1. RECUPERACIÓN DE RECURSOS, CONVERSIÓN DE PRODUCTOS, Y ENERGÍA

Los desechos sólidos o compuestos seleccionados, dependiendo de las condiciones locales, pueden tener valor como materia prima para la industria, combustible para la producción de energía, y material que se puede usar para la reclamación de terrenos. En el Capítulo 16 se considera la evaluación de estas alternativas desde el punto de vista administrativo. El propósito principal de este capitulo es describir la aplicación de técnicas y equipo discutido en el Capitulo 8 para la recuperación de recursos, conversión de productos y energía. Un propósito secundario es el de introducir algunos de los aspectos de diseño involucrados en la implementación de sistemas de procesado; un tercer propósito es presentar algunos esquemas comerciales de flujo que han sido desarrollados para la recuperación de materiales y energía de los desechos sólidos.

En las siguientes secciones se presenta información sobre: 1) sistemas de procesado y recuperación de materiales, 2) recuperación de productos de conversión química, 3) recuperación de productos de conversión biológica, 4) recuperación de energía de la conversión de productos, y 5) diagramas de flujo de sistemas de recuperación de materiales y energía. En la Figura 9-1 se indica la secuencia para la presentación de esta información, que a su vez, es un diagrama típico de flujo para la recuperación de recursos, conversión de productos, y energía de los desechos sólidos. El término sistema frontal denota los procesos (reducción de tamaño, separación, etc.) usados para recuperar materiales y la preparación de componentes individuales para la conversión subsiguiente. El término sistemas posteriores denota los procesos químicos y biológicos (incineración con recuperación de calor, fermentación controlada, etc.) e instalaciones auxiliares relacionadas, usadas para la conversión de desechos sólidos procesados en varios productos.

Figura 9.1 Diagrama típico de flujo para la recuperación de recursos, conversión de productos y energía de desechos sólidos.

9.1. SISTEMAS DE PROCESADO Y RECUPERACIÓN DE MATERIALES

En el Capítulo 8 se discutieron varios tipos de equipo y técnicas de procesado. El objetivo de esta sección es mostrar como se pueden combinar los procesos individuales en diagramas de flujo alternos, para la recuperación de materiales y la preparación de desechos combustibles para el procesado subsiguiente.

Especificaciones de los Materiales

Los principales materiales recuperables contenidos en los desechos sólidos municipales son: papel, plásticos, textiles, vidrio, metales ferrosos y materiales orgánicos e inorgánicos. En una situación dada, la decisión de recuperar cualquiera o todos los materiales se basa, generalmente, en una evaluación económica y en consideraciones locales, que se discuten en el Capítulo 16. las especificaciones de los materiales será una consideración crítica en la evaluación económica de la recuperación de materiales; la razón es que aunque sea posible separar varios componentes, puede no haber mercado para ellos si no satisfacen las especificaciones necesarias. En la Tabla 9.1 se presentan especificaciones típicas de materiales.

Materias Primas. En la Tabla 9.1 se reportan las especificaciones para ocho materiales diferentes obtenidos de desechos municipales. Con cada comprador potencial se deben acordar detalles específicos, tales como pureza del producto, densidad, y condiciones de embarque. Cuando sea posible, también es beneficioso desarrollar un rango de especificaciones y precios del producto. De tal manera, se pueden evaluar los costos de procesado para obtener un producto de mejor calidad con respecto a un precio más alto en el mercado, por la mejor calidad del producto.

Fuente de Combustible. Se puede obtener energía de desechos municipales en dos formas: mediante el uso directo del calor producido de quemar los desechos y mediante la conversión de los desechos a combustibles (aceite, gas, briquetas) que pueden ser almacenadas y usadas localmente o transportadas a mercados distantes de energía. Las especificaciones para el uso directo de los desechos para la producción de vapor, generalmente, no son tan restrictivas como aquellas para la producción de combustible; sin embargo, a medida que mejoren las técnicas de ignición y almacenamiento, las especificaciones para el uso directo se pueden volver más estrictas.

Reclamación de Terrenos. La aplicación de desechos al suelo es una de las técnicas más antiguas y más usadas en el manejo de desechos sólidos. La tecnología de la disposición en el suelo se ha desarrollado hasta el punto de que las comunidades ahora pueden planear proyectos de reclamación de terrenos que usan desechos sólidos sin temor al desarrollo de problemas de salud pública. En la tabla 9.1 se mencionan algunas especificaciones típicas para la reclamación terrenos. Los desechos orgánicos usados para relleno de suelos o reclamación de terrenos exigen mayor control que los desechos inorgánicos. No se debe iniciar una reclamación de terrenos usando uno o ambos tipos de desechos hasta no haber asignado u uso final al terreno.

 

TABLA 9.1

Especificaciones típicas de materiales que afectan la selección y diseño de las operaciones de procesado

Categoría de reuso y materiales componentes

Especificaciones típicas de los ítems

MATERIA PRIMA

Papel y cartón

Fuente; calidad; sin revistas; sin adhesivos; cantidad; almacenamiento y lugar de entrega.

Caucho

Normas de reencauche; especificaciones para otros tipos de uso no bien definidos (ej. ABS, PVC); grado de limpieza.

Textiles

Tipo de material; grado de limpieza.

Vidrio

Cantidad de material de desecho; color, sin etiquetas o metal; libre de contaminación metálica; cantidad, almacenamiento y lugar de entrega.

Metales ferrosos

Fuente (doméstico, industrial, etc.); densidad; grado de limpieza; grado de contaminación con estaño, aluminio y plomo; cantidad, medios de embarque, y lugar de entrega.

Aluminio

Tamaño de las partículas; grado de limpieza; densidad; cantidad, medios de embarque, y lugar de entrega.

Metales no ferrosos

Varían con las necesidades locales y los mercados.

FUENTE DE COMBUSTIBLE

Combustibles orgánicos

Composición, contenido de Btu; humedad; límites de almacenamiento; cantidades garantizadas; venta y distribución de energía y/o subproductos varía con necesidades y mercados locales.

Papel desechado

Varía con las necesidades y mercado locales.

RECLAMACIÓN DE TERRENOS

Orgánicos

Reglamentos locales y estatales; método de aplicación; control de la migración de gas metano; control de lixiviado; uso final asignado al terreno.

Inorgánicos

Reglamentos locales y estatales; uso final asignado al terreno.

Sistemas de procesado y recuperación

Una vez se ha tomado la decisión de recuperar materiales y/o energía, se deben desarrollar diagramas de flujo para la separación y procesado de los componentes deseados y materiales combustibles, sujetos a especificaciones predeterminadas de los materiales.

 

Figura 9.2 Diagrama de flujo pictórico para sistemas de recuperación de materiales

Figura 9.3 Diagrama de flujo para un sistema de recuperación de materiales. (Central Contra Costa Sanitary District and Brown and Caldwell Consulting Engineers (3)).

Diagramas de Flujo de los Procesos. En la Figura 9.2 y esquemáticamente en la Figura 9.3 (3) se presentan dos diagramas de flujo propuestos para la recuperación de componentes específicos y la preparación de materiales combustibles para uso como fuente de combustible, para sistemas frontales. En ambos casos, se ha adoptado un diagrama de flujo de procesado en seco; la ventaja principal del procesado en seco sobre el húmedo es el menor costo; el procesado húmedo involucra el uso de un hidropulpador. Otra ventaja es que el equipo estándar usado en industrias de procesado de minerales se puede adaptar para ser usado en la recuperación de componentes.

En ambos diagramas de flujo la clasificación con aire sigue a la fragmentación primaria, y separadores de ciclón remueven el aire de la fracción liviana. Además, el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 9.3 incluye lo siguiente: 1) un secador antes del separador con aire para satisfacer las especificaciones de contenido de humedad de la fracción liviana, 2) una malla después del separador con aire para remover algunos de los componentes más pesados de la fracción liviana, y 3) una segunda etapa de fragmentación. La fracción liviana procesada que resulta del diagrama de flujo de la Figura 9.3 sería adecuada para la ignición directa en una caldera de vapor. En ambos diagramas de flujo se remueven de la fracción pesada: metales ferrosos, vidrio, y aluminio. También es importante anotar que en ambos diagramas hay un residuo que debe ser dispuesto.

Ambos diagramas de flujo son flexibles en términos de equipo adicional u opciones alternas de procesado para satisfacer las especificaciones variables de los materiales. De una revisión de las Figuras 9.2 y 9.3, es evidente que se pueden preparar una variedad considerable de diagramas de flujo. También se usan diagramas de flujo que incluyen la separación manual de componentes específicos de los desechos.

Diseño y Distribución del Sistema. El diseño y la distribución de las instalaciones físicas que componen el diagrama de flujo de la planta de procesado son un aspecto importante en la implementación y el éxito de la operación de tales sistemas. En la Figura 9.4 se da la distribución recomendada para el sistema que se muestra en la Figura 9.3. Los factores importantes que deben ser considerados en el diseño y distribución de tales sistemas incluyen: 1) eficiencia del funcionamiento del proceso, 2) confiabilidad y flexibilidad, 3) facilidad y economía de la operación, 4) estética, y 5) controles ambientales (3).

De estos factores, el más importante, en relación con la obtención de una planta que funcione adecuadamente, es el primero. Aunque hay varias maneras para evaluar el funcionamiento del proceso, quizás la mejor está relacionada al grado de separación alcanzada para los distintos componentes. La planeación cuidadosa asegurará que la carga de diseño para los diferentes procesos no se exceda, para alcanza r la eficiencia óptima con respecto a la separación de componentes. Se debe proveer una capacidad adecuada de almacenamiento en la instalación de procesado, debido a que los desechos sólidos son recolectados generalmente en la mañana, de manera que la tasa de alimentación del proceso sea uniforme y no esté sujeta a oscilaciones.

 

 

Figura 9.4 Distribución de una planta de recuperación de recursos. (Central Contra-Costa District and Brown and Caldwell Consulting Engineers (3))

El primer paso en el diseño de una instalación de procesado será decidir sobre la cantidad de material a ser procesado. En los lugares en donde se van a usar desechos procesados como combustible las cantidades de diseño generalmente dependerán de la potencia continua (base) que se debe desarrollar. Una vez se ha decidido esto, se dimensionan las unidades individuales de acuerdo con las tasas de carga, las que a su vez se determinan en base a las características de los desechos sólidos y los procesos de separación a ser usados.

Balances de Materiales y Tasas de Carga. Un aspecto importante en el diseño de cualquier sistema de recuperación de materiales comprende el estimativo de las cantidades de materiales que pueden ser recuperadas y el diseño apropiado de las tasas de carga. En las Tablas 9.2 y 9.3 se presentan datos e información que pueden ser usados para estimar las cantidades necesarias. En la Tabla 9.2 se identifican los componentes que normalmente constituyen las fracciones livianas y pesada después de la fragmentación y clasificación con aire. Las cifras de esta Tabla son aquellas de la Tabla 4.2.

Se debe anotar que en la Tabla 9.2 no ha sido considerado el contenido de humedad que se puede haber perdido durante la fragmentación. El contenido de humedad típica de los desechos sólidos varían del 15 al 40 por ciento, dependiendo de la ubicación geográfica y la estación del año. En el Sur de los Estados Unidos el contenido medio de humedad es de alrededor de 25 por ciento. En condiciones normales, durante la fragmentación, se puede perder del 5 al 25 por ciento del contenido inicial de humedad; si no hay datos disponibles de pruebas ejecutadas para estimar esta pérdida se puede usar un valor del 15 por ciento.

En la Tabla 9.3 se reportan las cantidades recuperables de metales ferrosos vidrio, y aluminio, junto con información sobre la recuperación de materiales pesados de la fracción liviana. En el Ejemplo 9.1 se ilustra el uso de esta información en la preparación de un balance de materiales para un proceso de recuperación.

Para seleccionar apropiadamente los procesos componentes, se deben conocer las cargas esperadas. Para la mayoría de los procesos las cargas se expresan en toneladas por hora. En la determinación de las cargas de diseño se debe hacer un análisis cuidadoso para determinar el número real de horas por día que operará el equipo. En el ejemplo 9.1 también se ilustra el desarrollo de las cargas.

Ejemplo 9.1. Determinación de las cantidades y cargas de material para un sistema de procesado.

Prepare un balance de materiales para el diagrama de flujo dado en la Figura 9.2 y la composición dada en la Tabla 9.2. Suponiendo que la planta de procesado va a ser diseñada para manejar 1000 ton/día, estime las cargas horarias para los distintos procesos de separación basado en 16 h/día de operación.

TABLA 9.2

Componentes de las fracciones liviana y pesada de desechos sólidos después de la fragmentación y clasificación con aire

Componente

Por ciento en peso*

Fracción en peso por ciento

Comentario

Liviana

Pesada

Desechos de alimentos

15

15

-

Se supone que los componentes integran la fracción liviana después de la fragmentación. Después de la clasificación con aire la fracción liviana contendrá de 2 a 8 por ciento de componentes de la fracción pesada en peso.

Papel

40

40

-

Cartón

4

4

-

Plásticos

3

3

-

Textiles

2

2

-

Caucho

0,5

0,5

-

Cuero

0,5

0,5

-

Recortes de jardín

12

12

-

Madera

2

2

-

Vidrio

8

-

8

Se supone que los componentes integran la fracción pesada después de la fragmentación. Después de la clasificación con aire la fracción pesada contendrá del 15 al 20 por ciento de componentes de la fracción liviana en peso

Envases de hojalata

6

-

6

Metales no ferrosos

1

-

1

Metales ferrosos

2

-

2

Tierra, ceniza, ladrillo, etc.

