la oxigenación de las reacciones y conlleva un mecanismo de control de olores para minimizar el impacto ambiental. Las principales emisiones de una planta de secado biológico por compostaje son los lixiviados y el aire contaminado. Los lixiviados se pueden tratar en una depuradora propia o llevarse a una planta depuradora cercana. El aire suele tratarse en biofiltros, constituidos por compost ya madurado. Cuanto mayor sea el nivel de tecnificación del proceso, mayor es el control de las emisiones. 2.2.3 Ventajas e inconvenientes del compostaje El compostaje ofrece varias ventajas si se compara con otros métodos de tratamiento de lodos. En general: - Es un proceso muy conocido que se ha utilizado desde hace muchos años. - En algunos casos, las tecnologías pueden ser muy sencillas, lo que hace disminuir

los costes de operación e inversión. - No se generan residuos, exceptuando el propio compost si está contaminado. Si se compara con la aplicación directa de fangos no compostados sobre terrenos de cultivo por ejemplo, el compostaje permite: - Una reducción en el volumen de material a transportar hasta el cultivo. - Un más fácil almacenamiento, más alejado de la producción en tiempo y espacio. - Un proceso de aplicación más sencillo debido al menor contenido de humedad. - Un control de las especificaciones del material compostado, con una composición

del producto final bien definida y estable, con un elevado potencial de mejora del humus y los niveles de nutrientes del suelo.

- Un control del contenido en nutrientes. - Un control de la higiene del producto antes de su aplicación agrícola. - Necesidad de verificar un control legislativo que, aunque estricto, lo es menos que

en el caso de aplicación directa sin compostar. Entre los inconvenientes se pueden citar: - Los malos olores generados en determinadas condiciones son responsables de

las quejas de los ciudadanos si las plantas están próximas a núcleos de población. - El coste del tratamiento es más elevado que en la aplicación directa. - La aireación suele consumir energía. - Es necesario un mercado para el producto final, teniendo en cuenta que existen

productos alternativos para la mejora de los suelos.

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La necesidad de mezclar los fangos con otros materiales para obtener una relación C/N óptima puede ser considerada una ventaja si el agente estructurante es otro residuo a tratar o un inconveniente cuando este agente ha de ser comprado. 2.2.4 Aspectos económicos del compostaje Los costes que se han de considerar cuando se decide compostar los lodos procedentes de una planta de depuración de aguas residuales son los siguientes. - Coste del transporte del lodo hasta la planta de compostaje - Inversión y costes de ingeniería para el sistema de compostaje y la infraestructura

de la planta (edificios, aireación, equipos de tratamiento de aire y olores, maquinaria para volteo y mezclado del compost, transportadores, tamices, etc.)

- Costes de operación de la planta: personal, energía, agentes estructurantes (incluido el coste del transporte hasta la planta de compostaje), mantenimiento, tasas e impuestos, etc.

- Gastos derivados del control de calidad del producto: caracterización del residuo de entrada y del producto final, así como la evaluación del proceso.

- Costes asociados a estudios de mercado. - Costes del transporte del compost desde la planta. 2.3 VALORIZACIÓN ENERGÉTICA Los fangos de depuradora se caracterizan por un elevado contenido en materia volátil (hasta el 70% de su materia seca), metales, carbono, hidrógeno, oxígenos, etc. El poder calorífico de los lodos los convierte en buenos candidatos para ser valorizados energéticamente. El Poder Calorífico Inferior (PCI) de los lodos suele ser del orden de 3.600 kcal/kg MS. Este PCI sugiere un aprovechamiento energético de los fangos, ya que es un sistema de minimización y reutilización de residuos, muy útil cuando los lodos no se pueden aplicar al suelo y como alternativa a su depósito en vertedero. Se estima que esta vía de aprovechamiento representa actualmente un 15% del total de fangos tratados en Europa, porcentaje superior al correspondiente a España, estimado en torno al 7% (Tabla 1.11) e inferior a las cifras de Estados Unidos (30%) y, sobre todo, Japón (55%). No obstante, el aumento de control legislativo sobre la aplicación agronómica y sobre la aplicación al suelo parece apuntar a un incremento de esta opción, a pesar de la fuerte inversión de capital necesaria, la estricta regulación en cuanto a criterios de combustión y la gestión de los residuos producidos (emisiones atmosféricas, cenizas volantes y escorias). Este incremento puede ser especialmente importante en algunas zonas de Europa densamente pobladas sin apenas tejido agrario ni espacio disponible para vertido (Países Bajos), aunque también afectará a países mediterráneos como España, Italia o Francia. La valorización energética de los fangos de depuradora puede llevarse a cabo quemando el fango en hornos de combustión diseñados para tal fin, en hornos industriales (utilizando el fango como combustible de apoyo a otros combustibles convencionales) o en hornos de incineración conjuntamente con otros residuos, normalmente residuos sólidos urbanos. En cualquiera de estos casos, la energía liberada en la combustión tiene que evaporar todo el agua contenida en el fango. Como la mayor parte de la energía se gasta en la

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evaporación de agua, el mayor ahorro energético se logra deshidratando el fango al máximo antes de entrar al horno. La combustión del fango original procedente de la etapa de deshidratación mecánica no es un proceso autógeno (que mantiene su combustión sin adición de combustible adicional). El grado de sequedad mínimo del fango se sitúa en el intervalo 35–45 % de materia seca. Para alcanzar esta sequedad se suele utilizar, como etapa previa, cualquiera de los procedimientos de secado térmico que se comentarán con profundidad en apartados posteriores. Con independencia de las diferentes vías de combustión de fangos ya comentadas, en la actualidad se está trabajando en el desarrollo de nuevas alternativas tecnológicas de futuro, no probadas aún a escala industrial, como son la gasificación, la pirólisis o la oxidación húmeda. Por último, también ha de considerarse la posible valorización mineralógica de los lodos de depuradora (valorización de la fracción inorgánica contenida en el fango), mediante vitrificación convencional o vitrificación en antorcha de plasma. 2.3.1 Instalaciones para la incineración de fangos Una planta para incineración de fangos está caracterizada por una elevado nivel de tecnificación. Estas instalaciones, que llevan muchos años operando con éxito, incluye una gran número de operaciones básicas de ingeniería. Las plantas presentan generalmente un esquema de procesos común (Figura 2.3), que se describen a continuación. Los fangos procedentes de las depuradoras son almacenadas en una zona de recepción habilitada a tal efecto. Este fango normalmente ha sido deshidratado mecánicamente, por lo que su contenido en materia seca está próximo al 20%. Es recomendable dotar a la planta con un sistema de tratamiento para el aire procedente de esta zona de recepción, cuyos malos olores asociados pueden ser fuente de molestia de poblaciones próximas. Para ello, puede mantenerse una cierta depresión y utilizar biofiltros. Por razones energéticas y de capacidad del horno no es conveniente introducir este lodo directamente en el horno, incorporándose una etapa de secado previo. Se puede acudir a sistemas de secado térmico, indirectos normalmente, con utilización de energía térmica recuperada de los gases de escape. Así, abundan las experiencias con secadores rotatorios de disco y con secadores de película fina o mixtos, que utilizan agua caliente o vapor como fluidos caloportadores. El fango, ya caracterizado por un contenido superior al 40% en materia seca, entra en el horno. Los dos tipos principales de hornos utilizados para la combustión de lodos son los de pisos múltiples y los de lecho fluido. En ambos se alcanzan temperaturas comprendidas entre los 800 y los 900 ºC. Para un mejor rendimiento del proceso de combustión en el horno, el aire de combustión ha de precalentarse en la caldera, hasta alcanzar aproximadamente los 500 ºC. El horno dispone de una línea de combustible adicional (gas natural normalmente) para el encendido, en caso de que los fangos tengan un insuficiente poder calorífico o existan problemas con el presecado. En ocasiones puede dosificarse simultáneamente cal en el horno, con lo cual se retiene una parte del SO2 generado y se descarga así el posterior sistema de tratamiento de gases de escape.

