8. EQUIPO Y TECNICAS DE PROCESADO

Las técnicas de procesado se utilizan para mejorar la eficiencia de operaciones en sistemas de manejo de desechos sólidos, recuperar recursos (materiales utilizables), y recuperar productos de conversión y energía. El propósito de este capítulo es describir las técnicas más importantes utilizadas en el procesamiento de desechos sólidos. Debido a que muchas técnicas, especialmente aquellas asociadas con la recuperación de materiales y energía, están en un estado de cambio continuo con respecto a los criterios de diseño, el objetivo acá es sólo el de presentarlos al lector. Se presenta información adecuada de Ingeniería cuando la hay disponible; también se mencionan, cuando se conocen, factores que deben ser considerados en la selección de equipo, diferentes, al costo. Sin embargo, se hace énfasis en que si estas técnicas van a ser consideradas en el desarrollo de sistemas de manejo de desechos, los datos de diseño ingenieril y de la eficiencia se deben obtener de registros de instalaciones en operación, pruebas de campo, fabricantes de equipo y de la literatura.

A continuación de una breve discusión de los principales propósitos del procesado, se describen cinco técnicas y el equipo involucrado en cada una de ellas. Estas técnicas son: 1) reducción mecánica del volumen (compactación) 2) reducción química del volumen (incineración), 3) reducción mecánica del tamaño (fragmentación), 4) separación de componentes (manual y mecánica) y 5) secado y deshidratación (reducción del contenido de humedad). De estos, los primeros dos han sido usados en el procesamiento de desechos sólidos desde principios de siglo. Aunque se han usado extensamente en otros campos, las tres últimas técnicas no tienen una larga historia de aplicación en el procesamiento de desechos sólidos. En el Capitulo 9 se presentan y discuten diagramas de flujo de muchas de estas técnicas.

8.1 PROPOSITOS DEL PROCESADO

La selección de técnicas específicas de procesado para un sistema de manejo de desechos sólidos depende de los propósitos a ser alcanzados. Como se mencionó anteriormente, los tres propósitos principales del procesado son mejorar la eficiencia de los sistemas de manejo de desechos sólidos, recuperar materiales utilizables y la conversión de productos y energía.

Mejora de la eficiencia de Sistemas de Manejo de Desechos Sólidos.

Para mejorar la eficiencia de sistemas de manejo de desechos sólidas se dispone de varias técnicas de procesado. Por ejemplo, para reducir las necesidades de almacenamiento en edificios de apartamentos de media y gran altura, se usan la incineración y el embalado (Vea Capítulo 5). Antes de reusar el papel de desecho, generalmente se embala para reducir las necesidades de espacio para embarque y almacenamiento. En algunos casos, se embalan los desechos para reducir los costos de acarreo al sitio de disposición. En el sitio de disposición, se compartan los desechos sólidos para usar eficientemente el terreno disponible. Si los desechos sólidos se van a transportar hidráulica o neumáticamente, es necesaria alguna forma de fragmentación. la fragmentación se usa también para mejorar la eficiencia de sitios de disposición. la selección de técnicas de procesado para estos propósitos depende de los componentes del sistema de manejo de desechos y, en la mayoría de los casos, es específica en cada situación.

Recuperación de Materiales para Reuso.

Los principales componentes de los desechos sólidos residenciales se reportan en el Capitulo 4. Como un aspecto práctico, los componentes más susceptibles de recuperación son aquellos para los cuales existen mercados y están presentes en los desechos en cantidades que justifican su separación.

Materiales que han sido recuperados de desechos sólidos incluyen papel, cartón, plástico, vidrio, metales ferrosos, aluminio y otros metales residuales no ferrosos. Debido a que todos estos materiales pueden ser de suficiente valor económico para justificar su separación (dependiendo de las condiciones del mercado), se han desarrollado una variedad de técnicas para la separación de cada componente. Algunas de las técnicas más establecidas se discuten más adelante en este capitulo.

Recuperación de Productos de Conversión y Energía.

Los materiales orgánicos combustibles se pueden convertir en productos intermedios y finalmente en energía en diferentes maneras, incluyendo 1) incineración o combustión directa en calderas para producir vapor, 2) pirólisis para producir un gas sintético o combustible liquido, y 3) biodigestión con o sin lodo de aguas residuales para producir metano. Estos tópicos se consideran con más detalle en el Capitulo 9. Lo que es importante en este capitulo es destacar que, con pocas excepciones, la materia orgánica combustible se debe separar de otros componentes de los desechos sólidos como primer paso. Una vez se han separado, más procesado es generalmente necesario antes de que los materiales se puedan usar en la producción de energía, típicamente, deben ser fragmentados y secados antes de usarse. Estas y otras técnicas son considera das en el resto de este capitulo. En el Capitulo 9 se discuten sistemas de recuperación completa de energía.

8.2 REDUCCION MECANICA DEL VOLUMEN

La reducción del volumen es un factor importante en el desarrollo y operación de casi todos los sistemas de manejo de desechos sólidos. En la mayoría de las ciudades, se utilizan vehículos equipados con mecanismos de compactación para la recolección de desechos sólidos. Para aumentar la vida útil de los rellenos sanitarios, generalmente se compactan los desechos antes de cubrirlos; el papel para recirculación se embala para el embarque a los centros de Procesado. Recientemente, se han desarrollado sistemas de compactación de alta presión para reducir las necesidades de rellenos sanitarios y producir materiales adecuados para usos alternos; éstos y otros tópicos relacionados a la reducción de volumen obtenida mediante técnicas de compactación son discutidas en esta sección. La reducción de peso de los desechos sólidos se considera más adelante en este capitulo (Vea sec. 8.6).