4

-

4

TOTAL

100

79

21

 

 

Solución

1. En los cálculos se usarán las siguientes suposiciones:

    1. Contenido inicial de humedad = 25 por ciento
    2. Con base en datos de experimentos, la pérdida de humedad durante la fragmentación = 20 por ciento del valor inicial

c) La pérdida de humedad será del material en la fracción liviana

d) Fracción de materiales pesados contenida en la fracción liviana = 6 por ciento de la fracción pesada (con base en peso después de la fragmentación)

e) Fracción de materiales livianos contenidos en la fracción pesada = 15 por ciento de la fracción liviana (en base a peso después de la fragmentación)

f) Fracción liviana inicial = 79 por ciento (Ver Tabla 9.2)

g) Fracción pesada inicial = 21 por ciento (Ver Tabla 9.2)

2. Determine las cantidades del balance de materiales:

a) Pérdida de humedad durante la fragmentación = 1000 ton/día x 0,25) 0,2 = 50 ton/día (45360 kg/día)

b) Peso total de la fracción liviana después de la fragmentación =(1000 ton/día x 0,79 - 50 ton/día) = 740 ton/día (671.328 kg/día)

c) Peso total de la fracción liviana después de la clasificación con aire incluyendo correcciones por arrastre = (1-0,15) 740 + 0,06 (1000 ton/día x 0,21) = 642 ton/día (582.422 kg/día)

d) Peso total de la fracción pesada incluyendo el arrastre de la fracción liviana después de la clasificación con aire = (1 - 0.06) 210 ton/día + (0,15) 740 ton/día = 308 ton/día (279.418 kg/día)

e) Peso de metales ferrosos separados (suponiendo que se incluyen la categoría de los envases de hojalata reportados en la Tabla 9.2) = 80 ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) = 64 ton/día (58.061 kg/día). (Nota. No se incluye el peso de otros materiales que pudieran ser removidos junto con los metales ferrosos)

f) Peso de vidrio separado = 80 ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) 64 ton/ día (58.061 kg/día). (Nota: No se incluye el peso de otros materiales que pudieran ser separados junto con el vidrio)

g) Peso de aluminio separado = 10 ton/día x 0,70 (Ver Tabla 9.3) = 7 ton día (6.350 kg/día). (Nota.- No se incluye el peso de otros materiales que pudieran separarse junto con el aluminio)

TABLA 9.3

Cantidades recuperables estimadas para varios componentes en desechos sólidos usando equipo mecánico

Fracción o componente

Parte recuperable de los componentes originales por ciento

Comentarios

Rango

Típico

Fracción liviana

80 95

90*

La parte recuperable variará con la composición de los desechos sólidos y las características después de la fragmentación

Fracción pesada

90 98

96!

Metales ferrosos

65 95

85

Cantidades variables de material de las fracciones livianas y pesadas serán separados con estos componentes, dependiendo de los procesos específicos y el equipo usado.

Vidrio

50 90

80

Aluminio

55 - 90

70

* Con la fracción pesada se retendrán cantidades variables de la fracción liviana (Ver Tabla 9.2)

! Cantidades variables de la fracción pesada serán arrastradas con la fracción liviana (Ver Tabla 9.2)

 

h) Cantidad de residuo (suponiendo que la fracción de material pesado contenido en la fracción liviana no será separada) = (308 - 64 - 64 - 7) ton/día = 173 ton/día (156.946 kg/día).

3. Determine las cargas sobre los procesos individuales componentes. En la Tabla 9.4 se resumen los resultados de los cálculos necesarios.

TABLA 9.4

Resumen de las cargas calculadas para el ejemplo 9.1

 

Cantidad total,

ton/día

Carga,*

ton/hora

Fragmentador

1,000

63

Clasificador

950

60

Separador magnético

308

20

Separador de vidrio

244

16

Separador de aluminio

180

12

Almacenamiento de residuo

173

11

* Con base en 16 h/día de operación. Los valores se han redondeado.

Nota: ton/día x 907,2 = kg/día

ton/h x 907,2 = kg/h

Limitaciones de Equipo. En general, de la experiencia con operaciones de extremo frontal se han encontrado más fallas del equipo y otros problemas operacionales que en los procesos finales y sistemas de conversión de energía (23). El transporte de desechos sólidos sin procesar ha demostrado ser especialmente difícil. Los transportadores han sido dañados por los desechos sólidos descargados sobre ellos, especialmente aquellos que contienen componentes más pesados y que frecuentemente se encuentran en desechos municipales. También se han desarrollado problemas en los puntos de transferencia (por ejemplo, donde se descartan los desechos del transportador a instalaciones de reducción de tamaño). El alambre y las cuerdas en los desechos se atascan en el equipo y son comunes los derrames de desechos. También han sido un problema el atascamiento y trabado del sistema del transportador; debido a la naturaleza abrasiva de muchos componentes encontrados en los desechos sólidos el desgaste sobre la mayoría del equipo de procesado ha sido mayor del anticipado; esto, a su vez, ha conducido a periodos más largos de parada.

Como resultado de éstas y otras limitaciones del equipo, muchos diseñadores recomiendan ahora la instalación de dos o más trenes de procesos independientes, especialmente donde la potencia se va a producir en forma continua. Donde quiera que sea posible, cuando se están diseñando sistemas de separación de materiales, se recomienda practicar visitas a instalaciones en operación para obtener información directa sobre el funcionamiento y las exigencias de mantenimiento. Debido a que muchas firmas en este campo en desarrollo no tienen una larga historia se recomienda que el equipo seleccionado sea tal que se pueda reparar con partes estándar y componentes que, en caso necesario, puedan ser reconstruidos o fabricados localmente. También, es importante la disponibilidad de un distribuidor local.

9.2. RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN QUÍMICA

Los productos de conversión química que se pueden derivar de los desechos sólidos incluyen: calor, una variedad de aceites, gases, y varios compuestos orgánicos relacionados. En la Tabla 9.5 se reportan los principales procesos de conversión química que han sido usados para la recuperación de productos utilizables de la conversión de desechos sólidos; otros procesos están todavía en desarrollo o han sido propuestos (5). A excepción de la incineración y los procesos pirolíticos, pocas instalaciones a escala completa que están en operación, usan cualquiera de los otros procesos. Aún en el caso de la pirólisis, casi toda la experiencia a escala completa están en las industrias de procesado de petróleo y madera. Por esta razón, la mayor parte de la información presentada en esta sección trata principalmente con incineración y pirólisis; también se considera un proceso combinado de incineración- pirólisis.

En la revisión de los datos presentados sobre los distintos procesos, se debe anotar que el propósito no es presentar información definitiva para diseño, si no más bien introducirla y, cuando sea posible, describir algunos de los aspectos fundamentales de los distintos procesos que serán importantes en la evaluación de su factibilidad ingenieril y económica.

TABLA 8.5

Procesos químicos usados para la conversión de desechos sólidos

Proceso

Producto de la conversión

Procesado necesario

Comentarios

Incineración den recuperación de control

Energía en forma de vapor

Ninguno

Debe haber mercados disponibles para el vapor, probado en numerosas aplicaciones a escala completa, las normas sobre calidad del aire pueden prohibir su uso.

Combustible suplementario

Energía en forma de vapor

Desmenuzado, separación con aire, separación magnética

Si se desea la menor inversión, debe ser posible modificar las calderas existentes, las normas de calidad del aire pueden prohibir su uso.

Incineración en lecho fluidizado

Energía en forma de vapor

Desmenuzado, separación con aire, separación magnética

El incinerador de lecho fluidizado se puede usar también para lodos de industrias.

Pirólisis

Energía en forma de gas o aceite

Desmenuzado, separación magnética

Tecnología probada únicamente en aplicaciones piloto; aunque se minimiza la polución, las normas de calidad de aire pueden prohibir su uso.

Hidrólisis

Glucosa, furfural

Desmenuzado, separación con aire

Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Conversión química

Aceite, gas, acetato de celulosa

Desmenuzado, separación con aire

Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Incineración con recuperación de calor

En el Capítulo 8 se discutió el uso de los procesos de incineración para la reducción de volumen. En esta sección se consideran los sistemas de recuperación de calor y varios cálculos sobre el particular. El calor contenido en los gases producidos durante la incineración de desechos sólidos, se puede recuperar mediante la conversión a vapor. Además, el calor remanente en los gases después de la recuperación de calor también se puede usar para precalentar el aire para la combustión, el agua para la caldera, o el desecho sólido combustible.

Normalmente, la conversión del calor contenido en los gases de la combustión a vapor se realiza mediante: 1) la instalación de sistemas de precalentamiento del desecho en los cuales los tubos de la caldera se prolongan más allá de la cámaras de combustión convencionales construidas en material refractario, 2) incineradores de desechos sólidos en cámaras de combustión construidas con paredes de agua (Ver Figura 9.5) y 3) calderas especialmente diseñadas con paredes de agua (Ver Figura 9.6).

En los incineradores existentes se pueden instalar calderas para extraer calor de los gases de combustión sin introducir exceso de aire o humedad. Normalmente, los gases del incinerador enfriarán desde un rango de 1800 a 2000F hasta un rango de 600 a 1000F antes de ser descargados a la atmósfera. Además de la producción de vapor, el uso de un sistema de caldera es beneficioso en la reducción del volumen de gas a ser procesado en el equipo de control de polución del aire.

En los incineradores de pared de agua, los muros de la cámara de combustión están revestidos con tubos de caldera en posición vertical y soldados a secciones continuas (Ver Figuras 9-5, 9.6 y 9.7). Como se muestra, los tubos están en el interior y se aíslan del exterior para reducir pérdidas por radiación. El agua que circula por los tubos absorbe el calor producido en la cámara de combustión. El agua calentada se usa para producir vapor. Cuando se usan paredes de agua en lugar de materiales refractarios, no sólo son útiles para la recuperación de vapor, sino que también son extremadamente efectivos en el control de la temperatura de la hornilla sin reducir el exceso de aire; sin embargo, están sujetos a la corrosión por el ácido clorhídrico producido por quemado de algunos compuestos plásticos.

Los desechos sólidos preparados también se pueden quemar directamente en grandes calderas industriales que se usan ahora para la producción de energía con carbón pulverizado o petróleo (Ver Figura 9.6). También pueden ser quemados junto con carbón o petróleo. Aunque el proceso no está bien establecido con carbón, parece ser que alrededor del 15 al 20% del calor puede provenir de desechos sólidos preparados; con petróleo como combustible, alrededor del 10% del calor puede provenir de desechos sólidos (19).

 

 

Figura 9.5 Sección a través de la pared de agua en un incinerador de fuego masivo (Metcalf & Eddy Engineers Inc.).

Figura 9.6 Sección a través de una caldera industrial de pared de agua, diseñada para uso con desechos sólidos, gas natural, petróleo y carbón (Combustion Engineering Inc.).

Métodos de Quemado. En incineradores y calderas de desechos sólidos se usan sistemas de quemado en masa, suspensión, esparcidor de carrera y doble vórtice, dependiendo del grado de procesamiento de los desechos (18, 23). El quemado en masa se usa cuando se van a quemar desechos sin procesar (Ver Figura 9.5 y la discusión de incineración en el Cap. 8). Normalmente, los desechos son transportador a través de la hornilla de la caldera en parrillas reciprocantes, desplazables y de rodillos (Ver Tabla 8.3).

El quemado en suspensión se usa con desechos procesados (generalmente, fraccionamiento primario seguido de clasificación con aire seguido de fraccionamiento secundario). En el quemado en suspensión, los desechos sólidos procesados son descargados en la hornilla de la caldera donde se secan y queman a medida que caen. En el fondo de la hornilla, generalmente, se proveen parrillas para quemar las partículas de combustión más lenta. Una parrilla de transportador remueve la ceniza del fondo de la caldera (Ver Figura 9.6).

Figura 9.7 Sección transversal de la pared de agua (Combustion Engineering Inc.).

Para el quemado por distribución, el desecho sólido combustible procesado es alimentado sobre una parrilla móvil e incinerado a medida que se desplaza sobre la hornilla. Normalmente, es necesaria una parrilla grande que cubra el total por ciento del área transversal de la hornilla debido a que el tamaño de las partículas, en el quemado por distribución, es mayor que para quemado en suspensión. También se usará el tiro forzado y aire para estimular la combustión, suministrándolos a través de las parrillas y los muros, para distribuir el desecho sólido combustible procesado. En el extremo de la parrilla se usa un transportador para remover la ceniza.

El sistema de quemado en doble vórtice tiene una cámara de combustión doble en forma de cono con un extremo cerrado y el otro abierto para la salida de los gases calientes de la combustión a la caldera. Los quemadores están en una caja a la cual el combustible y el aire entran tangencialmente. La mezcla de aire y combustible se mueve en espiral hacia el extremo cerrado en un vórtice exterior antes de desplazarse hacia el extremo abierto en un vórtice interior.

Las partículas grandes son recirculadas por la fuerza centrífuga en el vórtice exterior para completar la combustión. La ceniza y la escoria se recogen en el fondo de la cámara de combustión.

Cálculos de Combustión. Para la operación apropiada del incinerador, se debe suministrar suficiente aire para satisfacer las exigencias de (1) combustión primaria y secundaria y (2) turbulencia para la mezcla de aire y desechos sólidos. En la práctica, donde se utilizan hornillas recubiertas con refractarios, se ha encontrado que se debe suministrar entre el 100 y 200 por ciento de exceso de aire para satisfacer las exigencias de la combustión y turbulencia y controlar la escoria y la acumulación de otros materiales sobre las paredes refractarias. El gran flujo de gas resultante hace que el uso de tales incineradores sea costoso, debido a la capacidad necesaria del equipo de control de polución del aire. En contraste, cuando se utilizan sistemas de recuperación de calor, se ha encontrado adecuado un exceso del 50 al 100 por ciento de a i re. Entonces, aunque las calderas son más costosas, el tamaño menor y el costo del equipo de control de polución del aire compensarán, en la mayoría de los casos, el costo inicial.

En el Capítulo 4 (Ver Tabla 4.3), se anotó que los elementos principales de los desechos sólidos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. En la ceniza se encuentran cantidades más pequeñas de otros elementos. En condiciones ideales, los productos gaseosos derivados de la combustión de desechos sólidos municipales incluyen: dióxido de carbono, agua, oxígeno, nitrógeno y dióxido de azufre. En realidad, son posibles muchas secuencias diferentes de reacción, dependiendo de la naturaleza exacta de los desechos y las características de operación del incinerador. Como consecuencia, en la descarga gaseosa de un incinerador también se encuentra una variedad de compuestos de azufre y nitrógeno. Sin embargo, en la siguiente discusión se supondrá que la incineración es un proceso ideal con propósito de ilustración.

Para determinar la cantidad de aire que se debe suministrar para la combustión completa de desechos sólidos, es necesario calcular las exigencias para la oxidación de carbono, hidrógeno y azufre contenidos en los desechos. Las reacciones básicas son las siguientes:

Para carbono

C + O2 - CO2 (9.1)

(12) (32)

Para hidrógeno

2H2 + O2-+ 2H2O (9.2)

(4) (32)

Para azufre

S + O2 - SO2 (9.3)

(32.1) (32)

Si se supone que el aire seco contiene 23,15 por ciento de oxígeno en peso, entonces la cantidad de aire necesario para la oxidación de un kilo de carbono sería igual a 11,52 kg (32/12)(1/0,2315). Las cantidades correspondientes para hidrógeno y azufre son 34,56 y 4,31 kg, respectivamente. En cálculos de combustión, las necesidades de oxígeno para la oxidación de hidrógeno se basan, generalmente, en el valor neto de hidrógeno disponible. El valor neto de hidrógeno se calcula sustrayendo un octavo del porcentaje de oxígeno al porcentaje total de hidrógeno inicialmente presente en la muestra. Este cálculo se basa en la suposición de que el oxígeno en la muestra se combinará con hidrógeno para formar agua.