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Figura 2.3 Esquema de una planta incineradora de fangos de depuradora

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Con temperaturas de 800 - 900 ºC, los gases de escape del incinerador tienen un gran potencial para la recuperación de calor. Así, es normal que el aire de combustión sea precalentado de forma que, junto con el presecado y el precalentamiento del fango, se garantice un proceso de combustión autógeno. La temperatura del aire precalentado suele estar en el intervalo 400 - 600 ºC. La energía de la corriente de escape restante puede ser aún utilizado en otras necesidades de la planta o externas a ella. Del horno salen los gases de combustión húmedos, que entran en la caldera. Antes de su entrada, se inyecta una solución de NH4OH para la eliminación de los NOx. En la caldera, además de precalentar el aire de combustión, se genera vapor y se precipita una parte de la ceniza volante arrastrada por los gases. Los gases de salida de la caldera no pueden emitirse directamente a la atmósfera, siendo sometidos a sucesivos procesos de acondicionamiento con objeto de cumplir las normas legales relativas a la emisión de gases de combustión y generar el menor impacto ambiental. El primer paso consiste en la eliminación de las cenizas volantes contenidas en los gases de salida mediante filtros electrostáticos de probada y elevada eficacia. Tras eliminar las partículas en suspensión, se tratan los contaminantes gaseosos de la corriente de escape (NOx, SOx, compuestos orgánicos, etc.), mediante torres de lavado húmedo, filtros para adsorción de contaminantes, filtros de mangas, sistemas DENOX, etc. En estos procesos, suele ser necesario el calentamiento de la corriente a tratar, para lo que se utilizan intercambiadores de calor y se aprovecha la energía térmica de la corriente de salida del filtro electrostático. Finalmente, el gas de escape descontaminado es evacuado a través de la chimenea. La planta produce aguas residuales, que provienen de la zona de almacenamiento, de la condensación del aire del presecado térmico de los fangos y del uso de lavadores húmedos. El agua de condensación contiene amoníaco, sustancias azufradas y sustancias orgánicas, y con la procedente del almacenamiento, puede ser enviada directamente a una EDAR. Las aguas de los lavadores, sin embargo, han de pasar primero por un tratamiento físico-químico cuyo efluente se conduce a una EDAR.

Figura 2.4 Imagen de una planta incineradora

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Para el diseño de una planta de incineración de fangos hay que tener en cuenta los siguientes aspectos :

Combustibles:

- Tipo: fangos de origen urbano o industrial. - Contenido en agua - Fracción combustible de la materia seca - Poder calorífico y análisis de la materia seca (proporción de C, H, N, O, Cl, F)

Capacidad:

- Caudal requerido de fangos - Producción deseada de vapor o de calor de la planta - Período de operación de la planta: horas al día, días a la semana.

Producción de energía:

- Tipo: vapor, agua caliente, electricidad, etc. - Datos de energía: temperatura, presión, voltaje eléctrico.

Materiales auxiliares:

- Combustible auxiliar para encendido: gas natural, carbón, fuel-oil - Residuos peligrosos con alto poder calorífico: disolventes, aceites usados - Agua de refrigeración, energía eléctrica

Espacio disponible

- Mapa de situación de los edificios existentes, los componentes de la planta, etc.

Leyes / Regulaciones / Normas

- Regulación sobre protección ambiental y seguridad nacional, regional y local El horno en el que se produce la combustión del fango es el elemento principal de la instalación. A continuación se describen las características fundamentales de los dos tipos más utilizados: hornos de pisos múltiples y hornos de lecho fluido. a) Horno de pisos múltiples (Figura 2.5) Los hornos de pisos múltiples son los más experimentados para este tipo de productos. Son hornos verticales con distintos pisos, en los que se alimentan los fangos por la parte superior y se rastrillan lentamente hacia el centro del horno, cayendo al piso inferior, donde los rastrillos los conducen hacia la periferia. Allí caen hacia el siguiente piso, donde los rastrillos los vuelven a conducir hacia el centro y así sucesivamente. La torta de fango y el combustible auxiliar se queman en los pisos intermedios a una temperatura de 800 - 900 ºC. En el piso inferior se produce aire precalentado que aumenta su temperatura al entrar en contacto a contracorriente con los fangos, obteniéndose un mejor aprovechamiento energético. En su camino ascendente, el aire acaba enfriándose liberando su calor para secar los fangos de entrada al horno en los pisos superiores. Para asegurar una mayor desodorización de los gases de escape (vapores de escape), pueden ser conducidos a una cámara de post-combustión o realimentados al horno.

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Figura 2.5 Esquema de un horno de pisos múltiples En la columna central se introduce una corriente de aire de refrigeración para evitar el sobrecalentamiento de la columna y de los brazos huecos de los rastrillos. La extracción de cenizas puede realizarse por la parte inferior del horno, por vía seca o por vía húmeda. Estos hornos son similares a los utilizados para el secado térmico de lodos, analizados en apartados posteriores. Si la planta incineradora de fangos tiene instalado un horno de este tipo no será necesaria una etapa previa de secado del fango deshidratado mecánicamente, ya que el secado se lleva a cabo en los pisos superiores del horno. Si se compara con los incineradores de lecho fluido, las condiciones de combustión son más difíciles de controlar. En parte para salvar esta dificultad, se puede añadir una corriente de aire secundaria en los diferentes pisos. Como principales ventajas destacan su buen rendimiento térmico y su buen comportamiento a carga parcial, que prácticamente asegura un rendimiento constante. Los hornos de pisos múltiples son la primera opción a estudiar con flujos de alimentación de fangos altamente fluctuantes y, especialmente, con fangos con una alta producción de cenizas. b) Horno de lecho fluido (Figura 2.6) En la actualidad, en la mayoría de las nuevas instalaciones para incineración de fangos (y otros residuos) se tiende a sustituir los hornos de pisos múltiples por hornos de lecho fluido. Estos hornos son generalmente depósitos de acero cilíndricos verticales, recubiertos con material refractario. En su interior, en la parte inferior, una capa de material inerte granulado (arena generalmente) descansa sobre una rejilla. El aire de combustión es introducido con una elevada presión en una cámara de entrada bajo la rejilla, provocando la fluidificación del material inerte y del añadido.