Equipos de Compactación.

Los tipos de equipo de compactación utilizados en operaciones de desechos sólidos se pueden clasificar como estacionarios y movibles. Donde los desechos son traídos y cargados en el compactador manual o mecánicamente, el compactador es estacionario. Usando esta definición, el mecanismo de compactación usado para comprimir los desechos en un vehículo de recolección es, en realidad, un compactador estacionario; en contraste, el equipo montado sobre ruedas usado para colocar y compactar desechos sólidos en un relleno sanitario se clasifica como móvil. En la Tabla 8.1 se reportan los tipos y aplicaciones de equipo de compactación usado rutinariamente.

Típicamente, los compactadores estacionarios se pueden describir de acuerdo con su aplicación como 1) trabajos ligeros, como los usados en áreas residenciales o de industrias livianas, 2) comercial o industria liviana, 3) industrial pesada, y 4) estación de transferencia. Los compactadores usados en estaciones de transferencia se pueden dividir de acuerdo a la presión de compactación en: baja presión, menos de 100 lb/pg2 (70,310 Kg/m2); presión alta, más de 100 lb/pg2. En general, todos los compactadores en las de más aplicaciones también serán clasificados como unidades de baja presión.

Donde se usan grandes compactadores estacionarios, los desechos pueden ser comprimidos: 1) directamente en el vehículo de transporte (Vea Capitulo 7). 2) en recipientes de acero que pueden ser movidos manual o mecánicamente, 3) en cámaras de acero diseñadas especialmente donde el bloque comprimido es atado con cintas u otros medios antes de ser removido, o 4) en cámaras donde son comprimidos en un bloque y luego sacados y acarreados sin atarlos.

Compactación de Baja Presión. Típicamente, los compactadores de baja presión incluyen aquellos usados en apartamentos y establecimientos comerciales (Vea Figura 8.1), equipo de embalaje usado para papel de desecho y cartón (Vea Figura 8.2), y compactadores estacionarios usados en estaciones de transferencia (Vea Figura 8.3). los compactadores estacionarios portátiles están siendo usados cada vez más por un número de industrias junto con operaciones de recuperación de materiales, especialmente para papel de desecho y cartón.

Compactación de Alta Presión. Recientemente se han desarrollado un número de sistemas de compactación de alta presión (hasta 5,000 lb/pg2). En la mayoría de estos sistemas se usa equipo especializado de compactación para producir desechos sólidos comprimidos en bloques o balas de varios tamaños. En un sistema el tamaño del bloque es de alrededor de 1.2m x 1.2m x 0.40m, y la densidad es de alrededor de 950 Kg/m3 a 1.100 Kg/m3. En otro sistema, los desechos pulverizados son expulsados, después de la compactación, en forma de cilindros de 22 cms. de diámetro; las densidades finales alcanzadas con este proceso varían de 950 a 1.010 Kg/m . La reducción de volumen obtenida con estos sistemas de compactación de alta presión varia con las características de los desechos; típicamente, la reducción varia de alrededor de 3 a 1 hasta 8 a 1.

 

TABLA 8.1

EQUIPO DE COMPACTACIÓN USADO PARA REDUCCIÓN DE VOLUMEN

Localización u operación

Tipo de compactador

Observaciones

Puntos de producción de desechos sólidos

Estacionario/

residencial vertical

Pistón vertical de compactación; puede ser operado mecánica o hidráulicamente; usualmente de alimentación fuerte; desechos compactadores en recipientes corrugados o papel o bolsas plásticas; usados en apartamentos de media y gran altura.

 

Rotatorio

El mecanismo de pistón usado para compactar desechos en bolsas de papel o plástico sobre plataforma giratoria, la plataforma gira a medida que se llenan los recipientes, usado en apartamentos de media y gran altura.

 

Bolsa o lanzador

Compactador puede ser alimentado por el conducto; ya sea con pistones verticales u horizontales; bolsas solas o solución continua. Las bolsas solas se deben remplazar y las bolsas continuas se desatan y vuelven a colocar, se usan en apartamentos de media y gran altura.

 

Bajo el mesón

Compactadores pequeños usados en residencias individuales y apartamentos; desechos compactados en bolsas especiales de papel; después de que los desechos son lanzados por la puerta de un panel en la bolsa y se cierra la puerta del panel se irrigan para control de olores; se presiona el botón para activar el mecanismo de compactación.

 

Estacionario/ comercial

Compactador con pistón vertical u horizontal; desechos comprimidos en recipientes de acero; los desechos son atados y removidos a mano; se usan en apartamentos de baja, media y gran altura, instalaciones comerciales e industriales.

Recolección

Estacionario/ empacador

Vehículos de recolección equipados con mecanismo de compactación (ver Capítulo 6)

Transferencia y/o estación de procesado

Estacionario/ trailer de transferencia estacionario

Trailer de transporte, generalmente cerrado, equipado con equipo de compactación interno.

 

Baja presión

Alta presión

Los desechos son compactados en grandes recipientes

Los desechos son compactados en balas densas u otras formas

Sitio de disposición

Rueda movible o equipo de tracción

Equipo especialmente diseñado para obtener máxima compactación de los desechos.