El calor producido en la combustión es parcialmente almacenado en los productos de la combustión y parcialmente transferido por convección, conducción, y radiación a las paredes del incinerador y al combustible que llega. Si se conoce la composición elemental de los desechos sólidos, se puede estimar el con tenido de energía usando la forma modificada de la ecuación de Dulong, dada en el Capitulo 4. (Ver Ecuación 4.2). Frecuentemente, el contenido de energía de los desechos sólidos se basa en el análisis del valor calórico de los componente individuales de los desechos (Ver Tabla 4.9).

En el ejemplo 9.2 se ilustran los cálculos necesarios de la combustión con objeto de determinar la cantidad de aire para la combustión completa y estimar el calor producido del proceso de combustión que está disponible para la conversión a vapor y finalmente a energía eléctrica.

Ejemplo 9.2. Balances de materiales y calor en la incineración

Determine el calor disponible para la producción de vapor de una cantidad de desechos sólidos con las siguientes características, a ser incinerados a una tasa de 250,000 lb/día (113, 400 kg/d).

Componente

Por ciento del total

lb/día

Combustible

60

150,000

Agua

20

50,000

No combustible

20

50,000

Nota: lb/día x 0,4536 = kg/día

Elemento

Por ciento

Carbono

28

Hidrógeno

4

Oxígeno

23

Nitrógeno

4

Azufre

1

Agua

20

Inertes

20

Suponga que son aplicables las siguientes condiciones:

1. El valor calórico de los desechos sólidos quemados es 5,000 Btu/lb

2. El residuo de la reja contiene 5 por ciento de carbón

3. Temperaturas:

Aire que entra, 80F

Residuo de la reja, 800F

4. Calor específico del residuo = 0,25 Btu/lb. F

5. Calor latente del agua = 1,040 Btu/lb

6. Pérdida por radiación = 0,005 Btu/Btu del aporte total a la hornilla

7. Todo el oxígeno en el desecho sólido está combinado como agua

8. Necesidades teóricas de aire basadas en la estequiometría.

Carbono (C + O2 - CO2) = 11,52 lb/lb

Hidrógeno (2H2 + O2 - 2H2O) = 34,56 lb/lb

Azufre (S + O2 - SO2) = 4,31 lb/lb

9. El valor calórico del carbono es 14,000 Btu/lb

10. Humedad en el aire de combustión es 1 por ciento

Solución

1. Calcule los pesos de los elementos de los desechos sólidos

 

2. Cálculo de la cantidad de residuos

Inertes = 50,000 lb/día

Residuo total = 50,000/0.95 = 52,600 lb/día

Carbono en el residuo = 2,600 lb/día

 

3. Cálculo del hidrógeno disponible y combinado en el agua

Hidrógeno disponible = 4% - 23%/8 = 1,125%

= 2,800 lb/día

Hidrógeno combinado en el agua = (4 - 1,125)% = 2,885%

= 7200 lb/día

Agua combinada = 57,500 + 7,200 = 64700 lb/día

4. Cálculo del aire necesario

Elemento

lb/día

Carbono = (70000 2600) (11,52)

776500

Hidrógeno = 2800 (34,56)

96800

Azufre = 2500 (4,31)

10800

Total teórico de aire seco

884100

Aire total seco incluyendo 100 x 100 de exceso

1.768.200

Humedad 1768200 x 0,01

17.700

Aire total

1785900 (810084 kg/día)

Total de aire seco incluyendo 100 x 100 1.768,200 (100 por ciento de exceso)

Humedad 1.768,200 (0,01) 17700

Aire total 1.785900 (810,084 kg/día)

5. Cálculo de la producción neta de calor de los desechos sólidos

Producción bruta de calor = 25000 lb/d x 5000 Btu/lb = 1.250.000.000

Calor perdido en el carbono sin combustión = 2600 lb/día

(14000 Btu/lb)

= 36.000.000 Btu/día

Aporte neto de calor = (1250000000 - 36000000) Btu/día

= 1214000000 Btu/día (1280770000 Kj/día)

6. Cálculo de las pérdidas de calor latente

Humedad inherente = 50000 lb/día (1040 Btu/lb) = 52000000 Btu/lb

= 52000000 Btu/lb

Humedad en agua combinada = 64700 lb/día (1040 Btu/lb)

= 63000000 Btu/día

 

 

Humedad de la oxidación del hidrógeno =

= 27000000 Btu/día (28,48500 Kj/día)

7. Cálculo de las pérdidas en el reactor

Pérdidas por radiación = (0,005 Btu/Btu)(1250000000 Btu/día)

= 6000000 Btu/día

Calor sensible en el residuo =

= 52600 lb/d [(0,25 Btu/lbF (800 - 80)F]

= 9000000 Btu/día (9,495,000 kJ/día)

8. Total de pérdidas = 162000000 Btu/día (170,910,000 kJ/día)

9. Cálculo del calor disponible para producción de vapor = 1.052.000.000 Btu/día (1.109.860.000 kj/día)

Calor disponible en los gases calientes = (1214000000 - 162000000)

Btu/día = 1052000000 Btu/día. Este es el calor sobre la temperatura normal del aire (supuesta de 80F) en los gases del desecho disponible a la entrada de una caldera. La cantidad de vapor producido de penderá de la eficiencia de la caldera. Por ejemplo, si la eficiencia de la caldera fuera del 85 por ciento, la eficiencia total sería del 72 por ciento. Este valor es consistente con datos obtenidos en la Planta de Incineración de Chicago Northeast (22). Gas y Temperatura de los Gases de Combustión. Junto con el conocimiento de cantidad de aire necesario y la cantidad de calor disponible, también es lo importante conocer la composición y temperatura de los gases de combustión para varias cantidades de exceso de aire. Este es un factor importante en el diseño de sistemas de recuperación de calor y para el control de olores. Por ejemplo, si la temperatura de combustión cae por debajo de 1400 a 1600F, para algunos desechos, los gases emitidos por la chimenea pueden ser olorosos debido a la combustión incompleta. En el ejemplo 9.3 se ilustra una muestra de cálculos para determinar la composición y temperatura de los gases que salen de la cámara de combustión para desechos sólidos con las características consideradas en el Ejemplo 9.2.

Ejemplo 9.3. Determinación de la composición de los gases de combustión.

Determine la composición de los gases de la combustión para los desechos sólidos del Ejemplo 9.2. Para simplificar los cálculos, suponga que todo el carbón inicialmente presente es convertido a dióxido de carbono. Estime también la temperatura de los gases de la combustión en la salida de la cámara de combustión.

Solución

1. Determine los moles de oxígeno y las libras de aire necesario por 1 lb de desechos sólidos. Los cálculos necesarios se presentan resumidos en la Tabla 9.6.

2. Determine los moles de gases producidos en la combustión completa 100 lb de desechos sólidos. Determine también la composición de los gases de la combustión si se usa 50 y 100 por ciento de exceso de aire. Los cálculos necesarios se ilustran en las Tablas 9.7 y 9.8.

3. Estime la temperatura de los gases de la combustión. Para hacer esto se necesitan datos sobre las entalpías de varios gases de la combustión. En la Tabla 9.9 se presentan los datos necesarios. Usan datos de las Tablas 9.8 y 9.9, estime el contenido de calor en el gas producido por una libra de desechos sólidos, usando la siguiente ecuación:(14).

TABLA 9.6

Determinación de las necesidades de aire para la combustión completa de 100 lb de desechos sólidos para el ejemplo 9.3.

Componente

Peso* por ciento

Peso atómico

Peso atómico unidades

Moles de oxígeno necesario

Reacción y producto de la combustión

Carbono

28

12,0

2,333

2,333

C + O2 = CO2 (dióxido de carbono)

Hidrógeno

4

1,0

4,000

1,000

2H2 + O2 = 2H2O (agua)

Oxígeno

23

16,0

1,438

-0,739

 

Nitrógeno

4

14,0

0,286

--

 

Azufre

1

32,1

0,031

0,031

S + O2 (dióxido de azufre)

Agua

20

18,0

1,111

--

 

Inertes

20

--

--

--

 

TOTAL

100

       

Moles de aire necesarios por 100 lb de desechos sólidos = 2,645/0,2069 = 12,78

Libras de aire necesario por libra de desechos sólidos = 12,78 (28,7)/100 = 3,67

* Vea el Ejemplo 9.2

Suponga la composición del aire, fracciones en volumen: dióxido de carbono, 0,0003; nitrógeno 0,7802; oxígeno 0,2069; agua 0,0126. Suponiendo que son gases ideales, el volumen de las fracciones se puede tomar como fracciones molares y son iguales a los porcentajes en volumen divididos por 100. La composición dada es para los gases raros incluidos con el nitrógeno y el contenido de humedad correspondiente al 70 por ciento, 60F. El aire de esta composición tiene un peso de 28,7 lb/mol de gas total.

Para 1000F y 50 por ciento de exceso de aire, los cálculos necesarios son:

Tabla 9.7. Determinación de los moles producidos de productos de combustión para la combustión completa de 100 lb de desechos sólidos para el ejemplo 9.3.

Producto de combustión

MOLES DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN

De la combustión*

Del aire

Total

Por ciento

Dióxido de carbono

2.333

0,004

2.337

14.8

Agua

(2000 + 1111 &)

0,161

3.272

20.8

Oxígeno

--

--

--

--

Nitrógeno

0,143

9,97

10.113

64.2

Dióxido de azufre

0,031

--

0.031

0.2

TOTAL

   

15.753

100.0

Moles de aire por mol de gas = 12,78/15,75 = 0,81

* Datos derivados de la Tabla 9.6

Moles de aire necesario por 100 lb de desechos sólidos = 12,78 (Ver Tabla 9.6)

Cálculo guía: 12,78 (0,003) = 0,004 (Ver Tabla 9.6, segunda llamada)

& Moles de humedad presentes en la muestra original.

En la Tabla 9.10 se muestra un resumen de valores tabulados de cálculos de 5 y 100 por ciento de exceso de aire para temperaturas desde 1000 hasta 2500F.

Si se supone que el contenido de energía en los desechos sólidos es de 5000 Btu/lb y que se pierde el 15 por ciento de la energía, entonces los gases contendrán 4270 Btu/lb. Refiriéndose a la Tabla 9.10 se puede ver que la temperatura de los gases con 50 por ciento de exceso de aire seria de alrededor de 2000F y alrededor de 1600F para 100 por ciento de exceso de aire.

 

TABLA 9.8

Determinación de la composición del gas efluente de la combustión completa de 100 lb de desechos sólidos para el ejemplo 9.3* y varias cantidades de exceso de aire

Por ciento de exceso de aire

Moles de exceso de aire

Total de moles de gas

Composición del gas, por ciento

CO2

O2

N2

H2O

SO2

0

0,0

100,0

14,8

--

64,2

20,8

0,2

50

40,5

140,5

10,5

6,0&

68,2+

15,2

0,1

100

81,0

181,0

8,2

9,3

70,4

12,0

0,1

* Refiérase a las Tablas 9.6 y 9.7

Moles de exceso de aire = por ciento de exceso de aire (moles de aire/moles de gas)

(50 por ciento de exceso de aire) (0,81, Ver Tabla 9.7) = 40,5

& Por ciento de O2 = ((40,5 x 0,2069)/140,5)

+ Por ciento de N2 = {[64,2 + 40,5 (0,7802)]/140,5}100

En la Tabla 9.10 se muestra el resumen de valores tabulados de cálculos de 50 y 100 por ciento de exceso de aire para temperaturas desde 1000 hasta 2500F.

Si se supone que el contenido de energía en los desechos sólidos es de 5.000 Btu/lb y que se pierde el 15 por ciento de la energía, entonces los gases contendrán 4.270 Btu/lb. Refiriéndose a la Tabla 9.10 se puede ver que la temperatura de los gases con 50 por ciento de exceso de aire sería de alrededor de 2000F y alrededor de 1600F para 100 por ciento de exceso de aire.

TABLA 9.9

Entalpías para varios productos de la combustión* (Btu/lb mol en condiciones normales 1).

Temperatura

T, F

CO2

O2

N2

N2O

1000

10.048

6.974

6.720

26.925

1500

16.214

11.008

10.556

31.743

2000

22.719

15.191

14.520

36.903

2500

29.539

19.517

18.609

42.405

Ecuaciones de entalpía

* De la Ref. 14

Gas, excepto agua líquida a la atmósfera de presión y 77F

TABLA 9.10

Contenido de calor en gases producidos en la combustión de 1 lb de desechos sólidos

Temperatura F

Btu

Exceso de aire, 50 por ciento

Exceso de aire, 100 por ciento

1000

2.245

2.689

1500

3.184

3.874

2000

4.162

5.108

2500

5.108

6.390

Pirólisis

De todos los procesos de conversión química que han sido investigados, excluyendo la incineración, la pirólisis ha recibido la mayor atención.

Descripción del Proceso. Debido a que la mayoría de las sustancias orgánicas son térmicamente inestables, ellas pueden, mediante calentamiento en una atmósfera libre de oxígeno, ser disociadas mediante una combinación de fraccionamiento térmico y reacciones de condensación en fracciones gaseosa, líquida y sólida. Pirólisis es el término usado para describir el proceso. En contraste con el proceso de combustión, que es altamente exotérmico, el proceso pirolótico es altamente endotérmico. Por esta razón frecuentemente se usa el término destilación destructiva como un término alterno para pirólisis.

Hasta ahora se han evaluado diferentes tipos de reactores para esta aplicación. Dependiendo del tipo de reactor usado, la forma física de los desechos sólidos a ser pirolizados puede variar desde desechos crudos sin fragmentar hasta la porción finamente molida de los desechos remanentes después de dos etapas de fraccionamiento y clasificación con aire.

Productos de la Conversión. Las características de los tres principales componentes resultantes de la pirólisis son:

1. Una fuente de gas que contiene principalmente hidrógeno, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono, y varios otros gases, dependiendo de las características orgánicas del material que está siendo pirolizado.

2. Una fracción que consiste de una fuente de brea y/o aceite que es liquida a temperatura ambiente y se ha encontrado que contiene químicos como: ácido acético, acetona y metanol .

3. Un material carbonizado consistente de carbón virtualmente puro más cualquier material inerte que pueda haber entrado al proceso.