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Figura 2.6 Esquema de un incinerador de lecho fluido El incinerador consta de una cámara de lecho fluido, un área de combustión y una cámara de post-combustión. La cámara de lecho fluido y el área de combustión se sitúan en la parte inferior del reactor, sobre ellos están la cámara de post-combustión y la parte superior del horno. El suelo del incinerador, sobre el que descansa el material inerte, está constituido por múltiples toberas de entrada de aire, fabricado de un material resistente a la temperatura (metálico o cerámico). El lecho fluido puede ser burbujeante o circulante. Los hornos con lecho burbujeante, que es la opción más común para estas aplicaciones, tienen unos orificios en la reja soporte del material inerte, a través de los que se inyecta el aire, que permiten que aparezcan unas burbujas de gas de combustión. El lecho principal de partículas permanece suspendido en ebullición a una determinada altura dentro de la cámara de combustión. El fango se mezcla rápidamente en el interior del lecho debido a la acción turbulenta de éste. En los hornos de lecho circulante se aumenta la velocidad de alimentación del aire del reactor (3 - 8 m/s) dentro de ellos, de forma que se produce un arrastre del lecho, desapareciendo las burbujas. La masa de partículas en circulación, por medio de ciclones, se vuelve a recircular a la parte inferior del reactor, donde se realiza la combustión primaria. La temperatura del lecho se mantiene en el intervalo 750 - 900 ºC. Debido al intensivo intercambio de calor existente entre el material a incinerar y el material inerte, el primero se quema casi completamente. A veces es necesario el uso permanente o temporal de un combustible auxiliar para mantener la temperatura del lecho, debido al insuficiente poder calorífico del fango o al proceso de arranque del incinerador. Los hornos de lecho fluido son especialmente recomendables para fangos con bajo contenido en cenizas y para los fangos libres de constituyentes problemáticos.

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2.3.2 Incineración de fangos en instalaciones de valorización de residuos sólidos urbanos La utilización de hornos de tratamiento térmico de residuos sólidos urbanos (RSU) para valorizar los fangos de depuradora puede ser muy interesante, al dar servicio generalmente a la misma población. El poder calorífico de los lodos puede mejorar la explotación de la planta, siempre que los fangos tengan las condiciones adecuadas para alimentar el horno. La incineración conjunta de fangos y RSU es especialmente atractiva cuando la EDAR que origina el fango está próxima a la planta incineradora de RSU, siempre que la capacidad del incinerador no se encuentra saturada por los RSU. La utilización conjunta debe diseñarse cuidadosamente para no reducir la producción de energía de la planta. Con una modelización de la planta de valorización de RSU y balances de materia y energía con las variaciones ocasionadas al introducir los fangos con diferentes contenidos de materia seca, se pueden prever las condiciones más adecuadas de los lodos para optimizar su valorización. El esquema de proceso de la planta (Figura 2.7) es básicamente el mismo que para las plantas de incineración de fangos: almacenamiento, pretratamiento, incineración, caldera de recuperación y operaciones de tratamiento de los gases de escape. La diferencia principal radica en las diferentes opciones existentes para la introducción del lodo en el proceso de combustión de la planta, que básicamente son tres: a) Introducción del fango con poder calorífico inferior al de los RSU b) Introducción del fango con poder calorífico igual al de los RSU c) Introducción del fango con poder calorífico superior al de los RSU La primera opción (Figura 2.8) es alimentar los lodos directamente al horno, tal y como salen de la EDAR, después de un tratamiento de deshidratación mecánico, con un contenido aproximado del 20% de materia seca. Con menos materia seca es muy compleja su manipulación. Se suele inyectar directamente el fango pastoso en el hogar del horno de incineración. El fango es transportado hasta el horno por una bomba a alta presión, y mediante válvulas de inyección se introduce en el incinerador. Uno de los aspectos más importantes es la calibración de los sistemas. Si se inyecta una cantidad excesiva de fango, se corre el riesgo de no incinerarse completamente; las partículas de fango se queman sólo superficialmente y no se incinera su núcleo. El contenido en materia seca que permite su bombeo está en el intervalo 18 - 30%. Un balance energético indica que en estas condiciones los fangos no son autógenos, y se necesita un aporte energético adicional para su combustión, incrementándose los costes de operación. Si no se añade combustible adicional, parte del calor del horno se pierde en secar el lodo, generando menos vapor en la caldera de recuperación. La segunda opción es introducir el fango con un 60 – 65% de materia seca, mediante vapor generado por la propia planta, que es un procedimiento tradicional cuando se co-incineran los fangos con RSU, pues el fango con esta humedad tiene un poder calorífico similar a los RSU (2.000 kcal/kg aprox.). Los balances energéticos muestran que se puede obtener una producción suplementaria de vapor. Los fangos se añaden en la alimentación al incinerador junto a los RSU, disminuyendo la masa de RSU añadida. Esto puede suponer una restricción para los incineradores cuya capacidad de tratamiento de RSU esté próxima a la saturación, pero también una importante ventaja en los períodos del año en las que disminuye la entrada de RSU a procesar.

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Figura 2.7 Esquema de proceso de una planta de incineración de RSU

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Figura 2.8 Horno de lecho fluido para incineración conjunta de RSU y fangos de depuradora La última opción es introducir fangos con sequedades de hasta un 85% de materia seca, contenidos que pueden alcanzarse con un sistemas de secado térmico independiente de la planta de RSU o consumiendo una fracción importante del vapor producido en la caldera de recuperación de la planta. En ambos casos, el valor suplementario de vapor generado se ve compensado por el gasto de energía necesaria para el secado previo del fango. 2.3.3 Ventajas, inconvenientes y costes de la incineración Las principales ventajas, inconvenientes y costes a considerar en las instalaciones de incineración, ya sean específicas para fangos o compartidas con los RSU son las siguientes. a) Ventajas - Reducción importante del volumen del fango tras su incineración. - Posibilidad de reciclaje de los subproductos generados (cenizas, material inerte)

como material de relleno en la producción de asfaltos, cemento o ladrillos. - Baja sensibilidad a la composición del fango - Sistemas fiables. - Minimización de olores, debido a que los sistemas son cerrados y a la alta

temperatura de tratamiento.

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b) Inconvenientes - Instalaciones intensivas en capital, normalmente sólo justificadas en situaciones

donde se manejan grandes volúmenes de fango. En Francia se encuentran para producciones desde 2.000 a 5.000 toneladas de materia seca (de 200.000 a 800.000 habitantes equivalentes). En Holanda, trabajan con capacidades aún más altas (10.000 a 40.000 toneladas de materia seca).

