Residuos sólidos urbanos: aprovechamiento energético
Residuos sólidos urbanos: aprovechamiento
energético
Introducción
Se
define como residuo sólido urbano a todo aquel material que es desechado por la
población, pudiendo ser este de origen doméstico, comercial o industrial y que
no sea considerado como residuo peligroso.Los
residuos pueden ser clasificados de acuerdo a su origen, a su gestión o de su
grado de peligrosidad.
Respecto a su origen, se clasifican de acuerdo a su
proveniencia es decir: limpieza urbana; de establecimientos comerciales y
prestadores de servicios; de los servicios públicos de saneamiento básico;
industriales; de servicios de salud; de construcción civil; agroforestales; de
servicio de transporte y residuos de minería.
Con respecto al grado de peligrosidad: Residuos peligrosos
(son aquellos que en base a sus características de corrosividad, reactividad,
toxicidad, inflamabilidad, patogenicidad, carcinogénesis, mutagénesis y
teratogénesis, presentan un significativo riesgo a la salud pública o a la
calidad ambiental) y residuos no peligrosos.
En
la siguiente imagen se muestra la clasificación de los residuos.
El tratamiento de los residuos con los fines de obtención
de energía dependerá de las características físicas, químicas y biológicas de los residuos
sólidos. Otro aspecto fundamental es el poder calorífico (inferior, pci y
superior, pcs) de los residuos.
En la siguiente imagen se muestra un esquema de los procesos de conversión de energía
Procesos de
conversión de energía
Conversión
biológica
Los residuos de naturaleza orgánica pueden ser tratados
por los procedimientos convencionales de oxidación anaeróbica en rellenos
sanitarios o biodigestores para la producción de biogás, constituido primordialmente
por metano y dióxido de carbono. A pesar de los impactos negativos sobre la
salud y el medio ambiente, el biogás se puede utilizar como una fuente
potencial de energía debido a su alto poder calórico promedio de 20 MJ/m3. Es
así como el biogás puede utilizarse de forma directa como energía térmica, generando
energía eléctrica o puede ser quemado para reducir el contenido de metano a
dióxido de carbono y agua.
En las
siguientes imágenes se muestra los procesos bioquímicos de formación y la composición promedio del biogás, así como
un esquema de un biodigestor
Conversión térmica.
Existe
una diversidad de tecnologías para el tratamiento de residuos sólidos,
principalmente basadas en tratamientos térmicos tales como la incineración
directa, la gasificación y la combustión. Las
principales tecnologías de conversión termoquímica disponibles son: la
incineración (combustión oxidativa completa), gasificación (oxidación parcial),
pirolisis (degradación térmica de la materia orgánica en ausencia de oxígeno) y
tecnologías basadas en plasma (combinación de pirolisis/gasificación de la
fracción orgánica y plasma con la vitrificación de la fracción inorgánica de
residuos suministrados).
Para aprovechar el máximo poder energético de los residuos
se recurre a la cogeneración, es decir se aprovecha una parte de la energía en
forma de calor. En la siguiente imagen se puede observar un modelo de
cogeneración de energía.
Incineración
Para el proceso de incineración se reciben los residuos y
materias primas, luego se almacenan de manera adecuada, y posteriormente se
realiza el pre-procesamiento de residuos, que incluye tratamientos in situ y
operaciones de mezcla , donde se verifica una separación de los residuos más
voluminosos, y se llevan a cabo los procesos de trituración, tamizado,
separación y densificación. Posteriormente, se procede a la incineración, que
incluye la carga de residuos en el horno, mezcla de los residuos, inyección del
aire, combustión y postcombustión. Las principales etapas del proceso de
incineración son: secado y volatilización; la pirolisis y gasificación, y la
oxidación. Estas etapas individuales, generalmente se superponen, lo que
significa que la separación espacial y temporal de las mismas durante la incineración
de residuos sólo puede ser posible en una medida limitada. Sin embargo, es
posible influir en estos procesos con el fin de reducir las emisiones
contaminantes, por ejemplo, mediante el uso de medidas tales como el diseño del
horno, distribución del aire y la ingeniería de control Durante las últimas
décadas, la mayoría de los países industrializados con densidades de población
elevadas, han empleado la incineración como procedimiento alternativo al
vertedero controlado, para el tratamiento de los residuos sólidos urbanos.