Para celulosa (C6H10O5), se ha sugerido que la siguiente expresión es representativa de la reacción de pirólisis (5):


3(C6H10O5 8H2O + C6H8O + 2CO + 2CO2 + CH4 + H2 + 7C (9.4)

En la ecuación 9.4 de la brea y aceite líquidos que se obtienen normalmente están representados por la expresión C6H8O. Se ha encontrado que la distribución de las fracciones de producto varían dramáticamente con la temperatura a la que se lleva a cabo la pirólisis (5). En la Tabla 9.11 se reportan datos representativos del producto como función de la temperatura de operación. En las Tablas 9.12 y 9.13 se dan las características típicas de la fracción gaseosa y el material carbonizado respectivamente. Se ha estimado que el contenido energético de los aceites pirolíticos es alrededor de 10.000 Btu/lb. y el contenido energético del gas resultante sería de alrededor de 700 Btu/lb, en condiciones de máxima gasificación.

En resumen, parece que mientras el proceso pirolítico es una gran promesa, faltan muchas cosas por conocerse. Se debe reunir información básica y datos sobre la naturaleza de los problemas a enfrentar cuando el proceso se opera continuamente durante un período de tiempo sostenido. Por ejemplo, serán superables los problemas de corrosión o control de polución del aire?. Las respuestas a estas preguntas deben estar disponibles en 1980, en vista del número de procesos corrientemente en operación, en plantas piloto, o que van a ser puestos en operación.

TABLA 9.11

Rendimiento del producto pirolítico*

Temperatura,

F

Desechos,

lb

Gases,

lb

Ácidos piroleñosos y breas,

lb

Materiales carbonizados

Masa tomada en cuenta lb

900

100

12,33

61,08

24,71

98,12

1200

100

18,64

18,64

59,18

99,62

1500

100

23,69

59,67

17,24

100,59

1700

100

24,36

58,70

17,67

100,73

* De la Ref. 5

En base a como se reciben, excepto que se han removido los metales y el vidrio

Incluye todos los condensables; las cifras citadas incluyen 70 a 80% de agua

NOTA: lb x 0,4536 = kg

 

TABLA 9.12

Gases emitidos por la pirólisis*

Gas

Por ciento en volumen

900F

1200F

1500F

1700F

H2

5.56

16.58

28.55

32.48

CH4

12.43

15.91

13.73

10.45

CO

33.50

30.49

34.12

35.25

CO2

44.77

31.78

20.59

18.31

C2H4

0.45

2.18

2.24

2.43

C2H6

3.03

3.06

0.77

1.07

Balance

99.74

100.0

100.00

99.99

* De la Ref. 5

NOTA: 0.555 (F 32) = C

TABLA 9.13

Análisis aproximado del material carbonizado pirolítico*

Características

Por ciento en volumen

900F

1200F

1500F

1700F

Antracita de Pensilvania!

Material volátil

21.81

15.05

8.13

8.30

7.66

Carbón fijo

70.48

70.67

79.05

77.23

82.02

Ceniza

7.71

14.28

12.82

14.47

10.32

Btu/lb

12.120

12.280

11.540

11.400

13.880

Incineración- Pirólisis

Un desarrollo reciente en la conversión química de desechos sólidos es la combinación incineración- pirólisis, proceso desarrollado por Union Carbide (20). El sistema completo desarrollado alrededor de este proceso se conoce como sistema Purox.

Descripción del Proceso. La referencia a la Figura 9.8 hace posible una mejor descripción del proceso. La alimentación de los desechos sólidos se hace a través de una compuerta de carga ubicada en la parte superior del reactor. En la base de la hornilla se inyecta oxígeno puro en la zona de combustión donde reacciona con el material carbonizado de la zona de pirólisis. La temperatura generada en el horno es suficientemente alta para fundir vidrio metal y otros materiales en un residuo fundido. El material fundido fluye continuamente desde el horno a un tanque de enfriamiento con agua donde forma un material granular duro.

Los gases calientes formados por la reacción del oxígeno y el carbón del material carbonizado ascienden a través de los desechos en descenso. En la parte media de la hornilla vertical, los materiales orgánicos son descompuestos por el calor en una atmósfera esencialmente reductora para producir una mezcla de productos gaseosos. A medida que los productos gaseosos ascienden, secan los desechos sólidos que entran por la parte superior de la hornilla.

 

 

 

 

Figura 9.8 Sección a través de un reactor de incineración- pirólisis (Union Carbide Corporation).

 

A medida que la mezcla de gas deja la hornilla toma vapor de agua, la niebla de aceite formada por la condensación de orgánicos hirviendo, y pequeñas cantidades de ceniza. Se usa un sistema de limpieza de gas para remover la neblina de aceite y los sólidos en la ceniza. El gas obtenido, después de la limpieza, se pasa por un condensador. El gas seco resultante es comparable al gas natural en sus características de combustión (6.20).

Productos de la Conversión. En la Tabla 9.14 se reportan los productos gaseosos de la conversión recuperados de este proceso. Como se muestra, la mezcla gaseosa está compuesta principalmente de CO, CO2 y H2. Se espera que esta composición varíe con las características de los desechos sólidos. En términos de eficiencia de la conversión, se estima que al rededor del 75 por ciento de la energía contenida en los desechos sólidos es recuperable cuando se usa el reactor de incineración pirólisis que se muestra en la Fig. 9.8.

 

TABLA 9.14

Composición de los Productos Gaseosos del Proceso Purox*

Componente

Porcentaje en volumen

CH4

5

CO

40

CO2

23

H2

26

Orgánicos superiores

1

Nitrógeno

1

Valor calórico, Btu/lb

345-370

* De la Ref. 6

En base seca

NOTA: Btu/p3 x 37.259 = KJ/m3

Donde existe un mercado, puede ser más provechoso mejorar el gas obtenido de este proceso, bajo en Btu, y llevarlo a la calidad de gas natural (960 a 980 Btu/pie3) en lugar de usarlo directamente en la producción de energía eléctrica. Esto se realizaría normalmente, mediante un proceso de metanización (vea la figura 9.9). Como se muestra en el diagrama de flujo simplificado de la Figura 9.9, el proceso completo consistiría en las siguientes cuatro etapas u operaciones básicas: 1) compresión del gas de alimentación y conversión por sustitución, 2) remoción de ácido del gas, 3) metanización, y 4) recuperación de azufre.

Fig. 9.9. Diagrama de flujo simplificado para la conversión de gas de bajo Btu del proceso Purox a la calídad de gas natural (The Lummus Company).

En la primera etapa, el gas pobre en Btu es comprimido de 2 a 300 lb/pg2. La conversión de monóxido de carbón (CO) a dióxido de carbón (CO2) se rea liza en un reactor catalítico de lecho fijo.

Conversión de CO a CO2.


CO + H2O CO2 + H2


Esta reacción es necesaria para obtener las relaciones apropiadas de monóxido de carbono- hidrógeno para la mecanización. En la segunda etapa, la mayor parte del dióxido de carbono (CO2) y ácido sulfhídrico (H2S) son removidos del gas efluente frío mediante separación. En la tercer etapa, el gas separado es alimentado a una serie de tres reactores de metanización donde el gas hidrógeno reacciona con el dióxido de carbono para formar metano.

Conversión de gas separado a metano:


catalizador


CO + 3H CH4 + HO

catalizador


CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O


En la cuarta etapa, se recupera azufre elemental de la fuente de gas condensado, usando el proceso Stretford.

Otros procesos de Conversión Química

Además de los diferentes procesos de incineración y pirolíticos en investigación y/o construcción, una variedad de procesos están siendo evaluados en forma pública y privada. Por ejemplo, la conversión hidrolítica de celulosa a glucosa, seguida por la fermentación de glucosa a alcohol etílico, ha sido demostrada a escala piloto (8). No se puede manifestar nada definitivo sobre estos procesos hasta que sean disponibles suficientes datos bien documentados.

9.3. RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN BIOLÓGICA

Los productos de la conversión biológica que se pueden obtener de desechos sólidos incluyen: abono, metano, varias proteínas y alcoholes y una variedad de otros compuestos orgánicos intermedios. En la Tabla 9.15 se reportan los principales procesos que han sido usados. Los dos procesos más desarrollados, fermentación controlada y digestión anaerobia, se describen en detalle en esta sección después de la discusión de las bases de los procesos.

TABLA 9.15

Procesos Biológicos para la Conversión de Desechos Sólidos

Proceso

Producto de la conversión

Proceso necesario

Comentario

Fermentación controlada

Material parecido al humus

Fragmentación, separación con aire

La principal limitación es la falta de mercado; probado, técnicamente en aplicaciones a escala completa.

Digestión anaerobia

Gas metano

Fragmentación, separación con aire

Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Conversión biológica a proteína

Proteína, alcohol

Fragmentación, separación con aire

Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Fermentación biológica

Glucosa, furfural

Fragmentación, separación con aire

Usado junto con el proceso hidrolítico.

* Para mayores detalles ver la Ref. 8

Algunas Bases de Procesos Biológicos

Para ayudar al lector a comprender los procesos de conversión biológica que van a ser discutidos más adelante en esta sección, se presentan algunas bases de sistemas microbiales y su relación a procesos de conversión de desechos sólidos. Los tópicos incluyen: 1) tipos de organismos, 2) procesos asimilatorios y desasimilatorios, 3) metabolismo aerobio y anaerobio, 4) necesidades de nutrientes, y 5) exigencias ambientales.

Tipos de Microorganismos. La clase general de microorganismos que son de interés en relación a la conversión de desechos sólidos ya sea a masa celular o algún sub- producto del metabolismo celular se llaman protistas. Los microorganismos en esta clasificación pueden ser unicelulares o multicelulares, pero no tienen diferenciación celular. Específicamente, los protistas de mayor interés en la conversión de desechos sólidos son: bacterias, hongos, mohos y actinomicetas. Protozoos y algas son otros protistas, pero no tienen importancia primaria.

Típicamente las bacterias son células individuales- cocoide, barras o espirales. Las formas cocoides varían desde 0,5 hasta 4 m m en diámetro; las barras desde 0,5 hasta 20 m m de longitud y 0,5 a 4 m m de ancho; las espirales pueden ser mayores de 10 m m de largo y alrededor de 0,5 m m de ancho (1,2l. Las bacterias son de naturaleza ubicua y se encuentran en ambientes: aerobio (en presencia de oxígeno) y anaerobio (en ausencia de oxígeno). Debido a la gran variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden ser utilizados por las bacterias para sostener el crecimiento, las bacterias son usadas extensivamente en una variedad de operaciones industriales para acumular productos intermedios o finales del metabolismo. Pruebas sobre un número de especies diferentes de bacterias indican que ellas son: 80 por ciento agua y 20 por ciento material seco, del cual 90 por ciento es orgánico y 10 por ciento inorgánico. Una fórmula empírica aproximada de la fracción orgánica es C5H7NO2 (13). En base a esta fórmula, alrededor del 53 por ciento en peso de la fracción orgánica es carbono. Los compuestos que constituyen la porción inorgánica incluyen: P2O5 (50 por ciento), CaO (9 por ciento), Na2O (11 por ciento) , MgO (8 por ciento) , K2O (6 por ciento), y Fe2O3 (1 por ciento). Puesto que todos estos elementos y compuestos deben ser obtenidos de] ambiente, una escasez de estas sustancias limitaría y en algunos casos alteraría el crecimiento bacterial (13).

Se considera que los hongos son protistas multicelulares, no fotosintéticos, heterotrofos. La mayoría de los hongos tienen la capacidad de crecer en condiciones de poca humedad que no favorecen el crecimiento de bacterias. Además, los hongos pueden tolerar valores bajos de pH. El valor óptimo del pH para la mayoría de las especies fungales parece ser de alrededor de 5,6, pero el rango viable es desde 2 hasta 9. El metabolismo de estos organismos es esencialmente aerobio, y crecen en filamentos largos compuestos de agrupaciones de células llamadas "hiphae", variando en ancho de 4 a 20 m m. Debido a su capacidad para degradar una amplia variedad de compuestos orgánicos en un amplio rango de condiciones ambientales, los hongos han sido usados extensivamente en la industria para la producción de compuestos valiosos, tales como ácidos orgánicos (por ejemplo, cítrico y glucónico), varios antibióticos (por ejemplo, penicilina, griseofulvina), y enzimas (por ejemplo, celulasa, proteasa, amilasa).

Las levaduras son hongos que no forman filamento (micelio) y además son unicelulares. Algunos hongos forman células elípticas de 8 a 15 m m por 3 a5 m m, mientras otras son esféricas, variando en tamaño de 8 a 12 m m de diámetro. En términos de operaciones de procesado industrial, las levaduras se pueden clasificar como "silvestres" y "cultivadas". En general, las levaduras silvestres son de poco valor, pero las cultivadas se usan extensivamente para fermentar azúcares a alcohol y dióxido de carbono.

Las actinomicetas son un grupo de organismos con propiedades intermedias entre bacterias y hongos. Con respecto a la forma, son semejantes a los hongos, excepto que el ancho de la célula es de sólo 0,5 a 1,4 m m. Este grupo de microorganismos se usa extensivamente en la industria para la producción de antibióticos. Las actinomicetas se agrupan a menudo con los hongos para propósitos de discusión debido a que sus características de crecimiento son parecidas. (2).

Procesos Desasimilatorios y Asimilatorios. Los microorganismos, deben tener una fuente de energía y carbón para síntesis de nuevo material celular para continuar creciendo y funcionando apropiadamente, también, para la síntesis celular son vitales los elementos inorgánicos o nutrientes como nitrógeno y fósforo, y trazas de otros elementos como: azufre, potasio, calcio y magnesio. El dióxido de carbono y la materia orgánica son las dos fuentes más comunes de carbón celular para los microorganismos. Si un organismo deriva carbono celular de dióxido de carbono se lo llama autotrófico; y si usa carbono orgánico se lo llama heterotrófico.

En la síntesis de nuevo material celular también se necesita energía. Para los organismos autotróficos la energía puede ser suministrada por el sol, como en la fotosíntesis, o por una reacción de óxido- reducción. Si la energía es suministrada por el sol , el organismo se llama autotrófico fotosintético. Si la energía es suministrada por una reacción de óxido- reducción, se lo llama autotrófico quimiosintético. Para los organismos heterotróficos, la energía necesaria para la síntesis celular es suministrada por la oxidación de materia orgánica.

En este contexto, se pueden considerar como procesos desasimilatorios a aquellos procesos asociados con la producción y/o captura de energía, mientras que los procesos asimilatorios son aquellos asociados con la producción de tejido celular. En base a estas amplias clasificaciones, la mayoría de las fermentaciones industriales (aerobias y anaerobias) son desasimilatorias, en las que compuestos complejos (generalmente orgánicos) son degradados a compuestos más simples o moléculas con una liberación simultánea de energía. Los procesos biológicos asimilatorios generalmente se usan en la formación de moléculas orgánicos complejas que no se pueden sintetizar económicamente mediante técnicas convencionales de química orgánica. La mayoría de los antibióticos caen en esta categoría.