- En caso de incineración conjunta con RSU, la capacidad y el rendimiento del tratamiento dependen del grado de saturación del incinerador por los RSU y/o la relación masa de fangos/masa de RSU.

c) Costes - Costes del horno y del sistema de almacenamiento. - Tratamiento de los gases de escape y otros residuos de la incineración (escorias,

cenizas volantes, etc.). - Otros costes periféricos para las plantas nuevas y para las ya existentes. - Costes de operación fijos: personal, consumibles (combustible, electricidad y

productos químicos para el tratamiento de gases), mantenimiento, impuestos, etc. - Costes de transporte del fango hasta el lugar de tratamiento. - Costes del control de calidad del fango de entrada y de los subproductos. - Costes del reciclaje de algunos subproductos. El coste de las instalaciones de incineración específicas de fangos, con capacidad entre 2.000 y 5.000 toneladas de materia seca, se sitúa entre 220 - 375 € por tonelada, excluyendo impuestos. Se incluyen los costes de inversión, la actualización de sistemas existentes, los costes operativos, y la evacuación de los residuos en vertedero controlado clase I. La inversión es mayor para incineradores con presecado de fangos, aunque se tendrían ciertos beneficios derivados de los costes operativos. Para incineradoras de mayor tamaño (caso de Holanda), con presecado y un tratamiento de gases más complejo, el coste se sitúa entre 225 – 375 € por tonelada. La cifra menor corresponde a países con legislaciones menos estrictas de las emisiones atmosféricas. En los sistemas de incineración de fangos con RSU mediante sistemas de inyección de fangos, el coste total, sin incluir el transporte de los fangos, pero incluyendo previsiones por depreciación, tratamiento de residuos, etc., es de 40 € por tonelada de fango sin tratar aproximadamente, excluyendo impuestos. Equivale a unos 150 – 215 € por tonelada de materia seca, considerando el tamaño de instalación y las condiciones locales. Estos costes corresponden al caso de inyección extra de fango, sin reducir la capacidad de incineración de RSU de la planta. En caso de que esto se produjera porque aproximadamente más del 20% de la entrada al horno la constituye el fango, los costes se situarían en 265 – 375 € por tonelada de materia seca. 2.3.4 Valorización energética de fangos en hornos industriales Otra vía de valorización energética interesante es el aprovechamiento de los fangos de depuradora como combustible auxiliar en hornos industriales, en procesos de producción industrial. La aplicación más clara e importante de esta vía se encuentra en cementeras y en centrales eléctricas de carbón.

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a) Valorización energética de fangos en la industria cementera El proceso de fabricación del cemento se puede dividir en tres etapas: 1. Preparación y molienda de las materias primas. 2. Cocción para obtener el clínker 3. Molienda y adición al clínker para obtener el cemento. En la figura 2.9 se representa un esquema del proceso de fabricación de clínker de cemento. Este proceso necesita que en la etapa de cocción se alcancen altas temperaturas, superiores a 1.400 ºC, con temperaturas de llama de hasta 2.000 ºC, por lo que es un proceso de alto consumo energético. En estas condiciones, se pueden utilizar los fangos de depuradora como combustibles alternativos con algunas ventajas medioambientales como: - Interacción de los gases con la materia prima, quedando retenida en el proceso la

parte no combustible de los lodos e incorporada al clínker de manera irreversible. - No se generan residuos que haya que tratar posteriormente ni las emisiones a la

atmósfera se ven afectadas negativamente. - Se reduce el consumo de combustibles fósiles no renovables. - Disminuyen las emisiones globales a la atmósfera en relación a la incineración en

instalaciones específicas o con RSU, eliminación en vertedero o utilización de combustibles fósiles en la cementera.

El consumo energético de las plantas cementeras es muy elevado, y depende de las materias primas empleadas y sobre todo de la tecnología y del sistema de alimentación empleados (vía seca, húmeda o semiseca). Los costes energéticos de combustible y energía eléctrica representan entre un 30 y un 40% de los costes de fabricación, por lo que la reducción del consumo de energía y la diversificación de las fuentes energéticas es muy importante para la competitividad de las cementeras. En la tabla 2.3 se resume la distribución de combustibles utilizados por la industria cementera en España y globalmente en toda Europa. Históricamente, los esfuerzos para reducir el consumo de combustible se han centrado en dos líneas: la modernización de las instalaciones utilizando hornos de mayor tamaño y eficiencia, y la modificación de la composición del cemento para incorporar en la molienda otros materiales distintos del clínker.

CONSUMO (%) COMBUSTIBLE

Europa (1995) España (1999)

Carbón 36 9,4

Lignito 6 -

Coque de petróleo 39 86,6

Fueloil 7 2,6

Gas natural 2 0,1

Combustibles alternativos 10 1,2

Tabla 2.3 Consumo de combustibles en la Industria cementera europea y española

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Figura 2.9 Esquema del proceso de fabricación del cemento

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Aunque en los últimos 100 años se ha realizado un continuo progreso en la modernización de la industria cementera, mejorando la eficiencia energética de los hornos y desarrollando nuevos tipos, la reducción del consumo de energía se encuentra en una fase asintótica. Por esta razón se ha buscado utilizar la flexibilidad de los hornos de esta industria para sustituir los combustibles tradicionales por otros procedentes de residuos o subproductos, como es el caso de los lodos de depuradora. Si se consideran algunos parámetros necesarios para una adecuada destrucción de los fangos: - Preparación del fango y dosificación adecuada. - Temperatura de los gases de combustión superior a 850 ºC - Tiempo de residencia de los gases a dicha temperatura mayor de 2 segundos. - Concentración de O2 suficiente para la completa oxidación de la materia orgánica

de los lodos. - Una turbulencia tal que permita una mezcla eficaz con el aire de combustión. - Unos niveles de depuración que permiten cumplir los límites impuestos de emisión

de contaminantes a la atmósfera. Los hornos de clínker cumplen a la perfección todos estos parámetros, incluso tienen una serie de características que les permiten mejorar sobradamente alguno de ellos: - Trabajan en atmósfera oxidante a muy alta temperatura (superiores a 1.450 ºC

para materiales y a 2.000 ºC para la llama, con un exceso de oxígeno del 2 – 3%). - Tienen una alta inercia térmica, lo que evita los riesgos de las bajas temperaturas

durante períodos de tiempo cortos. - Ambiente alcalino, lo que permite neutralizar ciertos contaminantes. - Un largo período de contacto entre los gases de combustión y los componentes

alcalinos, lo que mejora la eficiencia de depuración de contaminantes. - Retención de partículas y cenizas en el clínker. No generan residuos secundarios. Resulta especialmente interesante la retención de los metales pesados contenidos en los lodos. Estos se combinan con la sílice para formar principalmente silicatos complejos, que son incluidos mayoritariamente en la estructura cristalina del clínker y, posteriormente, la fracción restante es retenida en el polvo que se capta en los electrofiltros o filtros de mangas, que se vuelve a reintroducir en el proceso. Como principales factores limitantes para el uso de residuos como combustibles auxiliares se encuentran el contenido de óxido de magnesio, azufre, cloro, fósforo y metales pesados. Estas limitaciones no lo son en la práctica para los lodos de depuradoras urbanas. No obstante, es complicado establecer unas pautas que determinen la aptitud de un residuo para ser usado como combustible alternativo en la industria cementera. Está condicionado no sólo por la propia naturaleza del residuo, sino por las peculiaridades técnicas de cada instalación y proceso (tipo de alimentación del residuo, proceso por vía húmeda, seca o semiseca, etc.), así como por las exigencias marcadas por la normativa vigente en cada estado (Tabla 2.4). Hasta la fecha en España no existe ninguna cementera que utilice lodos de EDAR como combustible alternativo. Se prefieren otros tipos de residuos que, aunque con composición más tóxica, tienen un mayor poder calorífico. Los residuos utilizados en España son aceites usados (8 plantas), harinas de carne y hueso (5 plantas), neumáticos (4 plantas), grasas animales (3 plantas), y líquidos orgánicos (3 plantas).