 

Estacionario/ tracción montada

Los compactadores estacionarios movibles de alta presión se usan para reducción de volumen en sitios de disposición.

 

TABLA 8.2

FACTORES IMPORTANTES DE DISEÑO EN LA SELECCIÓN DE EQUIPO CONVENCIONAL DE COMPACTACIÓN

Factor

Valor

Observaciones

unidad

rango

Tamaño de la cámara de cargue

Tiempo del ciclo

Yd3

s

< 1-11

20-60

Fija el tamaño máximo de los desechos que se pueden colocar en la unidad

El tiempo necesario para la fase del pistón de compactación, partiendo de posición de retracción total para empacar desechos en la cámara de cargue entre el recipiente receptor y volver a la posición inicial.

Volumen de la máquina

Desplazamiento

Yd3/h

30-1,500

El volumen de desechos que pueden ser desplazados por el pistón en el 1 h.

Presión de compactación

Penetración del pistón

Lb/pg2

pg

15-50

4-26

La presión sobre la cara del pistón

La distancia que penetra el pistón de compactación dentro del recipiente receptor durante el ciclo de compactación. A mayor distancia menor posibilidad de que los desechos caigan de nuevo en la cámara de cargue y se puede alcanzar mayor grado de compactación.

Relación de compactación

2:1-8:1

El volumen inicial dividido por el volumen final después de la compactación. La relación varía apreciablemente con la composición de los desechos.

Dimensiones físicas de la unidad

Variable

Variable

Afecta el diseño de áreas de servicio en edificios nuevos y la provisión de servicio para instalaciones existentes.

* Adaptado en parte de la Referencia 2

NOTA: yd3 x 0.7646 = m3

Yd3/h x 0.7646 = m3/h

Lb/pg2 x 0.0703 = kg/cm2

Pg x 2.54 = cm

Selección del Equipo de Compactación.

Los factores que se deben considerar en la selección del equipo de compactación incluyen:

1. Características de los desechos a ser compactados, incluyendo tamaño, contenido de humedad y densidad.

2. Método de transferencia y alimentación de los desechos al compactador.

3. Métodos de manejo y usos de los materiales compactados

4. Características de diseño del compactador (Vea Tabla 8.2).

5. Características operacionales incluyendo necesidades de energía, mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación, eficiencia comprobada y contabilidad, nivel de ruido, exigencias de control de polución de aire y agua.

6. Consideraciones del sitio incluyendo espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales relacionadas.

En las referencias 1, 3 y 7 se pueden encontrar detalles factores adicionales que deben ser considerados en varias aplicaciones específicas. Debido a que existe mucha confusión con relación al uso y aplicación de datos de la relación de compactación, este tema se considera más adelante.

Cuando se comprimen los desechos se reduce su volumen. la siguiente expresión da la reducción de volumen en porcentaje:

(8.1)

donde: Vi = volumen inicial de los desechos antes de la compactación

Vf = volumen final de los desechos después de la compactación

(8.2)

donde: Vi, Vf = como se definieron en la Ecuación 8.1.

 

 

(a)

(b)

Figura 8.1 Compactadores de baja presión usados en apartamentos y establecimientos comerciales: a) Compactador usado con un recipiente pequeño. El contenido de los recipientes llenos es vaciado con el compactador de autocargue frontal (Vea Figura 6.10)- b) Compactador usado con recipientes grandes. El recipiente lleno es acarreado al sitio de disposición, vaciado y devuelto utilizando un camión con mecanismo de cargue por volteo (Vea figura 6.7).

Figura 8.2 Embalador utilizado para cartón fragmentado.

 

La relación entre la relación de compactación y el porcentaje de reducción de volumen se muestra gráficamente en la Figura 8.4. Debido a la naturaleza de la relación, se puede ver que para alcanzar más del 80% de reducción se necesita un aumento desproporcionado de la relación de compactación. Por ejemplo, para alcanzar un aumento del 80 al 90 por ciento es necesario un aumento de la relación de compactación de 5 a 10. Esta relación es importante en el análisis entre la relación de compactación y el costo total (8).

Otro factor importante que se debe considerar es la densidad final de los desechos después de la compactación. En la Figura 8.5 se presentan algunas curvas típicas de desechos sólidos municipales sin procesar. El valor asintótico usado en el desarrollo de estas curvas es 1,800 lb/yd3, que es consistente con valores obtenidos usando compactadores de alta presión. Cuando se compactan desechos fragmentados bajo las mismas condiciones, la densidad puede ser hasta el 36% mayor que la de los desechos sin procesar, hasta una presión aplicada de 100 lb/pg2 (15). La densidad máxima alcanzada mediante la aplicación de presión muy alta no es afectada apreciablemente por la fragmentación.

 

Figura 8.3 Compactador estacionario de pistón horizontal usado junto con trailer de transferencia cerrado (vea Figura 7.11b).

Quizá el hecho más importante a ser notado en la Figura 8.5 es que el aumento inicial de densidad producido por la aplicación de presión es dependiente, en grado sumo, de la densidad inicial de los desechos a ser compactados. Este hecho es especialmente importante en la consideración de las ventajas proclamadas por los fabricantes de equipo de compactación. El contenido de humedad que varía con el lugar, es otra variable que tiene un efecto apreciable sobre el grado de compactación alcanzando. En algunos compactadores estacionarios, se hacen provisiones para agregar humedad, generalmente agua, durante el proceso de compactación.

Figura 8.4 Relación de compactación versus por ciento de reducción de volumen.