La razón para hacer una distinción entre procesos desasimilatorios y asimilatorios que siempre ocurren simultáneamente, es que las condiciones óptimas para cada proceso pueden ser completamente diferentes: con frecuencia, tales consideraciones afectan el diagrama de flujo de los procesos y el diseño de las instalaciones de procesado.

Metabolismo Aerobio y Anaerobio. Se llaman aerobios obligados a los microorganismos que no pueden crecer o sobrevivir en ausencia de oxígeno. En forma semejante, son anaerobios obligados aquellos organismos que no pueden sobrevivir o son inhibidos en presencia de oxígeno. Los organismos capaces de crecer en presencia o ausencia de oxígeno son llamados anaerobios facultativos. Muchos organismos facultativos poseen sistemas metabólicos aerobio y anaerobio y pueden cambiar de un sistema a otro en respuesta a la presencia de oxígeno. Otros organismos facultativos tienen solamente un sistema metabólico anaerobio pero son insensibles a la presencia de oxígeno. Más adelante en este capítulo, en las discusiones sobre fermentación controlada y digestión anaerobia, se consideran en más detalle los procesos aerobio y anaerobio.

Exigencias Nutricionales. Los microorganismos deben tener todos los nutrientes necesarios para sintetizar y mantener su tejido celular y así crecer y funcionar propiamente. Esto, normalmente, incluye una fuente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, sales inorgánicas, fósforo, azufre y trazas de micronutrientes surtidos (24). Se debe hacer una evaluación detallada para cada aplicación debido a que las exigencias varían con el microorganismo en consideración.

Exigencias Ambientales. Las exigencias ambientales más importantes incluyen: temperatura, contenido de humedad, pH y ausencia de toxicidad. El rango de temperatura en el cual se ha encontrado que los microorganismos sobreviven varía desde -5 hasta 80C. El límite inferior está fijado por el punto de congelación del agua, el cual desciende por el contenido de sales de la célula (2). El limite superior es establecido generalmente por las características de los constituyentes que integran el tejido celular. Por ejemplo, la mayoría de las proteínas y ácidos nucleicos son destruidos en el rango de temperatura de 50 a 90C. Para la mayoría de los organismos usados en la conversión de desechos sólidos, el rango de temperatura para el crecimiento óptimo es mucho menor. Los microorganismos que crecen mejor en rango de temperatura de 20 a 40C son llamados mesofílicos y constituyen el grupo más grande que se encuentra en la naturaleza. Aquellos que crecen mejor en un rango de temperatura por debajo de 20C son llamados psicrofílicos , y aquellos que crecen mejor por encima de 45C son llamados termofílicos. Estas distinciones no son muy rígidas, y han sido identificados muchos microorganismos que se pueden adaptar a todos estos rangos de temperaturas.

Debido a que el agua es esencial para el crecimiento de los microorganismos, se debe conocer el contenido de humedad de los desechos a ser convertidos, especialmente si se va a usar un proceso seco, como la fermentación controlada. En muchas operaciones de fermentación controlada, ha sido necesario agregar agua para obtener actividad bacterial óptima.

Las concentraciones de ion hidrógeno expresadas como pH o como tal, no es un factor importante en el crecimiento de microorganismos dentro del rango de 6 a 9, el cual representa una diferencia de mil veces en la concentración del ion hidrógeno. Sin embargo, cuando el pH va por encima o debajo de este rango, parece que las moléculas sin disociar, de ácidos o bases débiles, pueden entrar a la célula más fácilmente que los iones de hidrógeno e hidróxilo, y, al alterar el pH interno, dañan la célula.

Fermentación Controlada

En el Capitulo 4 se observó, Tabla 4.2, que la mayor parte de los desechos sólidos municipales es orgánica en composición. A excepción del plástico, caucho y los componentes de cuero, la fracción orgánica de los desechos sólidos municipales se puede clasificar como sigue (17):

1. Constituyentes solubles en agua, un grupo que incluye azúcares, almidones, aminoácidos, y varios ácidos orgánicos.

2. Hemicelulosa, un producto de la condensación de azúcares de cinco a seis carbones.

3. Celulosa, un producto de la condensación de azúcares de seis carbones, glucosa.

4. Grasas, aceites y ceras, los cuales son ésteres de alcoholes y ácidos grasos superiores.

5. Lignina, un material cuya naturaleza química exacta todavía no es conocida (Presente en algunos productos de papel como el periódico y el cartón.

6. Lignocelulosa, una combinación de lignina y celulosa.

7. Proteínas, están compuestas por cadenas de amino ácidos.

Si estos materiales orgánicos son separados de los desechos sólidos municipales y se someten a la descomposición bacterial, el producto final remanente después de la actividad bacterial desasimilatoria y asimilatoria es llamado humus. El proceso completo que involucra la separación y conversión bacterial de los desechos sólidos orgánicos se conoce como fermentación controlada.

La descomposición de los desechos sólidos orgánicos se puede llevar a cabo aerobia o anaerobiamente, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno. Debido a que el proceso anaerobio es extremadamente lento y puede ser difícil controlar los olores ofensivos asociados con este proceso, la mayoría de las operaciones de fermentación controlada son aerobias.

En general, las características físicas y químicas del humus varían de acuerdo con la naturaleza del material inicial, las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo la operación de fermentación y el grado de descomposición. Algunas de las propiedades del humus resultante que lo distinguen de otros materiales naturales son (17):

1. Un color marrón oscuro a negro

2. Una relación carbón-nitrógeno baja

3. Un cambio continuo de naturaleza debido a la actividad de los microrganismos

4. Una capacidad alta para intercambio de bases y absorción de agua.

Descripción del Proceso. La mayoría de las operaciones de fermentación controlada constan de tres etapas básicas. 1) preparación de los desechos sólidos, 2) descomposición de los desechos sólidos, y 3) preparación del producto y mercadeo. La recepción, clasificación, separación, reducción de tamaño, y adición de humedad y nutrientes forman parte de la etapa de preparación. Se han desarrollado varias técnicas para realizar la etapa de descomposición. En la fermentación controlada por hileras, los desechos sólidos preparados se colocan en hileras al aire libre, las cuales se voltean una a dos veces por semana durante un periodo de fermentación de unas 5 semanas, el material generalmente se cura por 2 a 4 semanas más para asegurar la estabilización. Como alternativa a la fermentación en hileras, se han desarrollado varios sistemas mecánicos. Controlando cuidadosamente la operación mediante un sistema mecánico, es posible producir humus en 5 a 7 días. Con frecuencia el material fermentado se remueve y cura en hileras a campo abierto durante un período adicional de unas 3 semanas. Una vez que los desechos sólidos se han convertido en humus, están listos para la tercera etapa de preparación del producto y el mercadeo. Esta etapa puede incluir molido a material fino, mezcla con varios aditivos, granulación, empaque, almacenamiento, embarque, y en algunos casos, distribución directa. Debido a que la descripción detallada de las varias maneras en las que se pueden realizar estas tres etapas está fuera del alcance de este texto, se recomiendan las Ref. 4, 5 y 7.

Microbiología del Proceso. Aunque son extremadamente diversos, los principales microorganismos involucrados en la descomposición aerobia de los desechos sólidos se pueden identificar como: bacterias, hongos, levaduras y actinomicetas. Mientras se encuentra que miembros de cada uno de estos grupos son capaces de descomponer todas las materias primas en los desechos sólidos, como grupo prefieren diferentes compuestos. Normalmente, las bacterias prefieren azúcares solubles simples, mientras los hongos, levaduras y actinomicetas son particularmente efectivas en la descomposición de celulosas y hemicelulosas.

Aparte de las exigencias metabólicas, la predominancia de microorganismos varía durante el curso del proceso de fermentación. Uno de los mayores factores que contribuyen a que esto ocurra es el calor liberado como resultado de las actividades desasimilatorias y asimilatorias de los microorganismos en la conversión de los desechos sólidos a humus estabilizado. Inicialmente, el material que está siendo fermentado se calienta como resultado de la liberación de energía que acompaña a la degradación de los desechos orgánicos fácilmente convertibles y los azúcares; cuando la temperatura sube por encima de 45 a 50C, empiezan a predominar organismos termofílicos; estos organismos predominarán a alrededor de los 55C, que ha sido observada como la temperatura óptima para estos organismos. En este rango de temperatura son comunes ciertos tipos de bacterias y actinomicetas. En condiciones normales, la estabilización es más rápida en el rango termofílico que en rango mesofilico.

La cantidad de oxígeno necesario para la estabilización aerobia de desechos sólidos municipales se puede estimar usando la siguiente ecuación (17):

CaHbOcNd + 0,5 (ny + r - c) O2 ® nCwHxOyNz + rH2O + (d - nx)NH3 + sCO2 (9.5)

donde r = 0,5 ½ b - nx - 3 (d - nx)½

s = a - nw

Los términos CaHbOcNd y CwHxOyNz representan la composición molar empírica de la materia orgánica presente al principio y al final del proceso. Si se realiza la conversión completa la expresión correspondiente es:

(9.6)

Si el amoniaco, NH3 va a ser oxidado a nitrato NO3, la cantidad de oxígeno necesaria para realizar esto se puede calcular de las siguiente dos ecuaciones:

NH3 + 3/2 O2 ® HNO2 + H2O (9 -7)

HNO2 + 1/2 O2 ® HNO3 (9 -8)

NH3 + 2O2 ® H2O + HNO3 (reacción total) (9.9)

En el ejemplo 9.4 se ilustra el cálculo de la cantidad de oxígeno necesario para la estabilización de desechos sólidos preparados.

EJEMLO 9. 4. Necesidades de Oxígeno para la Fermentación

Determine la cantidad de oxígeno necesario para la fermentación de 1,000 lb de desechos sólidos. Suponga que la composición inicial del material a ser fermentado está dada por ½ C6H7O2 (OH)3½ 5, que la composición final se estima que es ½ C6H7O2(OH)3½ 2, y que después del proceso quedan 400 lb de material.

Solución

1. Determine los moles de material presente inicialmente y al final del proceso.

Moles inicialmente presentes:

Moles presentes al final:

 

2. Determine los moles de material que dejaron el proceso por mol de material que entra al proceso.

3. Determine los valores de a, b, c, d, w, x, y, y z, y entonces determine el valor de r y s de la Ec. 9.5.

Para el compuesto inicial (C30H50O25):

a = 30 b = 50 c = 25 d = 0

Para el compuesto final (C12H2O10):

w = 12 x = 20 y = 10 z = 0

El valor de r es:

r = 0,5 ½ b - nx - 3(d - nz)½

r = 0,5 ½ 50 - 1.0(20)½ = 15,0

El valor de s es:

s = a - nw s = 30 - 1,0(12) = 18

4. Determine la cantidad de oxigeno necesario

lb O2 = 0,5(ny + 2s + r - c)O2

= 0,51 ½ 1,0(10) + 2(18) + 15 - 25½ 1.23(32)

= 708 lb (321 kg)

5. Comprobación de los cálculos con un balance de materiales.

 

lb

kg

Aportes al proceso

   

Material orgánico

1,000

454

Oxígeno

708

321

 

1,708

775

Entregas del proceso

   

Material orgánico

400

181

Dióxido de carbón 1.23(18)44

974

442

Agua 1.23 (15) 18

332

151

 

1,706

774

 

Consideraciones de Diseño. En la Tabla 9.16 se presentan las principales consideraciones de diseño asociadas con la descomposición biológica de desechos sólidos preparados. De esta tabla se puede concluir que la preparación de un proceso de fermentación no es una tarea simple, especialmente si se obtienen resultados óptimos. Por esta razón, la mayoría de las operaciones comerciales que se han desarrollado son altamente mecanizadas y se llevan a cabo en instalaciones especialmente diseñadas donde se pueden controlar eficazmente los factores de diseño reportados en la Tabla 9.16. Al final de este capítulo se discuten algunas de las operaciones comerciales de fermentación de tasa alta que han sido desarrolladas.

También se deben considerar las necesidades de área de terreno, aunque no aparecen en la Tabla 9.16. Por ejemplo, en fermentación en hilera para una planta con una capacidad de 50 ton/día, serán necesarios alrededor de 2,5 acres. De este terreno, 1,5 acres serán dedicados a construcciones, equipo de la planta, y vías. Se estima que por cada 50 toneladas adicionales, se necesitarán 1,0 acre para la operación de fermentación y 0,25 acres para construcciones y vías (7). El terreno necesario para sistemas altamente mecanizados varía con el proceso; un estimativa de 1,5 a 2,0 acres para una planta de 50 ton/día es razonable; para plantas más grandes las necesidades de área unitaria serán menores.

Preocupaciones Ambientales. Algunas preocupaciones ambientales importantes se relacionan con la producción de olores, el arrastre de materiales sueltos por el viento, y la posibilidad de llevar al suelo toxicidad de metales pesados. La producción de olores se puede convertir en un problema, a menos que se ejerza un control apropiado, especialmente en la fermentación por hileras el olor no ha sido un problema en procesos muy bien controlados. En la fermentación por hileras, también es un problema el arrastre de papeles y materiales plásticos.

Una preocupación que puede afectar a todas las operaciones de fermentación, especialmente a aquellas que usan fragmentadores mecánicos, contempla la posible toxicidad por metales pesados. Cuando se fragmentan metales presentes en desechos sólidos, se generan partículas de polvo de metal por la acción del fragmentador; a su vez, estas partículas se pueden adherir a materiales de la fracción liviana. Finalmente, después de la fermentación, estos metales serían aplicados al suelo; mientras muchos de ellos no tienen efectos adversos, metales como el cadmio (debido a su toxicidad) son un problema real. Es necesario hacer más trabajo experimental para cuantificar el impacto de las operaciones de procesado mecánico sobre la composición del humus de la fermentación.

Digestión Anaerobia

La conversión del material orgánico de los desechos sólidos a gases que contienen metano se puede realizar de varias maneras, incluyendo hidrogasificación, pirólisis y digestión anaerobia. La hidrogasificación se asocia generalmente con la conversión de materia prima petroquímica; aunque el proceso se ha ensayado con desechos sólidos, no está bien definido y no se considera en este libro. Previamente se ha considerado la producción de metano a partir de desechos sólidos por pirólisis (vea la Sec. 9.2). En la siguiente

 

TABLA 9.16

Consideraciones importantes de diseño para el proceso de fermentación aerobia *

Artículo

Comentario

Tamaño de las partículas

Los desechos sólidos se deben moler finamente (1 a 3 pg) para obtener resultados óptimos.