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PAÍS USO PERMITIDO

ALEMANIA No permitido

AUSTRIA No existen limitaciones legales. Los combustibles alternativos permitidos se especifican en el permiso de la planta. 6 – 15 GJ/t Máx. 120 GJ/h Fracción másica de combustible alternativo < 40% BELGICA

Fracción másica de Cl < 1%

ESPAÑA En la autorización se especifican los residuos permitidos en cada instalación, así como los controles a realizar en ella.

FRANCIA

La autoridad local controla la instalación para asegurar que ésta no representa un peligro para el medio ambiente y que se minimizan los riesgos derivados del uso de combustibles alternativos. La autoridad puede establecer valores límites específicos para cloro y metales pesado.

GRECIA Sí permitido

IRLANDA Hasta la fecha, sólo se han concedido licencias para el uso de combustibles convencionales a plantas convencionales.

LUXEMBURGO No permitido

PAÍSES BAJOS No permitido PORTUGAL No permitido REINO UNIDO Sí permitido

Tabla 2.4 Uso permitido de los lodos de depuradora como combustible alternativo en plantas cementeras en varios países europeos. b) Valorización energética de fangos en centrales eléctricas de carbón Hace aproximadamente una década comenzó a utilizarse en Europa Central residuos (fangos de depuradora entre ellos) y biomasa como combustibles alternativos de apoyo en centrales eléctricas de carbón. La co-combustión de fangos de depuradora con carbón tiene numerosas ventajas económicas y medioambientales: - Permite la destrucción de los residuos - Contribuye a la solución del problema global de emisiones de CO2, pues conlleva

un ahorro de combustibles fósiles. - Puede disminuir los costes de generación de energía eléctrica y puede por tanto

contribuir a incrementar la rentabilidad de la planta de potencia. - Utiliuza instalaciones existentes y no necesita la inversión asociada a la

construcción de una nueva instalación de tratamiento de residuos. Sin embargo, dependiendo del tipo y la composición del fango, pueden señalarse algunos riesgos potenciales o desventajas de su utilización en centrales de generación eléctrica. Existen problemas técnicos por un lado y problemas ambientales por otro. De los primeros pueden destacarse los siguientes: - En la sección de pretratamiento del combustible, se pueden encontrar dificultades

técnicas en la reducción de su tamaño, en su control de calidad. Existe también riesgo de almacenamiento y transporte de materiales pulverulentos explosivos.

- En la sección de la caldera, pueden surgir problemas al existir un mayor volumen de gases, por la no combustión completa del combustible y por el riesgo de corrosión, deposición, erosión, escorificación y ensuciamiento de la caldera.

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- En la sección de tratamiento de los gases de salida, pueden producirse anomalías relacionadas con la desactivación del catalizador de los sistemas de eliminación de NOx, con la capacidad de los sistemas de eliminación de SOx, con la superación de las restricciones de emisión de metales pesados o con la capacidad de los precipitadores electrostáticos.

Todas estas dificultades han sido técnicamente resueltas, aunque aún es necesario un mayor esfuerzo técnico experimental, para los problemas de escorificación, corrosión y ensuciamiento en la caldera de la planta, especialmente importantes debido al mayor contenido en metales alcalinos (K, Na) en las cenizas volantes de los fangos de depuradora. Estas cenizas, también contienen compuestos con elevados puntos de fusión como el Al2O3 y el SiO2, situando el punto de fusión de la ceniza resultante en el intervalo de 1.100 - 1.200 ºC, que resulta sólo ligeramente inferior al característico de una ceniza de carbón, que se sitúa entorno a los 1.300 ºC. En cuanto al riesgo de corrosión de la caldera por la aparición de HCl en el gas de salida, no resulta más elevado que en el caso de combustión sólo de carbón, ya que los contenidos en cloro de los fangos están muy próximos a los que caracterizan al carbón quemado. Los posibles inconvenientes medioambientales de la co-combustión de fangos en centrales de carbón, pueden ser: - Puede producirse un aumento en las emisiones de NOx o SOx debido al

incremento de N y S asociado a los fangos. También puede influir la aparición de una mayor cantidad de óxidos metálicos que actúan como catalizadores de las reacciones de formación de estos contaminantes en la caldera.

- Puede crecer el contenido en metales pesados de las emisiones de la planta, gaseosas o particuladas.

- Puede aumentar las emisiones de dioxinas y furanos. En la actualidad existen en Europa varias centrales de carbón valorizando energéticamente los fangos EDAR, principalmente en Alemania, Países Bajos e Italia.

Figura 2.10 Central eléctrica de carbón y fangos: Central de Heilbronn (Alemania)

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Figura 2.11 Estación de recepción de fangos deshidratados. Central de Heilbronn (Alemania)

En Alemania existen varias plantas de este tipo. En las figuras 2.10 y 2.11 se muestra una de ellas, la central térmica de Heilbronn. Esta planta utiliza fangos de depuradora como combustible de apoyo a su combustible principal, carbón, desde 1998. La planta suministra 760 MW de potencia, operando a media carga. Está equipada con combustión de carbón en polvo con extracción seca de ceniza. En el horno, los quemadores tangenciales están dirigidos al centro creando un vórtice de fuego con una temperatura de 1.200 ºC en la sección central de la cámara de combustión. El carbón, procedente mayoritariamente de Alemania, es molido en cuatro molinos con capacidad para tratar 60 t/h cada uno a plena carga. La sección de tratamiento de gases de salida de la planta está equipada con un sistema SCR para el abatimiento de NOx, un sistema de precipitadores electrostáticos para la captación de la ceniza volante y una planta de desulfuración basada en el método caliza/yeso. Inicialmente la planta de Heilbronn quemaba tanto fango secado térmicamente como fango deshidratado mecánicamente. Sin embargo tras algunos años de experiencia se ha comprobado que la opción del fango deshidratado conlleva un menor impacto operacional y medioambiental. En la figura 2.12 se muestra el sistema de alimentación de combustible al horno de la planta. En él se observa cómo el fango es bombeado hasta la alimentación de los molinos de carbón. El sistema de aireación está diseñado para secar el carbón conforme va siendo pulverizado. La única limitación termodinámica en la capacidad evaporativa en los molinos está en el diseño de los calentadores de aire. De esta forma, el porcentaje de co-combustión depende del contenido de humedad del carbón y del fango. Una humedad adicional del 2% del fango deshidratado reduce la temperatura de los molinos de carbón de 100 a 85 ºC, convirtiéndose así en un factor limitante. Así, la co-combustión debe ser abandonada con contenidos de humedad en el carbón próximas al 14%. La proporción de combustible alternativo (fango) con que funciona la planta está en el rango 0,5 – 4 %.