 

 

Figura 8.5 Densidad de los desechos sólidos versus presión aplicada (derivada en parte de las Ref. 8 y 15).

8.3 REDUCCION QUIMICA DEL VOLUMEN

Además de la reducción mecánica del volumen, se han usado varios procesos químicos para reducir el volumen de los desechos sólidos. Como se anotó en el Capitulo 2, la combustión a campo abierto fue una práctica común, hasta principios de la década de 1970, en muchos sitios de disposición, este método todavía se usa en algunas partes del país. A principios de este siglo, se utilizó la reducción química para recuperar grasa de los desechos de alimentos y en el proceso se redujo el volumen. Desde comienzos de siglo, la incineración ha sido el método más comúnmente usado para reducir el volumen de los desechos químicamente. Aunque otros procesos químicos como la pirólisis, hidrólisis y conversión química también son efectivos en la reducción del volumen de desechos sólidos, no se consideran en esta sección debido a que se usan principalmente para la recuperación de productos de conversión. Los procesos de conversión química se consideran en detalle en el Capítulo 9.

Debido a que la incineración se usa para la reducción de volumen y para la producción de energía, en este capitulo la discusión se limita a su aplicación en la reducción de volumen. El proceso de incineración en la producción de energía se considera en detalle en el Capitulo 9. Los cálculos necesarios para determinar la cantidad de vapor que se puede producir de la incineración de desechos sólidos también se contemplan en el Capitulo 9. Debido a que el diseño y la operación de incineradores municipales modernos constituyen realizaciones muy especializadas, la siguiente discusión solo intenta servir como una introducción a este tema. Los temas a ser considerados incluyen: 1) discusión de la incineración de desechos municipales, 2) descripción de los procesos de incineración para desechos municipales, 3) discusión de las instalaciones y el equipo para control de la polución del aire, y 4) algunas consideraciones importantes del diseño y la eficiencia.

Incineración de Desechos Municipales

Uno de los rasgos más atractivos del proceso de incineración es el de que se puede usar para reducir el volumen original de los desechos sólidos combustibles en un 80 a 90 por ciento. En algunos incineradores nuevos diseñados para operar a temperaturas suficientemente altas para producir un material fundido antes de enfriarse, puede ser posible reducir el volumen hasta el 5 % o menos. Aunque la tecnología de la incineración ha avanzado en las dos últimas décadas, la polución del aire continúa siendo un problema grande de implementación. Aunque se puedan satisfacer las exigencias más estrictas de control de polución del aire mediante el uso de la tecnología existente y en desarrollo, el aspecto económico continúa siendo más un problema que con otras alternativas.

Además del uso de grandes incineraciones municipales, también se usan incineradores locales en residencias individuales, apartamentos, almacenes, industrias, hospitales y otras instituciones. El diseño de incineradores locales varia con el tipo de servicio y las exigencias locales y de control de la polución. Debido a que la mayoría de las grandes ciudades en los Estados Unidos han adoptado algún tipo de ordenanza de control de polución, se anticipa que, en el futuro, el uso continuado de incineradores estará limitado a unida des especialmente diseñadas que puedan satisfacer las exigencias de control

de polución de aire. Por esta razón no se incluye una discusión detallada de incineradores locales en esta sección. En el Capitulo 5 se describen algunos de los diferentes tipos de incineradores locales y en las Referencias 1 y 4 se pueden encontrar detalles adicionales.

Descripción del Proceso de Incineración.

Las operaciones básicas involucradas en la incineración de desechos sólidos se identifican en la Figura 8.6. La operación empieza con la descarga de los desechos sólidos de los vehículos de recolección (1) en el foso de almacenamiento (2). La longitud de la plataforma de descargue y del foso de almacena miento es una función del número de camiones que deben descargar simultáneamente. La profundidad y el ancho del foso de almacenamiento se determinan de la tasa a la que se reciben las cargas y la tasa a la que se queman. La capacidad de almacenamiento generalmente promedia el volumen de un día. La grúa (3) se usa para cargar desechos a la tolva de carga (4). El operador de la grúa puede seleccionar la mezcla de desechos para obtener un contenido uniforme de humedad en la carga. Los objetos grandes o combustibles también son removidos de los desechos. Los desechos sólidos de la tolva de carga caen sobre las parrillas (5) donde son quemados. Generalmente, se usan varios tipos de parrillas mecánicas, sus características se describen en la Tabla 8.3 y en la Figura 8.7 se muestran algunas parrillas representativas. En el Capitulo 9 se discuten otros métodos de encendido y parrillas usadas con desechos sólidos procesados.

Figura 8. 6 Sección transversal de un incinerador municipal de alimentación contínua y encendido total.

Figura 8.7 Parrillas típicas usadas en incineradores de encendido total (adaptado en parte de la Ref. 6)

Se puede introducir aire desde el fondo de las parrillas (aire por debajo del fuego) mediante un ventilador de tiro forzado (6) o sobre las parrillas (aire sobre el fuego) para controlar las tasas de calcinación y la temperatura de la hornilla. La parte más caliente del fuego está sobre la parrilla ardiente.

El aire caliente sube sobre los desechos húmedos que llegan a la parrilla superior de secado y así saca la humedad para permitir que los desechos desciendan ardiendo por las parrillas. Debido a que la mayoría de los desechos orgánicos son térmicamente inestables, varios gases son producidos en el proceso de combustión que tiene lugar en la hornilla, donde la temperatura es de alrededor de 1.400F. Estos gases y pequeñas partículas orgánicas pasan a una cámara secundaria, comúnmente llamada "cámara de combustión" (7) y queman a temperaturas por encima de 1.600F. Los compuestos que producen olor, generalmente, son destruidos a temperaturas por encima de 1.400 a 1.600F.