Inoculación y mezcla

La inoculación con desechos sólidos parcialmente descompuestos, alrededor de 1 a 5 por ciento en peso, puede reducir el tiempo de fermentación. También se puede agregar lodo de aguas servidas para preparar desechos sólidos, cuando se agrega lodo la variable decisiva es el contenido de humedad.

Mezcla/rotación

El material en fermentación se debe mezclar o voltear a intervalos previstos o cuando sea necesario, para evitar el secado, aterronamiento o canalización del aire. La frecuencia de la mezcla o volteo dependerá del tipo de operación de la fermentación.

Necesidad de aire

Para obtener resultados óptimos, especialmente en sistemas mecánicos, debe llegar a todas partes del material en fermentación, aire con una concentración remanente mínima del 50 por ciento del oxígeno inicial.

Oxígeno necesario total

La cantidad teórica de oxígeno necesario se puede estimar usando la Ec. 9.5. La cantidad real de aire a suministrar variará dependiendo de la operación.

Tasa máxima de consumo de oxígeno

La tasa se puede estimar usando la relación WO2 = 0,07 x 100.31T donde WO2 es igual a la tasa de consumo de oxígeno en mg O2/h.g de material volátil y T es igual a la temperatura en C.

Contenido de humedad

Durante el proceso de fermentación el contenido de humedad debe estar entre 50 y 60 por ciento. El valor óptimo parece estar alrededor del 55 por ciento.

Temperatura

La temperatura óptima para estabilización biológica está entre 45 y 55C. Se ha encontrado que, para obtener mejores resultados, durante los primeros días la temperatura se debe mantener entre 50 y 55C y a 60C para el resto del período activo de fermentación. La actividad biológica se puede reducir apreciablemente si la temperatura sube de 66C.

Emisión de calor

El calor liberado durante el proceso de fermentación es igual a la diferencia en el contenido de energía del material al principio y al final del proceso de fermentación.

Relación carbono- nitrógeno

Se ha encontrado que relaciones iniciales carbón- nitrógeno (en peso) entre 35 y 50 son óptimas para la fermentación aerobia. A relaciones menores el exceso de nitrógeno saldrá como amoniaco; y también se impide la actividad biológica. A relaciones más altas el nitrógeno puede ser un nutriente limitante. Para la mayoría de los desechos municipales la relación carbono- nitrógeno después de la fermentación generalmente está entre el 10 y el 20 por ciento.

pH

Para minimizar la pérdida de nitrógeno en forma de gas amoniaco, se debe evitar que el pH suba por encima de 8,5.

Grado de descomposición

El grado de descomposición se puede estimar midiendo la reducción de materia orgánica presente usando la prueba de la DQO (demanda química de oxígeno).

Cociente respiratorio, CR

CR se puede usar como una medida del grado de descomposición, cuando CR = 1, el suministro total de oxígeno ha sido usado para oxidación de carbono. Cuando CR > 1, se está formando más CO2 del que se está suministrando, lo cual indica descomposición anaerobia. Cuando CR < 1, sólo una parte del oxígeno se está usando para oxidar carbono. Valores bajos de CR son características de procesos aerobios.

Control de patógenos

Durante la fermentación es posible matar todos los patógenos, malezas, y semillas si el proceso es propiamente dirigido. Para hacer esto, la temperatura se debe mantener entre 60 y 70C durante 24 h.

* Derivado en parte de las Referencias 4, 5, 7, 9 y 17.

discusión se describe la producción de metano de desechos sólidos mediante digestión anaerobia, o fermentación anaerobia como se la llama con frecuencia.

Descripción del Proceso. En la mayoría de los procesos donde se va a producir metano de desechos sólidos mediante digestión anaerobia, hay tres pasos básicos involucrados. El primer paso comprende la preparación de la fracción orgánica de los desechos sólidos para digestión anaerobia y generalmente incluye: recepción, clasificación, separación y reducción de tamaño. El segundo paso comprende la adición de humedad y nutrientes, mezcla, ajuste de pH a alrededor de 6.7, calentamiento del cieno a unos 55 a 60C, y digestión anaerobia en un reactor de flujo continuo, en el cual el contenido es mezclado completamente durante un período de tiempo que varía entre 5 y 10 días. En la mayoría de las operaciones, el contenido de humedad y los nutrientes se agregan a los desechos sólidos procesados en forma de lodo de aguas servidas. Dependiendo de las características químicas del lodo, puede ser necesario agregar nutrientes adicionales. La mezcla adecuada es de importancia fundamental en el diseño y operación de los sistemas de digestión anaerobia, debido a la formación de espuma y de una costra en la superficie que han ocasionado problemas en la digestión de desechos sólidos. El tercer paso comprende la captura, almacenamiento y la separación necesaria de los componentes del gas producido durante el proceso de digestión. La disposición del lodo digerido es una tarea adicional a ser realizada.

Microbiología del Proceso. La estabilización anaerobia o conversión de compuestos orgánicos, ejecutada en ausencia de oxigeno, se piensa que ocurre en tres etapas: la primera incluye la transformación, mediante enzimas,(licuefacción) de compuestos de mayor peso molecular a compuestos adecuados para que sean usados como fuente de energía y carbono celular; la segunda está asociada con la conversión bacterial de los compuestos que resultan de la primera etapa en productos intermedios identificables de bajo peso molecular; y la tercera etapa comprende la conversión bacterial de los compuestos intermedios en productos finales más simples, tales como dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4).

Debido a que los organismos específicos que participan en la fermentación anaerobia de desechos sólidos no están bien definidos, es común ver los términos formadores de ácidos y formadores de metano cuando se hace referencia a los organismos responsables de la conversión de los compuestos orgánicos licuados en ácidos más simples e intermedios relacionados y, a dióxido de carbono y metano.

La conversión total se puede representar por la siguiente ecuación (17):

CaHbOcNd ® nCwHxNz + mCH4 + sCO2 + rH2O + (d - nz) NH3 (9.10)

donde s = a - nw - m

r = c - ny - 2s

Los términos CaHbOcNd y CwHxOyNz se usan para representar, en base molar, la composición del material presente al principio y final del proceso. Si se supone que los desechos orgánicos se estabilizan completamente, la expresión correspondiente es:

(9.11)

Se ha encontrado que en operaciones donde se han mezclado desechos sólidos con lodos de aguas servidas el gas recogido de los digestores contiene entre el 50 y 60 por ciento de metano. También se ha encontrado que se producen alrededor de 10 pie3 de gas por libra de sólidos volátiles destruidos (0,62 m3/kg), o alrededor de 7 pie3 de gas por libra de material agregado al digestor (0,454 m3/kg) (10).

Consideraciones de Diseño. Aunque el proceso de digestión anaerobia de desechos sólidos todavía está en desarrollo, en la Tabla 9.17 se reportan algunas de las principales consideraciones de diseño. Debido a la variabilidad de los resultados reportados en la literatura se recomienda realizar estudios en plantas piloto si se va a usar el proceso de digestión para la conversión de desechos sólidos.

TABLA 9.17

Consideraciones importantes de diseño para la digestión anaerobia *

Artículo

Comentario

Tamaño del material fragmentado

Los desechos a ser digeridos se deben fragmentar a un tamaño que no interfiera con el funcionamiento eficiente de la operación de bombeo y mezcla.

Equipo de mezcla

Se recomienda la mezcla mecánica para obtener resultados óptimos y evitar la formación de espuma.

Porcentaje de desechos sólidos mezclados con lodo

60 por ciento parece un compromiso razonable, aunque se han usado cantidades variables de desecho desde 50 hasta más del 90 por ciento.

Tiempo medio de residencia hidráulica y de las células, q h = q c.

En tiempo de lavado está entre 3 y 14 días. Use 7 a 10 días para el diseño o base el diseño en resultados de estudios piloto.

Carga

0,04 a 0.10 lb/pie3. No bien definida ahora. Se han reportado cargas significativamente más altas.

Temperatura

Entre 55 y 60C.

Destrucción de desechos sólidos

Varía desde alrededor del 60 hasta el 80 por ciento; para propósitos de estimaciones se puede usar el 70 por ciento.

Sólidos totales destruidos

Varían desde el 40 hasta el 60 por ciento, dependiendo de la cantidad de material inerte originalmente presente.

Producción de gas

8 a 12 pie3/lb de sólidos volátiles destruidos (CH4 = 60 por ciento, CO2 = 40 por ciento).

* Adaptado en parte de la Ref. 10

  • Las tasas reales de remoción de sólidos volátiles pueden ser menores dependiendo de la cantidad de material desviado a la capa de espuma.

NOTA: lb/pie3.día x 16.019 = kg/m3.día

pie3/lb x 0,062 = m3/kg.

 

Otros Procesos Biológicos

Otros procesos biológicos que han atraído la atención incluyen la conversión de desechos sólidos a proteína y/o glucosa y la recuperación de gases de rellenos existentes y recientemente diseñados. En el Capítulo 10 se considera en mayor detalle el último proceso.

En la consideración de los procesos de conversión químicos y biológicos sería útil tener en mente que si todos los desechos sólidos de las 11 ciudades más grandes de los Estados Unidos fueran convertidos a gas metano, se producirían alrededor de 700 billones de pie3 (en base a cifras de 1971) (6) Esto representa alrededor del 3 por ciento del consumo de 22.8 trillones de pie3 de gas natural de los Estados Unidos en 1971.

3.4. RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN

Una vez se han obtenido productos de conversión de los desechos sólidos mediante uno o más de los métodos químicos y biológicos enumerados en las Tablas 9.5 y 9.14, el siguiente paso comprende su almacenamiento y/o uso. Si se va a producir energía de estos productos, entonces es necesario un paso adicional de conversión. El propósito de esta sección es triple. 1) presentar diagramas de flujo básicos disponibles para realizar esta conversión,

1) presentar datos sobre la eficiencia de los componentes usados en los diferentes procesos de conversión de los diagramas de flujo, y 3) ilustrar el uso de los datos de eficiencia en el cálculo de producción de energía.

Sistemas de Recuperación de Energía

Los componentes principales involucrados en la recuperación de energía del calor, vapor, diferentes gases y aceites, y otros productos de conversión son calderas para la producción de vapor, turbinas de vapor y gas para fuerza motriz, y generadores eléctricos para la conversión de fuerza motriz en electricidad. En la Figura 9.10 se muestran diagramas de flujo típicos para sistemas alternos de recuperación de energía.

Combinación de Turbina de Vapor- Generador. Quizás el diagrama de flujo más común para la producción de energía eléctrica involucra el uso de una combinación de turbina de gas- generador, mostrado en la Figura 9.10a. Cuando se van a usar los desechos sólidos como la fuente básica de combustible, son identificables cuatro modos de operación. En el primero, se produce vapor de la incineración de desechos sólidos procesados, de bloques sólidos combustibles, o de desechos sólidos sin procesar. En el segundo, se usa una caldera para la producción de vapor de la conversión de combustible de bajo Btu producido de desechos sólidos. En el tercero, se produce vapor en una caldera encendida con gas de bajo Btu que ha sido metanizado. En el cuarto, se produce vapor en una caldera encendida con aceite y compuestos relacionados producidos de desechos sólidos. Si se usan combustibles de bajo Btu y aceites obtenidos de los desechos sólidos, puede ser necesario proveer una fuente suplementaria de combustible.

 

(a) Opciones con combinación turbina de vapor- generador

(b) Opciones con combinación de compresor de gas- turbina de gas- generador.

(c) Opción con turbina de gas- compresor generador.

FIGURA 9.10

Fig. 9. 10. Sistemas alternos de recuperación de energía. a) Opciones con combinación de turbina de vapor- generador. b) Opciones con combinación de compresor de gas- turbina de gas- generador. c) Opción con turbina de gas- compresor generador de gas. (Adaptado en parte de la Ref. 3).

 

Combinación Turbina de Gas- Generador. En la Figura 9.10b y 9.10c se muestran dos diagramas de flujo usando una combinación de turbina de gas- generador. En la Figura 9.10b, se comprime gas de bajo Btu a alta presión de manera que se pueda usar más efectivamente en la turbina de gas. En el tipo de diagrama de flujo mostrado en la Figura 10c, se usan gases del escape a alta presión y temperatura. El compresor es generalmente impulsado por una rueda de la turbina y se usa para comprimir aire para mantener alguna otra parte del proceso, tal como un reactor de combustión de lecho fluidizado.

 

 

Rendimiento Térmico del Proceso

En la producción de energía es una práctica común considerar la eficiencia total de la conversión en términos del rendimiento térmico expresado como aparece en la Ecuación 9.12 (15):

Cuando se usa esta ecuación es útil recordar que el valor teórico para el equivalente mecánico del calor es igual a 3.413 Btu/kWh.

Así, si la eficiencia total de la planta es el 20 por ciento, el rendimiento térmico sería igual a 17,065 Btu/kWh ½ (3,413 Btu/kWh)/0.2½ . En la Tabla 9.18 se presentan datos típicos para plantas de energía. Para propósitos comparativos, los valores para sistemas de recuperación de energía de desechos sólidos varían desde 15.000 hasta 30.000 Btu/kWh. En el ejemplo 9.5, al final de esta sección, se ilustran los cálculos de eficiencia energética y rendimiento térmico para un sistema típico de recuperación de energía usando un incinerador y una combinación turbina de gas- generador.

TABLA 9.18

Rendimientos térmicos típicos de plantas representativas de energía *

Tipo de calor

Rendimiento térmico de la planta Btu/kWh

Eficiencia térmica de la planta

Todas las plantas estacionarias de vapor, promedio

25.000

0,14

Plantas de vapor de estación central, medio

11.500

0,30

Mejor planta de vapor grande de estación central

8.500

0,40

Planta de vapor industrial pequeña sin condensación

35.000

0,10

Pequeña planta industrial de vapor con condensación

20.000

0,17

Planta de energía a vapor "sub-producto"

4.500-5.000

0,70-0,75

Planta diesel

1.500

0,30

Planta con motor a gas natural

14.000

0,24

Planta de motor a gasolina

16.000

0,21

Planta de motor a gas producido

18.000

0,19

* De la Ref. 15

NOTA: Btu/kWh x 1.055 = kJ/kWh

Factores de Eficiencia

Para evaluar la eficiencia de la conversión de los diagramas de flujo propuestos en la Figura 9.10, se deben conocer datos de la eficiencia de los componentes individuales. Datos representativos para calderas, reactores pirolíticos, turbinas de gas, combinaciones de turbina de gas- generadores, generadores eléctricos, y de uso relacionado de la planta y factores de pérdida se dan en la Tabla 9.19 y se discuten en esta sección.