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Figura 2.12 Sistema de alimentación de fangos deshidratados. Central térmica de Heilbronn (Alemania)

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Emisiones medias (mg/m3)

Parámetros Emisión

permitida (mg/m3) 100% carbón 96% carbón – 4% fango

CO 150 3 - 10 4.7 - 8.5 SO2 400 80 - 270 175 - 270 NOx 200 150 - 190 170 - 180 Partículas 50 5 - 20 4.6 - 6.1 HF 10 1 - 3.4 1.5 - 2.5 HCl 90 0.6 - 7 0.7 - 2.3 C orgánico - 1.0 0,3 - 1.3 Cd, Ti - < 0.005 < 0,005 Hg - 0,3 - 12 (µg/m3) 0,1 – 13 (µg/m3) Metales pesados - < 0,075 < 0.075 Dioxinas/Furanos - < 5 (pg/m3) < 5 (pg/m3)

Tabla 2.5 Datos de emisiones de la central térmica de Heilbronn (Alemania)

En la tabla 2.5 se resumen los datos de emisión de la planta de Heilbronn, con y sin apoyo de combustible con fangos de depuradora deshidratados. Los datos no reflejan ningún incremento significativo en la concentración de contaminantes emitidos por chimenea, especialmente en lo que respecta a SO2, NOx, metales pesados (especialmente Hg), gases ácidos o dioxinas. Las emisiones se sitúan todas por debajo de las estrictas restricciones legales del estado alemán. En Holanda también existen dos centrales térmicas que, junto al carbón, utilizan fangos de depuradora como combustible alternativo. Son las plantas de Borssele 12 y de Hemweg 8. La primera tiene una capacidad de 420 MWe, y utiliza fangos secados térmicamente desde 1998. El sistema de combustión es de carbón pulverizado, quemado tangencialmente con 5x4 quemadores de bajo NOx. El caudal de fangos tratado oscila entre las 6.000 y las 12.000 toneladas por año. La central de Hemweg 8 valoriza fangos secados térmicamente hasta el 90% MS, procedentes de la ciudad de Ámsterdam y la provincia del norte de Holanda desde el año 1996, fecha en la que se iniciaron las primeras pruebas. El carbón se quema pulverizado gracias a 6x6 quemadores de bajo NOx. La cantidad de fango tratado se sitúa en torno a las 75.000 toneladas por año, un 3% del combustible total empleado. En ambos casos el fango es mezclado con el carbón en bruto antes de su molienda. Otro ejemplo de central térmica en la que se valorizan fangos de depuradora lo encontramos en Cerdeña. La central de Barega apoya el consumo de carbón aportando residuos sólidos urbanos (RSU) y fangos de depuradora procedente de toda la isla. La planta consume 7.000 t/año de fangos y 71.500 t/año de RSU frente a 26.000 t/año de carbón, produciendo una potencia térmica de 45 MWt y una potencia eléctrica de 12,5 MWe. En la figura 2.13 se representa el complejo sistema de pretratamiento de los diferentes tipos de combustible del horno. En la tabla 2.6 aparecen los datos de emisión y los límites legales relacionados de esta planta, observándose el estricto cumplimiento de los mismos.

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Figura 2.13 Sistema de pretratamiento de combustible en la central térmica de Cerdeña (Italia)

EMISIONES Planta de Cerdeña (mg/Nm3)

Límites legales (mg/Nm3)

Partículas 6 10

HCl 19 20

SO2 87 100

HF <1 1

NOx 100 - 150 200

Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn < 0,5 0,5

Hg (gas + part) < 0,01 0,05

Cd + Tl (gas + part) < 0,05 0,05

Tabla 2.6 Datos de emisión de la planta de co-combustión de Cerdeña (Italia) 2.3.5 Sistemas de futuro Entre los sistemas de valorización energética de fangos que podrán ocupar un puesto destacado en el futuro, algunos poseen en la actualidad un nivel de desarrollo que los convierte en soluciones que pueden comenzar a implantarse a nivel industrial a muy corto plazo. Se puede destacar la gasificación, la oxidación húmeda y la termólisis.

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a) Gasificación del fango (Figura 2.14) La gasificación es un proceso térmico en el que un material con contenido combustible se convierte con aire (a veces oxígeno y/o aire) en un gas inflamable, de moderado poder calorífico (gas de síntesis o syngas). Esta tecnología se emplea desde antes de la Segunda Guerra Mundial, en la que era utilizada para el suministro local de potencia en la industria. Más tarde, durante la guerra, debido a la escasez del suministro de petróleo fue también utilizada para proporcionar combustible a automóviles, camiones, etc. Los reactores más usados para la gasificación son los de lecho fijo, los de lecho fluido y los de lecho circulante. El primer paso en las instalaciones de gasificación de fangos es la eliminación de la mayoría del agua que contienen, mecánicamente deshidratados (digeridos o no digeridos), por medio del secado térmico hasta un contenido en materia seca del 85 al 93 %, dependiendo del tipo de gasificador. Entonces, el fango está preparado para su gasificación, para su incineración con una cantidad de oxígeno sub-estequiométrica. Los diversos compuestos del fango son parcialmente, y algunos completamente, oxidados. En la zona de reducción del gasificador tiene lugar un gran número de reacciones. El proceso global puede ser descrito por tres reacciones principales: C + CO2 ←→ 2 CO C + H2O ←→ CO + H2 CO + 3 H2 ←→ CH4 + H2O Como la composición del fango puede variar de una forma importante, la composición del gas de salida del proceso de gasificación también variará considerablemente. La mayoría de los reactores de gasificación a escala industrial son de lecho fluido, en los que el combustible suele introducirse por la parte inferior o media. En la zona inferior tiene lugar una oxidación parcial y diversas reacciones que convierten el combustible en gas con un poder calorífico inferior entre 5 – 7 MJ/m3. Se obtiene este gas si la aportación de oxígeno se hace por medio de aire (el gas más abundante en el gas de síntesis es el nitrógeno). Si el aire es enriquecido, el PCI del gas será mucho más elevado. A diferencia de la combustión, donde la presencia de agua es siempre un problema, la gasificación precisa de un cierto contenido de agua (el rango idóneo oscila del 10 al 30%) para desarrollar las reacciones de formación de hidrocarburos. La gran ventaja del sistema es la correcta transformación del combustible en gases y la ausencia de inquemados sólidos. Como inconveniente debe resaltarse la formación de compuestos intermedios, hidrocarburos policíclicos (alquitranes) que suelen originar problemas durante el enfriamiento del gas.