Precisamente, el poder calorífico del material a incinerar y el potencial
contaminante de las emisiones son dos causas que han hecho evolucionar los
sistemas de incineración hacia procedimientos capaces de alcanzar mayores
rendimientos en la combustión y mayor eficacia en la eliminación de
contaminantes. Los residuos son, por lo general, materiales altamente
heterogéneos, compuestos esencialmente por sustancias orgánicas, minerales,
metales y agua y–durante la incineración–se generan diferentes gases (CO2 , H2
O, O2 , N2 ) que contienen la mayor parte de la energía liberada en forma de
calor durante su combustión. Además, obedeciendo a la composición del material
incinerado y las condiciones de funcionamiento, aparecen cantidades menores de
otros gases: CO, HCl, HF, HBr, HI, NOX, SO2, dibenzo-p-dioxinas policlorados y
albenzofuranos policlorados, bifenilos policlorados y compuestos de metales
pesados, que se forman o se mantienen. Sin embargo, la incineración de residuos
puede ser un método amigable con el medio ambiente, si se combina con la
recuperación de energía, control de las emisiones y un método apropiado de
eliminación de los residuos finales. En función de las temperaturas de
combustión durante las etapas principales de la incineración, los metales
pesados, volátiles y compuestos inorgánicos (por ejemplo, sales) son total o
parcialmente evaporados. Estas sustancias se transfieren desde los residuos de
entrada tanto para los gases de combustión como para las cenizas volátiles.
El proceso de combustión de la fase gaseosa se produce en
fracciones de segundo y libera energía de forma simultánea. Cuando el poder
calorífico del residuo y el suministro de oxígeno es suficiente, esto puede producir
la reacción térmica en cadena y la combustión auto-sustentada, es decir, que no
requiere la adición de otros combustibles. El poder calorífico del residuo
constituye un factor determinante en la economía de la incineración. La
composición de los residuos está determinada por cuatro elementos: humedad,
cenizas, volátiles y carbono fijo, que se determinan mediante el llamado
análisis inmediato y se realiza de acuerdo con procedimientos normalizados. Es
importante profundizar en la composición y características de las cenizas
contenidas en los residuos. El contenido de metales pesados es muy importante,
ya que pueden quedar en las cenizas finales del proceso, o pasar a la fase
gaseosa (en el caso de metales volátiles), o formar compuestos de As, Cd, Pb o
Hg, que tendrán que ser eliminados para satisfacer los límites de emisión
exigidos por la legislación. Otra de las características de las cenizas es su
fusibilidad, que depende no sólo de su composición, sino también del carácter
más o menos oxidante de la atmósfera en la que se lleve a cabo la incineración.
En los incineradores de residuos urbanos las cenizas de fondo constituyen,
aproximadamente, entre el 25 y el 30%, en peso, de la entrada de residuos
sólidos. El tratamiento adicional puede mejorar las características de las
cenizas de fondo y permitiría su uso en hormigón y otros materiales de
construcción. En particular, la vitrificación recibe mucha atención, como una
tecnología prometedora para la transformación de dichas cenizas en materiales
inertes. Sin embargo, dado que es un proceso intensivo de energía que implica
altos costos, su uso sólo puede justificarse si se puede fabricar un producto
de alta calidad.
La cantidad de cenizas volátiles es mucho más baja, por lo
general 1-5%, en peso, de los sólidos de entrada. La incineración, por ser una
tecnología altamente compleja, implica grandes inversiones y grandes costos
operativos. El montaje de una planta es una decisión importante y hay que tener
en cuenta el nivel de energía, la contribución económica general y la reducción
de emisiones a la atmósfera.
En la siguiente imagen se muestra el esquema de una planta
de incineración con recuperación de energía para la producción de vapor y
generación de electricidad.