Calderas. Los factores importantes que afectan la eficiencia de calderas usadas en conjunto con la incineración de desechos sólidos incluyen: el contenido calórico de los desechos sólidos, el contenido de humedad, la temperatura de salida de los gases, y la configuración del o los sistemas de intercambio de calor. Aunque todas estas variables tenderán a serlo de situaciones específicas, se pueden usar los datos presentados en la Figura 9.11 y la Tabla 9.19 como una guía en la estimación de la eficiencia de la caldera. Como se anota en la Figura 9.11, las curvas dibujadas están basadas en desechos sólidos celulósicos con 50 por ciento de exceso de aire en el proceso de combustión. Se supone que las eficiencias reportadas de las calderas incluyen pérdidas por calor latente y radiación, calor sensible, y carbón sin combustir, para calderas que queman combustibles convencionales, son comunes eficiencias del orden del 85 por ciento.

Fig. 9.11. Eficiencia estimada de calderas para incineración de desechos sólidos (11).

 

TABLA 9.19

Eficiencia térmica típica y uso de la planta y factores de pérdida para componentes individuales y en procesos usados para la recuperación de energía de desechos sólidos

Componente

Eficiencia

Comentario

Rango

Típico

Incinerador- caldera

40-68

63

Fuego masivo, vea las Figs. 8.6 y 9.11

Caldera

     

Combustible sólido

65-72

70

Fuego masivo, vea las Figs. 9.5 y 9.11

Combustible sólido

65-72

70

Desechos sólidos procesados, vea Fig. 9.6

Gas bajo en Btu

60-80

75

Se deben modificar los quemadores

Aceite de encendido

65-85

80

Aceites producidos de desechos sólidos puede sede ser necesario mezclarlos para reducir la corrosividad

Reactor de pirólisis

     

Convencional

65-75

70

 

Purox

70-80

75

 

Proceso de metanización

80-90

85

Conversión de gas bajo en Btu a calidad de gas natural

Turbinas

     

Combustión de gas

     

Ciclo simple

8-12

10

 

Regenerativo

20-26

24

Incluye todos los accesorios necesarios

Expansión de gas

30-50

40

 

Sistema de turbina de vapor- generador

   

Menos de 12.5 MW

24-30

29+!

Incluye condensador, calentadores y todos los otros accesorios necesarios, pero no incluye la caldera

Más de 25 MW

28-32

31.6+!

Generador eléctrico

     

Menos de 10 MW

88-92

90

 

Más de 10 MW

94-98

96

 

Uso de la planta y factores de pérdida

Asignación para la estación de servicio

   

Turbina de vapor- generador

4-8

6

 

Proceso Purox

18-24

21

 

Proceso de metanización

18-22

20

 

Pérdidas de calor no incluidas

2-8

5

 

* Valor teórico para equivalente mecánico de calor

+ La eficiencia varía con la presión en el escape. El valor típico dado se basa en una presión en el escape en el rango de 2 a 4 pg HgA.

Rendimiento térmico = 10.800 Btu/kWh ½ (3.413 Btu/kWh)/0,316½

NOTA: Btu/kWh x 1.055 = kJ/kWh

 

 

 

Reactores Pirolíticos. En la Tabla 9.19 se presentan datos típicos para el reactor convencional y tal reactor de incineración- pirólisis del proceso Purox descritos antes.

Turbina de Gas. En la Tabla 9.19 se dan datos sobre la eficiencia térmica de varias turbinas de gas. Las eficiencias incluyen la asignación para los accesorios necesarios.

Sistema de Turbina de Vapor- Generador. Los datos reportados en la Tabla 9.19 para el turbogenerador de vapor son consistentes con la mejor práctica moderna y reflejan todas las asignaciones necesarias para los condensadores, calentadores y otros accesorios. Usando la eficiencia típica reportada del 31,6 por ciento, el factor de rendimiento calórico correspondiente sería de 10.800 Btu/kWh. Si se obtuviera una eficiencia del 75 por ciento en la caldera, el rendimiento calórico total sería de alrededor de 14.400 Btu/kWh; esto se compara bien con el valor dado en la Tabla 9.18 para plantas de vapor con estación central. En el Ejemplo 9.5 se ilustran los cálculos necesarios que se deben hacer en la evaluación de cualquier opción de energía. Como un renglón separado, también se incluyen valores típicos de la eficiencia para generadores eléctricos.

Otros Usos y Factores de Pérdida. En cualquier instalación donde se produzca energía, se debe hacer una asignación para atender a las necesidades de la estación o procesos de generación y para las pérdidas de calor no contabilizadas. Normalmente, la asignación de potencia auxiliar varía del 4 al 8 por ciento de la potencia producida; las pérdidas de calor de los procesos generalmente variarán del 2 al 8 por ciento; cuando se usa la Ec. 9.12 en la estimación del rendimiento calórico neto se deben considerar estos dos valores.

EJEMPLO 9.5. Cálculo de la Producción de Energía y la Eficiencia para Sistemas de Recuperación de Energía usando una Planta de Caldera de Vapor- Turbina- Generador.

Estime la cantidad de energía producida por un sistema de conversión de desechos sólidos con una capacidad de 1.000 ton/día. El sistema consiste de una combinación de incinerador- caldera- turbina de vapor- generador eléctrico. Estime también el rendimiento calórico y la eficiencia total del proceso, suponiendo que la asignación para el servicio de la estación y las pérdidas de calor no contabilizadas son del 5 y 6 por ciento, respectivamente, de la potencia total producida. Suponga que el valor energético de los desechos sólidos es de 4.500 Btu/lb al incinerarlos.

Solución

1. Determine la producción de energía usando los datos reportados en la Tabla 9.19. los cálculos necesarios se resumen en la Tabla 9.20.

 

TABLA 9.20. Producción de Energía y Eficiencia para una planta de recuperación de energía que usa una caldera de vapor- turbina- generador para el ejemplo 9.5.

Artículo

Valor

Energía disponible en los desechos sólidos, millones de Btu/h

375

Energía disponible en el vapor, millones de Btu/h

(375 millones de Btu x 0.7)

263

Generación de potencia eléctrica, kW

(263 millones de Btu/h)/(10.800 Btu/kWh*)

24.352

Asignación para servicio de la estación, kW

(24.352 x 0,06)

-1.461

Pérdidas por calor no contabilizadas, kW

(24.352 x 0.05)

-1.218

Producción neta de potencia eléctrica, kW

21.673

Eficiencia total, porcentaje

{(21.673 kW)/½ (350.000.000 Btu/h)/(3.413 Btu/kWh)0.316½ }(100)

20

* De la Tabla 9.19 ½ 10.800 Btu/kWh = (3.413 Btu/kWh)0.316½

NOTA: Btu/lb x 2.326 = kJ/kWh

Btu x 1.055 kJ

Btu/kWh x 1.055 kJ/kWh

Btu/h x 1.055 = kJ/h

  1. Determine el rendimiento térmico para la planta propuesta usando la Ec. 9.12.

3. Determine la eficiencia total

Eficiencia = {(21.673 kW)/½ (375.000.000 Btu/h)/(3.413 Btu/kWh)½ }100

= 20%

COMENTARIO. Si se supone que 10 por ciento de la potencia producida se usa para el sistema de procesado en el extremo anterior (los valores típicos varían del 8 al 14 por ciento) , entonces la exportación neta de potencia sería de 19.238 kW y la eficiencia total sería de 17.5 por ciento.

9.5. DIAGRAMAS DE FLUJO DE RECUPERACIÓN DE MATERIALES Y ENERGÍA

Hasta donde ha avanzado este capítulo se han discutido varios sistemas de procesado en el extremo anterior, sistemas de conversión en el extremo posterior, y sistemas de recuperación de energía. En esta sección, la discusión se centra en algunos sistemas que han sido propuestos o construidos incorporando diferentes tipos de sistemas de extremo frontal, extremo posterior y conversión de energía.

Sistemas que usan Procesos de Conversión Química

De los muchos sistemas que usan procesos de recuperación de materiales y conversión química, se han escogido tres para discusión detallada. El primero comprende la recuperación de materiales y la producción de potencia de desechos sólidos procesados usando una caldera de vapor y generador de turbina.

El segundo comprende la recuperación de materiales y la producción de potencia de desechos sólidos procesados usando un reactor de pirólisis. El tercero comprende la recuperación de materiales y la producción de briquetas combustibles para la generación de potencia. También, se consideran sistemas para la codisposición de lodos de plantas de tratamiento y desechos sólidos. Aunque la economía variará con la ubicación, parece que la conversión de energía es efectiva en relación al costo, cuando la capacidad de la planta está por encima de alrededor de 1.000 ton dadas de desechos sólidos por día.

Planta de Caldera de Vapor- Turbina- Generador. En la Figura 9.12 se muestra un diagrama de flujo propuesto para la recuperación de materiales en bruto y energía de desechos sólidos procesados. En la Figura 9.13 se da un flujo esquemático de materiales (23). En estas figuras los desechos sólidos se entregan en la estación de recepción, la cual incluye instalaciones de pesado y almacenamiento; se provee una capacidad de almacenamiento para dos días. Los desechos son descargados, usando una grúa superior, para alimentar el transportador para la primer etapa de fragmentado. Después de fragmentados, los desechos se pasan por un secador para remover humedad. Los materiales ligeros pasan a través d e un ventilador de tiro inducido y son introducidos en un ciclón, en el cual se separan materiales livianos del aire. El aire del escape del ciclón se limpia con filtros de bolsas antes de ser descargado a la atmósfera. El material que es descargado por el fondo del ciclón es transferido a una segunda etapa de fragmentación mediante un transportador de cinta.

Figura 9.12. Diagrama de flujo para sistemas de recuperación de recuperación de materiales y energía de desechos sólidos. (Lunn, Low, Tom, and Hara Inc., and Metcalf & Eddy Engineers Inc.).

Figura 9.13 Representación pictórica del sistema de recuperación de materiales y energía mostrado en la Figura 9.12 (Metcalf & Eddy Engineers, Inc.)

La fracción pesada descargada del clasificador es transferida al sistema de separación magnética para procesado adicional y separación del material ferroso de la fracción pesada. Se usan transportadores de cinta para transferir los materiales separados a recipientes de almacenamiento para el acarreo desde la planta.

Después de una segunda etapa de fragmentado, un sistema de transporte neumático transfiere los desechos desde el extremo del tren de proceso al recipiente de almacenamiento y desde éste a las calderas. El sistema neumático es del tipo a presión e incluye ventiladores para desplazamiento de presión positiva con silenciadores, compuertas rotatorias de alimentación, tubería y separadores completos de ciclón con recolectores de polvo. Los desechos sólidos procesados se almacenan en un tambor de paredes inclinadas, parecido a los que se usan en ingenios azucareros (con este tipo de tambor se minimizan los problemas de aislamiento y compactación). Los desechos sólidos procesados son quemados en suspensión en la caldera de vapor. El vapor se usa para producir potencia con una combinación de turbina- generador que tiene un rendimiento térmico de 10.695 Btu/kWh (23).

Planta de Incineración- Pirólisis- Turbina de Gas- Generador. Se han propuesto o está en desarrollo una variedad de sistemas usando el proceso de pirólisis. Entre ellos están los sistemas: CPU 400, Garrett, Monsato, Landgard, Pyrotek y Wilwerding-Ward. En la Figura 9.14 (3) se muestra un diagrama de flujo completo para un sistema de recuperación de materiales y recuperación de energía diseñado en base al sistema de pirólisis Garrett. En la Figura 9.14 los desechos sólidos son depositados en una fosa de recepción, directamente de los vehículos de recolección. Desde allí el desecho sólido pasa a través de un separador magnético para la remoción de metales ferrosos; entonces se usa la clasificación con aire para remover la mayoría de los inorgánicos remanentes tales como vidrio, metal , tierra y piedras.

Figura 9.14. Diagrama de flujo para recuperación de materiales y energía usando el proceso de pirólisis Garrett. (Central Contra Costa Sanitary Distríct and Brown and Caldwell Consulting Engineers (3))

La fracción pesada del clasificador con aire se pasa a través de una malla para la separación de metales y orgánicos de la fracción de vidrio sucio.

La fracción metálica se pasa entonces a través de un separador de aluminio. Los materiales remanentes se combinan con inorgánicos rechazados del proceso de recuperación de vidrio y se almacenan antes de la disposición. La fracción de vidrio sucio se lleva a un sistema de reclamación de vidrio.

La fracción liviana del clasificador con aire se pasa a través de un secador de tambor giratorio para reducir la humedad; entonces, se tamiza la fracción liviana seca para reducir el contenido inorgánico. El material seco, fragmentado y esencialmente orgánico es descargado a un fragmentador secundario para pulverización adicional. Los desechos sólidos pulverizados del fragmentador secundario son introducidos en un reactor pirolítico, diseñado para descomponer con calor los desechos que están llegando. Aceite, gases que salen, y humedad producidos del proceso pirolítico son pasados a través de un separador caliente de ciclón para la remoción de carbón pirolítico, y de allí a través de un condensador para la separación de aceite y agua del gas pirolítico. El carbón pirolítico, separado del gas del reactor en el ciclón caliente, es apagado y almacenado para usarlo como fuente de calor. También se puede usar para la purificación adicional del agua tratada de desecho en un proceso de tratamiento avanzado.

El gas del condensador es recirculado al proceso mediante su aplicación al reactor pirolítico y al secador de la fracción liviana. los gases que salen del secador son pasados a través de una cámara de combustión seguida por un enfriador de aire y un filtro de bolsa antes de ser descargado a la atmósfera. El agua de desechos condensada del gas pirolítico se combina

con aguas de desecho del proceso de separación de vidrio y son descargadas de la planta. El aceite pirolítico puede ser vendido o usado en una caldera de fuego con aceite para la producción de potencia.

Figuna 9.15. Sistema de recirculación de desecho sólido en Franklin, Qhio. (Black Clawson Fibreclaim, Inc.)

Recuperación de Recursos y Producción de Briquetas Combustibles. En la Figura 9.15 se muestra un diagrama de flujo para la recuperación de materiales y combustible orgánico en forma de pulpa semisólida. En la Figura 9.15 se usa un hidropulpador como la primer etapa del proceso. Piezas de metal, latas de estaño y otros materiales no convertibles en pulpa son lanzados del hidropulpador, del cual los materiales ferrosos son recuperados después de ser lavados. El barro extraído del fondo del hidropulpador es bombeado a un ciclón liquido para la remoción de los materiales más pesados, de los cuales aproximadamente el 80 por ciento es vidrio. Después de que el barro pasa a través del ciclón, se separan mecánicamente del lodo las fibras largas usadas para hacer papel. Entonces, se espesan los orgánicos gruesos remanentes tales como caucho, textiles, plásticos, cuero, desechos de jardín y pedazos pequeños de tierra y vidrio. En el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 9.15 este material se mezcla con sólidos de aguas servidas de la planta de tratamiento cercana. Después de una etapa adicional de espesamiento, los desechos combinados se queman en un reactor de lecho fluidizado. Cuando se va a producir potencia, los sólidos orgánicos espesados (con o sin la remoción de fibra y sin la adición de sólidos

de aguas servidas) pudieran ser quemados en una caldera de paredes de agua. En forma alterna, el combustible resultante pudiera ser vendido en masa o en forma de briquetas combustibles comprimidas.