Alguna ceniza volante y otras partículas pueden ser llevadas a través de la cámara de combustión. Para satisfacer las normas de control de polución del aire, se debe proveer espacio para el equipo de limpieza de] aire (8). Puede ser necesario un ventilador (9) de tiro inducido para garantizar un flujo adecuado de aire y tome en cuenta las pérdidas de cabeza a través del equipo de limpieza de aire y el suministro de aire al incinerador mismo. Esto se puede hacer también con un ventilador de tiro forzado.

TABLA 8.3 OPERACION DE PARRILLAS DE ALIMENTACION CONTINUA EN INCINERADORES MUNICIPALES*

Tipo de Parrilla

Descripción de la operación

Parrilla transportadora +

Consiste en una reja de movimiento continuo

de alimentación y una o más rejas de quemado. La reja de alimentación está ubicada directamente debajo de la tolva de carga desde la cual caen los desechos sobre la parrilla. Los desechos secan parcialmente mientras están sobre la reja de alimentación.

Parrilla reciprocante +

Los desechos se mueven a través de la hornilla desde la tolva, mientras la parrilla es

estacionaria, excepto por movimientos alternos reciprocantes de las barras de la parrilla. La acción de las barras mueven los desechos aquí y allá hacia la siguiente barra. La tasa de quemado se ajusta mediante el control de la velocidad de las barras.

Parrilla oscilante +

La operación es similar a la parrilla reciprocante, pero los desechos se mueven a través de la hornilla por la acción oscilante de las parrillas.

Parrilla de rodillos

Es un diseño relativamente nuevo, los desechos son quemados a medida que se mueven mediante una serie de barras giratorias.

* Adaptado de la Referencia 18

+ Ver Figura 8.7.

Los productos finales de la incineración son los gases limpios que son descargados por la chimenea (10). Las cenizas y materiales sin quemar de las parrillas caen en una tolva de residuos (11) ubicada debajo de las parrillas donde son apagados con agua. La ceniza volante que sedimenta en la cámara de combustión es removida por medio de una compuerta para ceniza (12). El residuo de la tolva de almacenamiento se puede llevar a un relleno sanitario o a una planta de recuperación de recursos. La ceniza volante de la compuerta y los desechos del equipo de limpieza del aire son llevados a un relleno sanitario.

Control de Polución de Aire.

La mayor preocupación en el control de la polución del aire, con la mayoría de los incineradores, es con la emisión de partículas más que con gases y olores (18). Típicamente, el tamaño de las partículas de las emisiones de incineradores varían desde menos de 5 m m hasta unos 120 m m; alrededor de la tercera parte de las partículas tienen diámetros menores que 10 m m (18). En términos del tamaño, estas partículas se podrían clasificar como polvo fino, como se muestra en la Figura 8.8

Figura 8.8 Carta de clasificación de partículas

Se han utilizado varias técnicas de diseño y equipo para controlar estas emisiones de partículas. En la Tabla 8.4 se reportan las características de algunas instalaciones y equipo representativo de control de emisiones. En la Figura 8.8 también se muestra el rango operativo de las instalaciones y equipo reportado en la Figura 8.4. En las Figuras 8.9 y 8.10 se muestran un filtro de malla típico recolector de polvo y un precipitador electrostático respectivamente. En la Figura 8.11 se resumen las eficiencias de los diferentes métodos de control. En la Tabla 8.5 se reportan datos comparativos de control de polución de aire para incineradores municipales.

Consideraciones de Diseño y Funcionamiento

En la Tabla 8.6 se resumen los elementos principales que se deben considerar en el diseño mecánico de un incinerador. Se han formado firmas de ingenieros para diseñar incineradores grandes y modernos debido a la complejidad del diseño. En las Referencias 4, 14, 16 y 18 se pueden encontrar detalles adicionales sobre el diseño de incineradores.

 

 

TABLA 8.4

INSTALACIONES Y EQUIPO DE CONTROL DE EMISIONES PARA INCINERADORES MUNICIPALES*

Item

Descripción

Cámara de sedimentación

Una cámara larga ubicada, generalmente, inmediatamente después de la cámara de combustión (Vea Fig. 8.6) para la remoción de partículas grandes de ceniza volante y como una operación de pretratamiento a procesos subsiguientes de remoción.

Recolectores de deflectores

Deflectores construidos de ladrillo o metal que se pueden operar en húmedo o seco. Localizados, generalmente, después de la cámara de combustión. Se pueden remover partículas de 50 m m o mayores mediante coalescencia, reducción de la velocidad o acción centrífuga. La eficiencia depende del diseño y la ubicación.

Depuradores

La ceniza volante es atrapada sobre gotas de agua y removida. El método de remover ceniza volante mojada depende del equipo a ser usado y del diseño del incinerador.

Separador de ciclón

Separación en seco de partículas de ceniza voladora mediante la acción centrífuga, en la cual las partículas son lanzadas contra las paredes del recolector.

Precipitador electrostático

Las partículas de ceniza se cargan mediante un electrodo. las partículas cargadas se remueven sobre superficies colectoras colocadas en un campo eléctrico intenso. Una vez sobre la superficie colectora, las partículas pierden carga y se adhieren ligeramente. Se pueden remover mediante golpes suaves.