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Figura 2.14 Esquema de una planta de gasificación de fangos de depuradora

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b) Pirólisis del fango La pirólisis consiste en una degradación térmica de la materia orgánica en ausencia de agente oxidante. Es un sistema que precisa, como la gasificación, aporte externo de calor. Existen muchas marcas comerciales que extraen este calor de la combustión parcial de parte del combustible. Si bien hay que reconocer que ello choca contra la ortodoxia de la propia definición, muchos fabricantes se han inclinado por este sistema para evitar males mayores. Los gases que se generan en la pirólisis son de PCI más elevado que en la gasificación (al no usar oxígeno, tampoco hay nitrógeno). No obstante, al estar calientes, unos 500 ºC, una eventual entrada de aire conlleva peligro inminente de explosión, como desgraciadamente ha ocurrido en muchos lugares. La proporción entre los productos de la pirólisis es función del fango pirolizado y de las condiciones de proceso. Una buena aproximación es calcular un tercio de gases, un tercio de vapores (de líquidos o aceites pirolíticos a temperatura ambiente) y el resto de sólidos (coque). Cuanto mayor es la temperatura de proceso, mayor es la generación de gases y menor la de líquidos y sólidos. La ventaja de la pirólisis es la baja emisión de partículas, principalmente debido a la reducida temperatura del proceso, a parte, de la transformación del combustible en gas. Como inconvenientes cabe citar la generación de coque (char). En el caso de los fangos de depuradora, este residuo carbonoso puede superar el 25% en peso de la fracción orgánica. Este coque es de difícil reutilización, incluso su incineración es complicada. Otro producto es la formación de productos tóxicos intermedios. c) Combinación gasificación-pirólisis de fangos Considerando las ventajas e inconvenientes de los procesos de gasificación y pirólisis, la síntesis de ambos procesos es la solución, teóricamente ideal, para resolver el problema de la valorización de la fracción orgánica de los fangos de EDAR. Los fangos secos se introducen con una humedad residual del 20 – 30%, junto con ciertos aditivos inorgánicos en un reactor rotativo que trabaja a una temperatura de unos 900 ºC con defecto de aire. En el reactor tienen lugar reacciones de gasificación y pirólisis. La elevada temperatura favorece la pirólisis-flash, con lo que la generación de gases es máxima. La inclinación y rotación del reactor favorece la completa gasificación de la materia orgánica, a base de aumentar el tiempo de residencia de los sólidos. A la salida del reactor se separa por la parte inferior, la fracción no combustible (parte inorgánica del fango y aditivos añadidos), y por la parte superior la masa de gases. Los gases pasan a una cámara de oxidación donde se les añade el oxígeno que exige la legislación para ser enviados a la caldera de recuperación. En la actualidad, existen más de 100 plantas de este tipo funcionando en todo el mundo, la mayoría en Japón y Europa. d) Oxidación húmeda del fango (Figura 2.15) La oxidación húmeda de los fangos consiste en la destrucción de la materia orgánica que contienen, por oxidación de la misma, sin vaporización de agua. Se necesitan temperaturas de 200 – 300 ºC, y presiones entre 30 y 150 bar, en presencia de un agente oxidante, como puede ser el oxígeno o el peróxido de hidrógeno.

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La presión necesaria puede alcanzarse mediante bombas de alta presión o reactores especialmente diseñados: conductos que alcanzan hasta los 1.200 m de profundidad bajo tierra, en cuyo fondo el fango fluido atraviesa una zona de alta temperatura y presión antes de volver a ascender de nuevo a la superficie. La presión se obtiene de manera natural, aprovechando la presión hidrostática, con el consiguiente ahorro económico. Mediante esta vía de tratamiento de los fangos, no es necesaria la deshidratación previa mecánica de los mismos.

Figura 2.15 Diagrama de flujo simplificado de la oxidación húmeda La principal corriente de salida del proceso está constituida por un fango que contiene más de un 95% de compuestos minerales y menos de un 3% de sustancias orgánicas de bajo peso molecular. El fango es deshidratado y posteriormente puede ser valorizado. Como el agua obtenida en la deshidratación es muy rica en amoníaco, necesita ser tratada localmente (denitrificación) o conducida a una planta depuradora de aguas. Las corrientes gaseosas de escape se caracterizan por contenidos despreciables de NOx, SO2 y partículas, aunque se encuentran compuestos orgánicos volátiles, cuya proporción depende del fango tratado. Los caudales de alimentación usuales en este tipo de instalaciones varían de 1 a 45 m3/h (de 5 a 100 g/min), con una demanda química de oxígeno (DQO) entre 10.000 y 100.000 mg/l. La oxidación húmeda involucra la aparición de las siguientes reacciones:

Compuestos orgánicos + O2 → CO2 + H2O + RCOOH* Especies sulfurosas + O2 → SO4

-2 Cl orgánico + O2 → Cl-1 + CO2 + RCOOH* N orgánico + O2 → NH4

+1 + CO2 + RCOOH* Fósforo + O2 → PO4

-3

* Los ácidos orgánicos de cadena corta tales como el acético constituyen la mayor parte de los compuestos intermedios en la oxidación residual en los efluentes de la oxidación húmeda.

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2.3.6 VALORIZACIÓN DE LA FRACCIÓN INORGÁNICA. VITRIFICACIÓN Un proceso de vitrificación a alta temperatura puede convertir residuos potencialmente contaminantes, como las cenizas y las escorias de la gasificación o la incineración de los fangos de depuradora, en un material cerámico inerte que puede ser utilizado como un producto comercial. Mientras que los compuestos orgánicos de la corriente de fangos son quemados o gasificados, los compuestos inorgánicos pueden ser incorporados a una matriz vítrea no contaminante, valorizando así también la fracción inorgánica de los lodos. La vitrificación puede considerarse la tecnología más segura para lograr la inertización de residuos de naturaleza inorgánica. La vitrificación es un proceso por el cual se funde un conjunto de materiales y posteriormente se enfrían, consiguiendo una naturaleza unitaria en el producto de salida. Para lograr la fusión, es preciso alcanzar una temperatura muy elevada, sobre los 1.400ºC, según la naturaleza de los componentes. Los vidrios suelen definirse como líquidos subenfriados de viscosidad infinita. Es decir, a temperatura ambiente tienen apariencia de sólidos, proporcionada por su rigidez mecánica derivada del aumento de viscosidad de la masa fundida. Pero no deben considerarse como sólidos, aunque desde el punto de vista mecánico los vidrios se comporten como tales, ya que poseen una estructura amorfa, sin la estructura cristalina que caracteriza y define al estado sólido. Las sustancias en general, y los residuos en particular, tienen en su mayoría una estructura cristalina. Las celdillas elementales se ordenan geométricamente en el espacio formando una red perfectamente definida. En el proceso de fusión, primera etapa para obtener un vidrio, al aumentar la temperatura, el calor distorsiona la red molecular hasta transformarla en una estructura reticulada al azar (estructura amorfa). A mayor temperatura algunos enlaces se rompen y es posible la inserción de metales pesados en la estructura del vidrio. Esta es la posibilidad que ofrece esta tecnología al tratamiento de residuos. En la inertización de residuos, el producir desvitrificaciones (recristalizaciones a partir del vidrio durante la etapa de enfriamiento), es una ventaja ya que los microcristales creados en el seno del vitrificado, tienen una solidez mayor que el vidrio del que proceden y esto, en términos medioambientales, supone una mayor resistencia a la lixiviación. No puede establecerse una garantía de estabilidad guiándose por el criterio de la desvitrificación pero, en principio son válidos los siguientes criterios: - En igualdad de condiciones, la estructura cristalina correspondiente a una

determinada fórmula química es más resistente que la vítrea. Por tanto, el fomento de la desvitrificación es favorable.