Gasificación
La
gasificación es una oxidación parcial de sustancias orgánicas a temperatura
elevada (500-1800 °C) para producir un gas de síntesis (syngas), el cual se
puede utilizar como materia prima para la industria química (a través de
algunos procesos de reformado), o como combustible para la producción de
electricidad y/o calor. El gas de síntesis contiene CO, CO2, H2, H2 O, CH4,
trazas de hidrocarburos superiores (etano y propano), gases inertes procedentes
del agente de gasificación y diversos contaminantes.
Existen diferentes procesos de gasificación, que son
adecuados para el tratamiento de los residuos urbanos, desechos peligrosos y
lodos de aguas residuales. Un buen funcionamiento del reactor de gasificación
(eficiencia de conversión alta y mínima formación de alquitrán) requiere que
las características de los residuos que entran se mantengan dentro de ciertos
límites predefinidos. Los siguientes tipos de reactores de gasificación se
encuentran con mayor frecuencia en la práctica: de lecho fijo, de lecho
fluidizado, y de flujo arrastrado. La materia prima (residuos) debe ser
pretratada para su utilización en los gasificadores. Los residuos peligrosos
pueden ser gasificados directamente si son líquidos o finamente granulados.
Pirólisis
La pirólisis es un proceso termoquímico, ya sea en
ausencia completa de un agente oxidante, o con sólo una cantidad limitada
(gasificación parcial), con el fin de proporcionar la energía térmica necesaria
para la pirólisis. Se emplean temperaturas relativamente bajas (400-900° C) en
comparación con la gasificación (alrededor a 700 °C). Se obtienen tres
productos: gas de pirólisis, el líquido de pirólisis y el coque sólido. Las
proporciones relativas de cada uno de ellos dependen en gran medida del método
de pirólisis y de los parámetros del proceso en el reactor. Las plantas de
pirólisis para el tratamiento de residuos, por lo general, incluyen las siguientes
etapas básicas del proceso:
1.
Preparación y molienda: el molino mejora y homogeniza la calidad de los
residuos obtenidos para el procesamiento identificando así la transferencia de
calor.
2.
Secado: una etapa de secado separada mejora el poder calorífico neto de los
gases de proceso y aumenta la eficiencia de las reacciones gas-sólido en el
reactor.
3. La pirólisis de residuos: además del gas de pirólisis,
se acumula un residuo sólido que contiene carbono, y porciones minerales y
metálicas.
4.
El tratamiento secundario de gas de pirólisis y el coque de pirólisis: a través
de la condensación de los gases para la extracción de mezclas de aceites
energéticamente utilizables y/o incineración de gas y coque para la destrucción
de los componentes orgánicos y la utilización simultánea de energía.
Los
reactores de pirólisis convencionales tienen una de las siguientes
configuraciones: de lecho fijo, de lecho fluidizado, de flujo arrastrado, de
lecho móvil, horno rotativo, etc., y con frecuencia requieren tratamiento
previo de residuos. La interacción entre un gran número de fenómenos
termoquímicos se traduce en una gran diversidad de sustancias obtenidas y
aumenta la complejidad del proceso. Varios cientos de compuestos diferentes son
producidos durante la pirólisis de residuos, y muchos de ellos aún no han sido
identificados. Un conocimiento profundo de las características y la
concentración de los efluentes a tratar es esencial, sobre todo cuando se
refiere a las sustancias peligrosas. La utilidad de la pirólisis para la
producción de combustible secundario o recuperación de sustancias a partir de
residuos depende de la presencia de agentes contaminantes potenciales, lo que
podría hacer difícil de usar los productos de la pirólisis.
Tecnologías basadas en el plasma
El plasma se conoce como el cuarto estado de la materia.