Filtro de malla

Los gases de la combustión son filtrados a través de bolsas filtrantes hechas de varios materiales.

* Adaptado en parte de la Referencia 18.

 

 

 

Figura 8.9 Filtro de Malla recolector de polvo (18)

TABLA 8.5

DATOS COMPARATIVOS DE CONTROL DE POLUCIÓN DE AIRE PARA INCINERADORES MUNICIPALES**

Recolector

Factor relativo de costo de capital, FOB

Espacio relativo, por ciento

Eficiencia de la recolección, por ciento

Agua para recolector, GPM/1000 p3

Caída de presión de agua

Factor de costo relativo de operación

min

Cámara de sedimentación

No aplicable

60

0-30

2-3

0.5-1

0.25

Multiciclón

1

20

30-8

Ninguno

3-4

1.0

Ciclones de 60 pg diámetro

1.5

30

30-70

Ninguno

1-2

0.5

Depuradores *

3

30

80-96

4-8

6-8

2.5

Precipitador electrostático

6

100

90-97

Ninguno +

0.5-1

0.75

Filtro de malla

6

100

97-99.9

ninguno

5-7

2.5

* De la Referencia 18

+ Los gases se enfrían generalmente con un depurador que esparce agua antes del precipitador electrostático

NOTA: GMP x 0.0631 = l/s

Pie3/min x 0.028 = m3/min

Pg x 2.54 = cm

TABLA 8.6

PRINCIPALES COMPONENTES EN EL DISEÑO DE INCINERADORES MUNICIPALES GRANDES*

Componente

Propósito de la descripción

Básculas

Necesarias para mantener registros precisos de la cantidad de desechos procesados

Fosas de almacenamiento

El diseño de las fosas depende de la capacidad de la hornilla, las necesidades de almacenamiento (capacidad de aproximadamente un día) horarios de recolección y métodos de descarga de los camiones

Grúas

Utilizadas para transferir los desechos de la fosa de almacenamiento a las tolvas de carga para mezclar y redistribuir desechos en la fosa de almacenamiento

Tolvas de carga

Construidas de metal o concreto, usadas para introducir los desechos a las rejas de la hornilla.

Rejas de la hornilla

Utilizadas para mover los desechos a través de la hornilla, se han usado con éxito rejas o parrillas transportadoras, reciprocantes, oscilantes y de rodillos. Se han adoptado una tasa de combustión de 60 a 65 lb/pie2h como "generalmente permisible" para la quema en masa.

Cámara de combustión

Se utilizan cámaras de paredes con agua y refractarias.

Sistema de recuperación de calor

Los tipos de sistemas varían. Típicamente se usan dos secciones de caldera: convección y economizador (Vea Capítulo 9).

Calor auxiliar

Su necesidad depende del contenido de humedad de los desechos.

Instalaciones para control de polución del aire

Usadas para controlar la emisión de partículas (Vea Tabla 8.4).

Instalaciones y equipo auxiliares

Normalmente incluyen instalaciones para manejar residuos, ventiladores para suministrar y extraer aire, chimeneas de incineradores, edificios de control, etc.

* Adaptado en parte de la Referencia 18.

 

Entre los factores que se deben considerar en la evaluación del funcionamiento de un incinerador están la cantidad de residuo que queda en el incinerador después de la incineración y si se necesita o no combustible adicional cuando la recuperación de calor no es la preocupación principal. En el Capítulo 9 se considera la necesidad de combustible adicional. La cantidad de residuo depende de la naturaleza de los desechos a ser incinerados. En la Tabla 4.9 se reportan datos típicos sobre el residuo de varios componentes de desechos sólidos. En la Tabla 8.7 se reporta la composición del residuo de incineradores. En el Ejemplo 8.1 se ilustran los cálculos necesarios para evaluar la cantidad y composición del residuo después de la incineración.

EJEMPLO 8. 1. Cálculo del residuo de incinerador.

Determine la cantidad y composición del residuo de un incinerador usado para desechos sólidos municipales con la composición media dada en la Tabla 4.9. Estime la reducción en volumen si se supone que la densidad del residuo es de 1,000 lb/yd3.

 

 

 

SOLUCION

1. Construya una tabla de cálculos para determinar la cantidad de residuo y su distribución en porcentaje en peso. La Tabla 8.8 presenta los cálculos completos.

2. Estime los volúmenes original y final antes y después de arder. Para estimar el volumen aproximado inicial, suponga que la densidad media de los desechos sólidos en la fosa de almacenamiento del incinerador es alrededor de 375 lb/yd3.

Figura 8.10 Precipitador electrostático (a) perspectiva (Research-Contrell, Inc.), (b) Detalle

Figura 8.11

Eficiencia del recolector versus emisiones de polvo de la chimenea (18)

TABLA 8.7

COMPOSICIÓN DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS MUNICIPALES

Componente

Porcentaje en peso

Rango

Típico

Quemado parcialmente o sin quemar

   

Materia orgánica

3 10

5

Envases de hojalata

10 25

18

Hierro y acero

6 15

10

Otros metales

1 4

2

Vidrio

30 50

35

Cerámica, piedras, ladrillo

2 8

5

Ceniza

10 35

25

Total

 

100

3. Estime la reducción de volumen usando la Ecuación 8.1.

TABLA 8.8

CÁLCULO DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN PARA EL EJEMPLO 8.1

Componente

Desechos sólidos

lb

Residuo inerte +

por ciento

Residuos

lb

Por ciento

Desechos de alimentos

150

5

7.5

3.2

Papel

400

6

24

10.1

Cartón

40

5

2

0.8

Plásticos

30

10

3

1.3

Textiles

20

2.5

0.5

0.2

Caucho

5

10

0.5

0.2

Cuero

5

10

0.5

0.2

Recortes de jardín

120

4.5

5.4

2.3

Madera

20

1.5

0.3

0.1

Vidrio

80

98

78.4

32.9

Envases de hojalata

60

98

58.8

24.7

Metales no ferrosos

10

96

9.6

4.0

Metales ferrosos

20

98

19.6

8.2

Tierra, cenizas, ladrillo, etc.