En Hempstead, New York, se va a construir y se espera será terminada alrededor de 1980, una instalación de recuperación de recursos y producción de energía, utilizando un diagrama de flujo similar al de la Figura 9.15. Los materiales orgánicos e inorgánicos no recuperables que permanecen en el barro después de pasar por el ciclón líquido serán desecados y convertidos en un producto combustible en forma de briquetas. Este material será quemado en calderas para la producción de potencia. Los materiales a ser recuperados incluyen: metales ferrosos, aluminio, y vidrio. La fibra para papel no se recupera debido a que hay escasez de mercados suficientes, en parte como resultado de la prohibición de la Federal Drug Administration de usar este material en muchos productos de papel, en base a posible contaminación de la fibra.

 

Figura 9.16. Sistema combinado pata la disposición de lodos de plantas de tratamiento con desechos sólidos procesados. (Union Carbide Corporation).

 

Sistemas de Procesamiento de Desechos Sólidos- Lodo de Aguas Servidas. Debido a los problemas asociados con la disposición de lodos de aguas servidas y plantas de tratamiento de industrias, han sido propuestos un número de procesos para el procesado de desechos sólidos y lodos combinados. En la mayoría de los procesos, se mezcla lodo espesado o parcialmente espesado con desechos sólidos combustibles procesados y se queman en una caldera o son pirolizados. En la Figura 9.16 se muestra un diagrama de flujo propuesto por Union Carbide Corporation usando un reactor de incineración- pirólisis. En 1976 (3) se propuso y estuvo en investigación un diagrama de flujo similar que comprendería el uso de hornillas de hogar múltiple. Se anticipa que se hará un mayor uso de tales sistemas combinados cuando sea disponible información de diseño confiable. Los desechos sólidos procesados también se pueden usar como fuente de combustible para el secado de lodos en plantas de tratamiento. Entonces el papel desechado pudiera ser más valioso como combustible que como materia prima para reventa.

 

Sistemas que Usan Procesos de Conversión Biológica

Para ser discutido aquí, han sido seleccionados dos sistemas completos que usan procesos de conversión biológica: el sistema IDC- Naturizer (5) y un proceso para la conversión de desechos sólidos a gas metano.

Figura 9.17. Diagrama de flujo pata el sistema de fermentación IDC-Naturizer (5).

IDC- Naturizer. En la Figura 9.17, los desechos sólidos son depositados en un área de recepción o foso. Desde allí son transportados a fragmentadores para reducir el tamaño. Después de la reducción de tamaño, se remueven varios componentes mediante separación magnética. Entonces se agrega agua a los desechos, y son pulverizados y vueltos a moler antes de ser transportados al sistema de digestión donde se amontonan hasta una altura cercana a 6 pies (1,80 m), sobre transportadores continuos .Estos transportadores tienen alrededor de 9 pies (2,70 m) de ancho por 150 pies (45 m) de largo. Los desechos son botados o transferidos a un transportador más bajo, una vez al día en promedio, donde ventiladores suministran aire al material en fermentación. Las temperaturas dentro del material son aproximadamente de 140F (60C), o en el rango adecuado para organismos termofílicos. Después de dos días de procesado, se vuelve a moler el material y reinserta en el sistema de transporte de material en fermentación.

Al final de un tiempo de retención de 5 días, se remueve el material fermentado y pasa por un tamiz. El tamiz separa los materiales no fermentados, tales como trapos y plásticos del abono. El abono (humus) separado se vuelve a moler y transportar a montones de curado al aire libre. Se deja durante 10 días adicionales para un curado adecuado del material fermentado, después de los cuales se vende en masa, o se enriquece y empaca para vender al detal.

 

Figura 9.18 Diagrama de flujo para la conversión biológica de desechos sólidos a gas (16)

 

Conversión Biológica a Metano. En la Figura 9.18 se muestra esquemáticamente un proceso para la conversión biológica de desechos sólidos a gas metano propuesto por Allis- Chalmers, Inc. and Waste Management, Inc. (16). El primer paso comprende la fragmentación de los desechos; después la separación de metal ferroso y clasificación con aire, la fracción liviana se mezcla con lodo de aguas servidas o nutrientes químicos, y se ajusta el pH. El barro resultante es alimentado a un digestor, después de haber sido calentado a una temperatura de 130 a 140F (54 a 60C) cuyo contenido está completamente mezclado. El tiempo de retención para el proceso es de alrededor de 5 días. Se dice que el gas liberado durante la digestión contiene alrededor del 50 a 60 por ciento de metano en volumen y un valor energético de unos 600 Btu/pie3 (16). Después de la digestión los sólidos son desecados antes de la disposición.

Si el gas del digestor va a ser vendido a empresas distribuidores de gas, generalmente será necesario mejorar el valor calórico desde unas 600 a alrededor de 975 Btu/pie3 que corresponde a la calidad del gas natural. Normalmente, esto comprende la remoción de vapor de agua y dióxido de carbono del gas. Se debe remover el ácido sulfhídrico para minimizar la corrosión. En la Figura 9.19 se muestra un diagrama de flujo propuesto por Pacific Gas and Electric Company of San Francisco and the East Bay Municipal Utility District para realizar esto (16). En los Angeles hay en operación un sistema de procesamiento de gas empleando tamices moleculares, para el procesado de gas de un relleno (21).

Figura 9.19. Diagrama de flujo para separación de metano del gas del digestor (16).

Revisión de Diagramas de Flujo de Procesos

En la revisión de varios diagramas de flujo de procesos presentados en este capitulo es aparente la ausencia de datos o información útiles para el diseño. Esta omisión fue deliberada debido a la poca información a largo plazo que se pueda usar o sea confiable para estos sistemas, especialmente aquellos que usan procesos de conversión química y que han sido descritos. A medida que entren en operación más instalaciones a escala piloto y escala total, esta situación puede cambiar. En la Ref. 21 se revisa un número de instalaciones piloto y a escala completa. Sin embargo, debido a que muchos de estos sistemas son particulares, todavía puede ser difícil obtener datos reales del funcionamiento. Si tales sistemas van a ser considerados como parte del plan o estudio del manejo de desechos sólidos, se recomienda hacer visitas a los sitios o lugares donde cada sistema en consideración esté en operación.

9.6. TEMAS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS

9.1. Determine el consumo relativo de energía ocasionado por el uso de botellas reusables y desechabas para bebidas. Se deben considerar los siguientes pasos en la producción y uso: extracción de materia prima, manufactura, embotellado, distribución, recolección de desecho y disposición, recirculación y transporte (vea la Fig. 9.20). Usando botellas de 16 onzas de fluido para comparación, determine las necesidades de energía por galón de bebida para botellas reusables y desechables para dos situaciones: 1) las botellas desechadas son dispuestas en un relleno, y 2) Una parte del vidrio desechado es separado y recirculado. Resuma los resultados de los cálculos de la energía en una tabla. Se pueden usar los siguientes datos:

Peso de la botella reusable de 16 onzas

1 lb

Peso de la botella desechable de 16 onzas

0,656 lb

Vida de la botella reusable

8 usos

Energía para el transporte:

 

Ferrocarril,

640 Btu/ton.milla

Camión,

2.400 Btu/ton.milla

Extracción de materia prima

990 Btu/lb

Fabricación del recipiente

7.738 Btu/lb

Fabricación de la corona

242 Btu/tapa

Embotellado

6.100 Btu/gal

Detallista al consumidor

despréciese

Recolección de desecho

89 Btu/lb

Separación, clasificación, devolución para procesado (suponiendo 30 por ciento de recuperación de vidrio)

 

1.102 Btu/lb de desechos

Relleno sanitario

despréciese

 

Transporte:

Desde- hasta

Distancia,

millas

Porcentaje

en tren

Porcentaje

en camión

Restante

Fuente de extracción- fabricante

245

79

21

0

Fabricante- embotellador

345

16,3

70,2

Incluido en fabricante

Embotellador- detallista

231

0

74

Incluido en embotellado

9.2. Una ciudad produce 500.000 ton/año de desechos sólidos. El operador de la operación de recuperación, está interesado en la cantidad de dinero que se puede obtener o perder de la recuperación de varios componentes de los desechos sólidos. Usted está limitado a la cantidad de material que cada mercado puede aceptar en un año. Abajo se enumeran los distintos mercados y limitaciones.

Suponga que los costos de mano de obra son $100.000/año y los costos de operación son $50.000. El edificio y el equipo de separación cuestan $5.000.000 y se supone que tienen una vida económica de 10 años al 10 por ciento de interés (factor de recuperación de capital = 0,16275). Con esta información, cuánto dinero se puede ganar o perder en un año de operación? (Nota: Para la solución de este problema se puede usar eficazmente el método VAM discutido en el Capítulo 7).

1. Precio pagado en el mercado, $/ton

Item

Mercado

M1

M2

M3

M4

Periódico

5.00

4.50

4.75

5.00

Cartón

4.00

4.50

4.65

4.85

Vidrio

18.00

16.00

17.00

15.00

Latas

6.50

6.00

6.00

5.75

2. Costo de embarque al mercado, $/ton

Item

Mercado

M1

M2

M3

M4

Periódico

0.50

0.51

0.54

0.48

Cartón

0.70

0.42

0.54

0.40

Vidrio

0.25

0.25

0.27

0.16

Latas

0.80

0.76

0.72

0.80

 

3. Capacidad del mercado, tons/día

Mercado*

M1

M2

M3

M4

13

25

12

20

* Capacidad total para todos los componentes

4. Composición de los desechos sólidos

Item

Porcentaje en peso

Periódico

28

Cartón

10

Vidrio

16

Latas

12

9.3. Usando los datos del Capítulo 4 sobre contenido de humedad y composición elemental (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y ceniza), estime la cantidad teórica de aire que seria necesaria para la oxidación completa de una tonelada de desechos sólidos municipales con la composición dada en la Tabla 4.2, o si usted ha clasificado algunos desechos sólidos como parte de su trabajo en clase, use su propio ejemplo.

9.4. El lodo de una planta de tratamiento de aguas servidas que sirve a 500.000 personas es dispuesto en un relleno sanitario. Se ha propuesto incinerar el lodo de la planta de tratamiento usando desechos sólidos procesados como combustible debido a que la capacidad del relleno existente se agotará muy pronto. Se van a evaluar dos modos alternos de operación; en el primero, el lodo de la planta de tratamiento con un valor calórico de 7.500 Btu/lb (en base a sólidos secos) y un contenido de sólidos del 5 por ciento se van a mezclar con desechos sólidos procesados y a incinerar; en el segundo, los sólidos desecados con un contenido de sólidos del 20 por ciento y un valor calórico de 6.500 Btu/lb (en base a sólidos secos) se van a mezclar con los desechos sólidos procesados antes de ser incinerados. Se debe anotar que el valor calórico de los sólidos desecados es menor debido a los productos químicos agregados para ayudar al drenado.

Suponiendo que el peso específico del lodo seco combinado, con o sin la adición de químicos, es 1,10, la producción de lodo per cápita en base seca es 0.35 lb/día, y el contenido de humedad de los desechos sólidos procesados es 20 por ciento, determine la cantidad de desechos sólidos que se deben agregar al lodo de la planta de tratamiento para obtener un contenido final de humedad del 60 por ciento. Se encontrarán las cantidades de desechos sólidos procesados necesarios disponibles en los desechos de la comunidad?. Exprese claramente todas sus suposiciones.

9.5. En el problema 9.4, estime la temperatura esperada de combustión de los gases si el contenido de humedad de la mezcla de lodo y desechos sólidos procesados a ser quemados va a ser del 60 por ciento. Suponga que la composición del lodo seco está dada por C5H7NO2. Es la temperatura resultante suficiente para evitar la producción de olores?.

9.6. Calcule la cantidad teórica de oxígeno necesario para la oxidación biológica completa del desecho sólido con la siguiente composición: C7H13O2N. Suponga que el nitrógeno se convierte en amoníaco (NH3) en la primer etapa y que el amoníaco se convierte finalmente en nitrato (NO3).

9.7. Usando los datos para desechos sólidos municipales dados en la Tabla 4.2 o datos de su muestreo, estime la cantidad de abono (compost) que se pudiera producir por tonelada de desechos sólidos. Suponga que los desechos sólidos serán clasificados antes de la fermentación y que resultará un 40 por ciento de reducción en peso de los desechos fermentados.

9.2. Si el pH del material que se está fermentando en el problema 9.6 fuera a subir a un valor de 10 después de que el nitrógeno se ha convertido en amoníaco, estime cuánto amoníaco se pudiera perder si se continuara la aeración forzada antes de bajar el pH. Suponga que se aplican la siguiente ecuación y datos:

NH3 + H2O ¾ ¾ ¾ NH4+ + OH-

Kb = 1,8 x 10-5 (25C)

Kw = 10-14

9.9. Cuando los desechos sólidos de una comunidad de 100.000 llegan a la planta de fermentación controlada, el contenido de humedad generalmente está en el rango deseado de 55 a 70 por ciento para la fermentación óptima. En lugar de agregar agua para obtener el contenido necesario de humedad, se ha sugerido agregar lodo de la planta de tratamiento de aguas servidas para obtener el mismo resultado. Determine la cantidad necesaria de lodo con un contenido del 5 por ciento que se debe agregar a los desechos sólidos para obtener el contenido deseado de humedad del 55 por ciento. Suponga que la tasa de producción de desechos sólidos municipales es igual a 6,5 lb/capita/día y que el contenido de humedad de los desechos sólidos es del 20 por ciento.

9.10. Estime la energía disponible para exportación de una planta de proceso Purox de 1.000 ton/día. Suponga que los datos siguientes son aplicables:

1. Contenido de energía de los desechos sólidos = 4.500 Btu/lb

2. Pérdida de energía en el proceso de conversión incineración- pirólisis = 25 por ciento

3. Uso de combustible en el proceso para producción de vapor, calefacción del edificio, y mantenimiento del proceso en base al porcentaje de energía disponible en la conversión a gas por ciento.

4. Eficiencia térmica gas- turbina = 24 por ciento

5. Eficiencia del generador eléctrico = 96 por ciento

6. Uso de potencia eléctrica en la planta en base al porcentaje de la potencia total generada = 21 por ciento.

9.7. REFERENCIAS

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