- El factor complejidad de cationes, que forman parte del grupo de los óxidos modificadores de retículo, favorece la fusión más prematura a la par que forma un vidrio más complejo y resistente. Esta propiedad es claramente favorable a la aplicación de la vitrificación a la inertización de residuos.

- Los vidrios generados a mayor temperatura son más resistentes que los de baja temperatura.

De todo ello se desprende que una buena forma de inertizar los compuestos metálicos presentes en los fangos de depuradora, a la vez que se reciclan, es la vitrificación. No debe olvidarse que mientras el fango está seco los diversos óxidos de metales pesados están más o menos retenidos, pero después de la gasificación, pirólisis o combustión los óxidos están más libres y lixivian con mayor facilidad.

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Figura 2.16 Principio de funcionamiento de un vitrificador de balsa continuo a) Proceso de vitrificación de fangos En un sistema de vitrificación se distinguen normalmente cuatro secciones: - Preparación de la alimentación - Precalentador - Vitrificador - Sistemas de tratamiento de los gases de escape La preparación de la alimentación consiste en un secador de tambor, donde se añaden los aditivos necesarios. El precalentador permite que la temperatura de la carga pueda superar los 600 ºC. Los gases de escape del vitrificador pueden ser conducidos a un intercambiador para aprovechar su calor, y de ahí ser conducido hasta sistemas de captación de la materia particulada, de lavado húmedo, de eliminación de los NOx, y de eliminación de trazas de componentes orgánicos. El proceso de fusión puede realizarse en tres tipos de hornos: de crisol, rotativo y de balsa (Figura 2.16). Los dos primeros suelen ser discontinuos mientras que el último es continuo. A partir de ciertas producciones, por razones de ahorro energético, se procura el uso de los sistemas continuos. b) Otros aspectos de la vitrificación 1. Los aditivos Las cenizas procedentes de la descomposición térmica de los lodos de depuradora no tienen una fórmula adecuada para fundir, por elevada que sea la temperatura. De ahí la necesidad de añadir unos aditivos, que esencialmente son:

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- Fundentes, para reducir al máximo la temperatura de trabajo. - Formadores de red vítrea, normalmente cuarzo La operación de fusión será tanto más fácil cuantos más fundentes se hallen presentes. Otra opción es la introducción de una parte de vidrio (cascote), material de naturaleza ya amorfa, en la formulación puesto que el ataque del líquido es mucho más efectivo que el de un sólido. De ahí arranca la posibilidad de usar residuos para la formulación de vitrificados. La ventaja del proceso descrito es que al entrar todos los compuestos en el reactor de gasificación, pirólisis o incineración, los minerales (aditivos o residuos) que son esencialmente carbonatos abandonan el CO2 en el reactor y se incorporan a la masa de gases, entrando en el vitrificador sólo los óxidos, lo que mejora la calidad del producto. Además se reduce el consumo energético del proceso de fusión. Otra ventaja adicional del sistema de vitrificación es la posibilidad de vitrificar los compuestos que se adicionan para aminorar la generación de hidrocarburos de cadena larga en el reactor de gasificación-pirólisis. 2. Aspectos energéticos de la vitrificación La vitrificación es una tecnología que se aplica a los materiales, residuales o no, de naturaleza inorgánica. Hay que tener presente que la inmensa mayoría de las reacciones que tienen lugar durante la fusión no absorben ni ceden calor. O en el caso de hacerlo, como la descomposición de la caliza en CaO y CO2, el calor absorbido es despreciable en el conjunto del balance térmico. Desde el punto de vista fisicoquímico, es preciso alcanzar una elevada temperatura para romper enlaces y fundir el elemento más débil que hará funciones de fundente. Una vez líquido, éste atacará al siguiente hasta hacer lo mismo con el formador de vidrio, que habitualmente suele ser el SiO2.. Normalmente no es suficiente alcanzar la temperatura de fusión, ya que el líquido fundido, el vitrificado, debe evacuarse por la parte inferior del horno y, al ceder algo de calor durante la salida, el descenso de temperatura provoca un aumento importante de la viscosidad e impide el colado.

Figura 2.17 Balance energético de la vitrificación

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En resumen, el consumo energético será importante ya que será preciso alcanzar la temperatura de colado que en la práctica es la misma que la necesaria para colar vidrio fabricado a partir de materias primas vírgenes. Sin embargo, la temperatura del baño es menor y no existe el calor de fusión, por tanto el consumo energético es menor si se recicla vidrio usado. Los valores típicos de consumo energético, para una temperatura de trabajo de 1.400ºC, son del orden de 1,8 th/kg de material vitrificado. La mayor parte del consumo energético (Figura 2.17) corresponde a los gases de salida que abandonan el vitrificador a 1.400ºC. La ventaja de un sistema integrado de tratamiento de fangos de depuradora es que este caudal de gases se puede enviar también a la caldera de recuperación para la valorización energética total. c) Plasma térmico El plasma, conocido como el cuarto estado de la materia, consiste en la ionización de un flujo gaseoso, eléctricamente neutro, por medio de corriente eléctrica. La tecnología del arco de plasma puede crear plasma utilizando cualquier tipo de gas (oxígeno, nitrógeno, CO, aire, etc.) dentro de un amplio rango de presiones (desde el vacío hasta 20 atm). La llama de la antorcha de plasma es de hecho un arco energizado, similar a la luz. El arco de plasma permite así mismo alcanzar una amplio espectro de temperatura, desde los 1.500 ºC hasta los 7.000 ºC. La antorcha de plasma utiliza electrodos de cobre para crear arcos no transmisibles. La antorcha y los electrodos son refrigerados por agua. La vida media de los electrodos varía entre las 200 y las 500 horas de operación. Una fuente de energía de corriente continua suministra los requisitos eléctricos de la antorcha, en un rango de potencia entre los 100 kW y los 10 MW. El potente campo electromagnético creado ioniza el gas y le comunica casi toda la energía. A diferencia de un sistema convencional (horno de incineración, gasificación o pirólisis), donde la energía liberada por el combustible está repartida en el volumen de la cámara, la energía contenida en el gas ionizado por la antorcha de plasma es posible dirigirla y concentrarla en un espacio reducido.

Figura 2.18 Sección transversal de la antorcha de plasma

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El empleo de temperaturas tan elevadas no es aconsejable desde el punto de vista medioambiental, porque facilita la volatilización de ciertos metales y el resultado es contrario al que se perseguía, además de producir una gran cantidad de NOx que han de ser tratados. En algunas instalaciones se emplea el plasma térmico para la vitrificación de las cenizas procedentes de la incineración de RSU o de fangos de depuradora. La medida parece un poco desproporcionada si se tiene en cuenta el importe de la instalación y, sobre todo, los costes de explotación. El consumo energético específico de la vitrificación por medio de plasma es muy superior al del sistema convencional y la adición de aditivos es también necesaria, si bien en menor escala puesto que la temperatura de trabajo es mucho mayor.