40

70

28.0

11.8

Total

1,000

 

238.1

100.0

* Con base a 1,000 lb de desechos sólidos (Vea Tabla 4.4)

+ De la Tabla 4.9

NOTA: lb x 0.4536 = kg

8.4 REDUCCIÓN MECÁNICA DEL TAMAÑO

Reducción del tamaño es el término aplicado a la conversión de los desechos sólidos en piezas más pequeñas a medida que son recolectados. El objetivo de la reducción de tamaño es obtener un producto final que es razonablemente uniforme y de tamaño considerablemente reducido en comparación con su forma origina Es importante anotar que la reducción de tamaño no implica necesariamente una reducción de volumen. En algunas situaciones, el volumen total del material después de reducir el tamaño puede ser mayor que el volumen original. En la práctica, los términos desmenuzar, moler y triturar son utilizados para describir operaciones de reducción de tamaño. En esta sección se discuten los principales tipos de equipo y factores importantes de diseño.

La reducción de tamaño es un factor importante no sólo en el diseño y operación del manejo de sistemas de desechos sólidos, sino también en la recuperación de materiales para reuso y para su conversión en energía. Por ejemplo, es necesaria alguna forma de reducción de tamaño para el transporte de desechos sólidos en líquidos. En la Referencia 1 se describen estaciones centrales de trituración. Los desechos se fragmentan antes de ser embalados, para alcanzar una mayor densidad bajo una presión de compactación menor. La disposición de desechos fragmentados en rellenos sanitarios sin el recubrimiento diario es otra aplicación importante de la reducción de tamaño. Este terna se considera más ampliamente en el Capitulo 10 y la Referencia 15.

La fragmentación se usa comúnmente en sistemas diseñados para recuperar materiales y energía de los desechos sólidos. Los desechos sólidos municipales no son un combustible ideal debido a la diversidad de tamaños de las partículas, el contenido de humedad, la composición química y las características físicas; sin embargo, mediante fragmentación en seco (como se reciben) o en húmedo, seguido de separación, los materiales orgánicos en el desecho sin procesar se pueden transformar en una mezcla relativamente homogénea con tamaño uniforme, valor calórico y contenido de humedad. También se pueden recuperar

más fácilmente los componentes remanentes de la separación de materiales orgánicos debido a su tamaño reducido. Este tema se considera más ampliamente en la siguiente sección de este capitulo (Vea la sección 8.6).

Equipo para la Reducción de Tamaño.

Los tipos de equipos que han sido usados para reducir el tamaño y homogeneizar desechos sólidos incluyen molinos pequeños, picadores, molinos grandes, trituradores de mandíbulas, molinos de raspador, fragmentadores, molinos de martillo y hidropulpadores. En la Tabla 8.9 se enumeran los modos de acción y las principales aplicaciones de estos equipos; en la discusión subsiguiente se consideran algunos de los tipos de equipo más comúnmente usados para desechos sólidos.

Los molinos de martillo (de eje horizontal). Del equipo reportado en la Tabla 8.9, los molinos de martillo de eje horizontal que se muestran en la Figura 8.12a y 8.12b se usan con más frecuencia para reducir el tamaño de desechos sólidos en grandes operaciones comerciales (Vea Figura 8.13). Operacionalmente, un molino de martillos, es un instrumento en el cual un número de martillos flexibles están fijos a un eje interior o disco(s) que giran a alta velocidad (Vea Figura 8.12). Debido a la fuerza centrífuga los martillos se extienden radialmente del eje central; a medida que los desechos sólidos entran al molino, son golpeados con suficiente fuerza para aplastarlos o despedazarlos y con una velocidad tal que no se adhieren a los martillos. Los desechos se reducen todavía más mediante golpes contra las placas de romper y/o barras de cortar fijas alrededor de la periferia de la cámara interior. La acción de cortar y golpear continúa hasta que el material tiene el tamaño exigido y cae por el fondo del molino.

En molinos de martillo de alta velocidad es de rutina la reconstrucción frecuente y reemplazo de los martillos y placas de ruptura, debido a la naturaleza resistente y abrasiva de muchos materiales encontrados en los desechos sólidos. En algunas instalaciones se operan en serie dos molinos de martillos, el primero como fragmentador de grandes piezas y el segundo para producir partículas del tamaño requerido.

 

TABLA 8.9

TIPOS, MODOS Y APLICACIONES DE EQUIPO USADO PARA LA REDUCCIÓN MECÁNICA DE TAMAÑO

Tipo

Modo de acción

Aplicación

Molinos pequeños

Moler, aplastar

Desechos sólidos orgánicos residenciales.

Picadores

Cortar, Tajar

Papel, cartón, recorte de árboles, desechos de patios, madera, plásticos.