La presencia de especies gaseosas cargadas hace que el plasma sea altamente
reactivo y que se comporte significativamente diferente de otros gases, sólidos
o líquidos. La energía necesaria para crear un plasma puede ser térmica o
transportada por una corriente eléctrica o de radiaciones electromagnéticas. La
aplicación de sistemas basados en el plasma para la gestión de residuos es un
concepto relativamente nuevo y ofrece algunas ventajas. Las altas densidades de
energía y temperaturas que se pueden conseguir en ellos permiten alcanzar una
alta velocidad de transferencia de calor y de reactivos, que posibilita reducir
el tamaño de la instalación para un caudal de residuos dado, y permite también
fundir materiales de alto punto de fusión lo que incrementa la reducción de
volumen global de los residuos. Dado que la electricidad es la fuente de
energía utilizada, no es necesaria la combustión de una parte de los gases
combustibles generados, lo que aumenta la capacidad de control y flexibilidad
del proceso. Por otra parte, dicha energía es cara, lo que convierte las
consideraciones económicas en la barrera más fuerte para el uso de plasmas en
el tratamiento de residuos. Esta tecnología es atractiva cuando el valor de los
productos compensa los costos reales. Las tecnologías de plasma para el
tratamiento de residuos se pueden dividir en diferentes categorías: la
pirólisis por plasma, gasificación por plasma, plasma- compactación-
vitrificación, y combinaciones de los tres ya mencionados (en particular para
los residuos sólidos con alto contenido de orgánicos).
Pirolisis por plasma.
Entre los diferentes procesos de tratamiento
de residuos con plasma, se han realizado los más amplios estudios científicos
sobre la pirólisis por plasma. Los diferentes tipos de residuos orgánicos, que
van desde neumáticos usados y plástico hasta residuos agrícolas y desechos
hospitalarios, han sido sometidos a pruebas de pirólisis por plasma en
proyectos de laboratorio y a escala piloto. Este procedimiento, al utilizarse
en residuos orgánicos, por lo general da lugar a dos corrientes de producto: un
gas combustible y un residuo carbonoso (char). Los experimentos de laboratorio
han demostrado que la pirolisis por plasma ofrece un potencial para la
recuperación del carbono negro de neumáticos usados. Aunque se han logrado
importantes avances de investigación en esta área en los últimos años, todavía
hay considerables desafíos técnicos para desarrollar y modificar los procesos
de pirolisis por plasma para el tratamiento de flujos de residuos sólidos en
aplicaciones industriales.
Gasificación por plasma y vitrificación
Las
condiciones de alta temperatura que se alcanzan en la gasificación por plasma
llevan a la descomposición de los compuestos orgánicos en sus constituyentes
elementales, formando un gas de síntesis de alta energía, que consiste
principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono. La energía contenida en este
plasma permite el uso de combustibles con bajo contenido de energía, tales como
residuos domésticos e industriales, que a menudo no pueden sostener su propia
gasificación sin un combustible adicional. Por un lado, el alquitrán, char y
las dioxinas se descomponen, resultando en un gas de síntesis más limpio en
comparación con los procesos de gasificación convencionales. La fracción
inorgánica (vidrio, metales, silicatos, metales pesados) se funde y se
convierte en una densa, inerte y no lixiviada escoria vitrificada. El gas de
síntesis se puede utilizar para la producción eficiente de la electricidad y/o
calor, o combustibles líquidos de segunda generación; por ejemplo, diésel
Fischer Tropsch. La escoria vitrificada debe ser inerte para los procesos de
lixiviación y, en consecuencia, aplicable como aditivo de material de
construcción. En algunas aplicaciones puede ser ventajoso usar oxígeno como gas
de plasma ya que esto reduce el flujo de gas total en el reactor, así como la
cantidad de nitrógeno.
Bibliografía
- http://www.minam.gob.pe/educacion/wp-content/uploads/sites/20/2017/02/Publicaciones-2.-Texto-de-consulta-M%C3%B3dulo-2.pdf
- http://www.um.edu.uy/docs/10_conversion_de_residuos_solidos_urbanos-en_energia.pdf
- http://www.redisa.net/doc/artSim2009/TratamientoYValorizacion/Emisiones%20de%20biog%C3%A1s%20producidas%20en%20rellenos%20sanitarios.pdf
- Rúa-Orozco, Dimas & Carlos Escobar Palacio, Jose & Melo, Aline & Martín Martínez Reyes, Arnaldo & Barros, Regina & Lora, Electo. (2015). Generación de energía a partir de los residuos sólidos urbanos.
- https://www.puntosobrelai.net/tecnologias-para-el-tratamieno-de-residuos-solidos-urbanos/
.
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