Molinos grandes

Moler, aplastar

Materiales quebradizos y frágiles. Usado principalmente en operaciones industriales.

Trituradores de mandíbula

Triturar, romper

Sólidos grandes.

Molinos de raspador

Fragmentar, desgarrar

Desechos sólidos humedecidos. Usado más comúnmente en Europa.

Fragmentadores

Cizallar, desgarrar

Todos los tipos de desechos municipales.

Cortadores, cizallas

Cizallar, desgarrar

Todos los tipos de desechos municipales.

Molinos de martillos

Romper, desgarrar, cortar, triturar

Todos los tipos de desechos municipales, equipo más comúnmente usado para reducir el tamaño y homogeneizar los desechos.

Hidropulpador

Cizallar, desgarrar

Idealmente adecuado para usar con desechos fácilmente convertibles en pasta, incluyendo papel, trozos de madera. Usado principalmente en la industria del papel. Usado también para destruir registros en papel.

 

Figura 8.12 Molinos de martillo usados en la reducción de desechos sólidos- a) Tipo unidireccional- b) Tipo reversible (Williams Patent Crusher and Pulverizer Company, Inc.).

Figura 8.13 Fotografía de molino de martillo reversible de eje horizontal usado para reducir el tamaño de desechos sólidos (Williams Patent Crusher and Pulverizer Company, Inc.).

Molinos de martillos (eje vertical). También han sido usados los molinos de martillos de ejes verticales sobre los cuales están montados los martillos y ruedas del molino de diferentes tamaños. Hasta la fecha (1976) la confiabilidad ha sido el mayor problema con las máquinas de eje vertical.

Hidropulpador. Un método alterno de separación de los componentes de los desechos sólidos involucro el uso de un hidropulpador (Vea la Figura 8.14). En este sistema, se agregan desechos sólidos y agua recirculada al hidropulpador. La acción de las hojas de cortar de alta velocidad, montadas sobre un rotor en el fondo de la unidad, los materiales fragmentables y convertibles en pasta son convertidos en una masa acuosa con un contenido de sólidos que varía del 2.5 al 3.5 por ciento. Los metales, envases de hojalata y otros materiales no fragmentabas son rechazados por el lado del tanque hidropulpador (Vea Figura 8.14). El material rechazado pasa por un ducto vertical que está conectado a un elevador de cangilones. A medida que el material se mueve en el elevador, recibe un lavado preliminar. Los sólidos de la masa acuosa pasan a través del fondo del tanque pulpador y son bombeados a la siguiente operación del proceso. En la primera parte del Capitulo 9 se discute un sistema de recuperación completa de materiales que usa un hidropulpador.

Selección de Equipo para Reducción de Tamaño.

Los factores que se deben considerar en la selección de equipo para la reducción de tamaño incluyen:

1. Propiedades del material a ser desmenuzado y las características del materias después de ser cortado.

2. Requisitos del tamaño para el material desmenuzado por componentes.

3. Método de alimentación del fragmentador o desmenuzador, provisión de una capacidad adecuada de la tolva para evitar interrupciones y requisitos de espacio entre la alimentación y los transportadores de transferencia y el fragmentador.

4. Tipo de operación (continua o intermitente)

5. Características operacionales incluyendo: necesidades de energía, mantenimiento de rutina y especializada, simplicidad de la operación, funcionamiento y contabilidad comprobadas, producción de ruido, requisitos de control de la polución del aire (principalmente polvo) y del agua.

6. Consideraciones del sitio incluyendo espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales.

7. Almacenamiento del material después de la reducción de tamaño y en función de la siguiente operación funcional.

En la Figura 8.15 se dan datos típicos de los requisitos de potencia para la fragmentación. Estos datos se dedujeron de un análisis de información obtenida de fabricantes de equipo y, en grado limitado, de instalaciones en operación (7). Como se anotó, si se usa una reducción preliminar del tamaño para reducir el tamaño de los desechos antes de ser procesados por molinos de martillos, se debe agregar 15 hp/ton/h adicionales para estimar la potencia. El uso de datos reportados en la Figura 8.15 se ilustra en el Ejemplo 8.2.

 

 

a) Sección transversal del Pulpador Hidráulico

(b)

Figura 8.14 Hidropulpador usado para desechos sólidos- (a) sección transversal del hidropulpador, (b) fotografía de la parte superior del hidropulpador. (Black Clawson Fibreclaim, Inc.).

EJEMPLO 8.2. Requisitos de potencia para reducción de tamaño.

Estime la potencia necesaria para reducir desechos municipales a un tamaño final de alrededor de 3 pulgadas, para una planta cuya capacidad es de 80 ton/h, usando los datos de la Figura 8.15.

SOLUCION

1. Usando un valor moderado de 20 hp/ton para la potencia, los caballos fuerza necesarios son:

Caballos fuerza = 80 ton/h x 20 hp-h/ton = 1.600 hp

2. Usando un factor de 1.5 para el tamaño del producto (Vea Figura 8.15), la potencia necesaria es:

Caballos fuerza = 1.600 hp x 1.5 = 2.400 hp (1.789 Kw)

Figura 8.15 Requisitos de potencia para reducir el tamaño de varios desechos sólidos (7)

Comentario. En el problema 8.7 se da un método alterno para estimar la potencia necesaria para la reducción de tamaño. Se deberá anotar, sin embargo, falta demostrar la validez de la expresión dada como se aplica a desechos sólidos.