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COMBUSTIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES EN UN SISTEMA DE


Enviado por   •  21 de Enero de 2013  •  6.266 Palabras (26 Páginas)  •  509 Visitas

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COMBUSTIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES EN UN SISTEMA DE

LECHO FLUIDIZADO EXPERIMENTAL

Combustion of municipal solid wastes in an experimental fluidized bed system

G López-Ocaña, RG Bautista-Margulis , JR Hernández-Barajas, RA Saucedo-Terán, HO Rubio-Arias

(GLO)(RGBM)(JRHB) División Académica de Ciencias Biológicas, UJAT. 0.5 km Carretera Villahermosa - Cárdenas.

Villahermosa 86000 Tabasco, México. margulis@cicea.ujat.mx

(RAST) Campo Experimental Campana-Madera, Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias

(HORA) Facultad de Zootecnia, Universidad Autónoma de Chihuahua, Chihuahua, Chih., México

Artículo recibido: 23 de abril de 2007, aceptado: 5 de mayo de 2008

RESUMEN. La incineración vía combustión en lecho fluidizado es una tecnología limpia que se emplea en el tratamiento

de residuos sólidos municipales (RSM) y sus principales virtudes son la reducción del volumen de residuos así

como la recuperación potencial de energía. En este contexto, se evaluó la eficiencia de combustión y la emisión de

gases de un prototipo experimental de lecho fluidizado para el tratamiento térmico de RSM generados en Villahermosa,

Tabasco. Se realizaron cinco pruebas experimentales utilizando RSM colectados en el centro de la ciudad. Las pruebas

experimentales se llevaron a cabo bajo las siguientes condiciones: exceso de aire de 281 %, un tamaño de partícula de

arena de 0.8 mm y una altura estática de lecho de 0.2 m. La eficiencia de combustión varió de 54 a 82% a una temperatura

de lecho entre 770 y 914 C, y fue correlacionada significativamente con un modelo de regresión de mínimos

cuadrados (R2 = 0.87; p < 0.01). A temperaturas menores a 820 C, la composición y la falta de homogenización de

los RSM afectaron la eficiencia de combustión (54 - 64 %), ya que produjeron un incremento de las emisiones de CO

(1 092 ppm). Sin embargo, a temperaturas de lecho mayor a 850 oC, se alcanzaron altas eficiencias de combustión

(80 - 82 %), en donde las concentraciones máximas de emisiones para SO2 (55 ppm) y NOx (32 ppm) no superaron

los niveles máximos permisibles establecidos en la NOM-098-SEMARNAT-2002. El prototipo experimental propuesto

demostró ser técnica y ambientalmente factible para el tratamiento de RSM vía la tecnología de lechos fluidizados.

Palabras clave: Eficiencia de combustión, residuos sólidos municipales, lecho fluidizado.

ABSTRACT. Incineration via fluidized-bed combustion is a clean technology which is employed in the treatment of

municipal solid waste (RSM) and its main capabilities are volume reduction and the possibility of energy recovery. In this

context, the combustion efficiency and flue gas composition of an experimental fluidized-bed prototype were evaluated

after RSM thermal treatment generated in Villahermosa, Tabasco. Five experimental tests were conducted by using

RSM collected in the city downtown. The experimental tests were carried out under the following conditions: excess air

of 281 %, bed particle size of 0.8 mm and static bed height of 0.2 m. The combustion efficiency varied from 54 to 82%

at a bed temperature between 770 and 914 C, being significantly correlated to a minimum square regression model

(R2 = 0.87, p < 0.01). At bed temperatures lower than 800 C, the RSM’s composition and inhomogeneity affected the

combustion efficiency (54 - 64 %), giving rise to an increase in CO emissions (1 092 ppm). At bed temperatures greater

than 850 C, however, high combustion efficiencies (80 - 82 %) were achieved with maximum SO2 (55 ppm) and NOx

(32 ppm) emission levels complying with the maximum permissible levels established in the NOM-098-SEMARNAT-

2002. The proposed experimental prototype was demonstrated to be both technically and environmentally feasible for

RSM treatment via fluidized bed technology.

Key words: Combustion efficiency, municipal solid waste, fluidized bed.

89

López-Ocaña et al.

24(2):89-100,2008

INTRODUCCIÓN

El manejo, tratamiento y disposición de los

residuos sólidos municipales (RSM) representa un

reto para las autoridades sanitarias. Como consecuencia,

una serie de estatutos de control y limpieza

se han generado: GA Tech = prototipo diseñado por

la Compañía GA Tech. Inc. (Rickman et al. 1985),

EIC-EPI = prototipo desarrollado por Energy Incorporated

Company (EIC) (Rickman et al. 1985), Saxena

= prototipo desarrollado a escala piloto por

Saxena & Jotshi (1994), LIN = prototipo desarrollado

por Lin et al. (1997) y DACBIOL = prototipo

desarrollado por los autores de este artículo. para

hacer más eficiente el manejo y disposición de estos

desechos. En un futuro se espera que los métodos

tradicionales que presentan un menor costo, como

lo es el relleno sanitario y la inyección subterránea

sean remplazados por métodos como la incineración.

Esta afirmación se basa en la información que demuestra

que los sistemas de incineración logran alto

grado de destrucción y control de residuos (Hristov

2002).

La incineración utiliza la descomposición térmica

mediante el proceso de oxidación a alta temperatura

(800 - 1 100 oC) y como consecuencia destruye

la fracción orgánica del residuo y se reduce

el volumen. Este método debe cumplir criterios de

funcionamiento y operación; es decir, una alta eficiencia

de combustión, destrucción y remoción de

gases tóxicos, un límite permisible en la emisión de

partículas, un monitoreo semicontínuo en el proceso,

una temperatura mínima específica así como niveles

aceptables de tiempo de residencia de los gases

generados en el combustor (Kaynak et al. 2005; Lin

et al. 2005). Diversas tecnologías de incineración se

han desarrollado para diferentes tipos y formas físicas

de residuos destacándose diseños de inyección

líquida, hornos rotatorios, hornos fijos y lechos fluidizados

(Oppelt 1986; Kisuk 1998). Los combustores

de lecho fluidizado representan una de las tecnologías

más prometedoras para la incineración de

residuos orgánicos, plásticos, lodos contaminados y

biomasa (Hristov 2002; Lin et al. 2003; Fang et al.

2004; Yan et al. 2005).

La combustión debe ser controlada para reducir

las emisiones a la atmósfera, por lo que se

ha estudiado la correlación entre la temperatura, el

tiempo de residencia y el grado de emisión (Wang

1993; Johansson et al. 2004). En la operación de

una planta piloto de lechos fluidizados, los investigadores

Saxena & Jotshi (1994) registraron emisiones

de SOx entre 20 y 35 ppm, de NOx entre 100

y 139 ppm, así como porcentajes de oxígeno en la

corriente de gas de 13.4 y 16.1 %. Swithenbank et

al. (1997) encontraron que en un incinerador de residuos

clínicos, la concentración de oxígeno fue de

16.9% en la corriente de salida del gas. Por otro lado,

Hasfelriis (1987) y Wang (1993) han registrado

que ciertas condiciones de operación minimizan la

formación de CO y reducen la emisión de dioxinas y

furanos. Wiley (1987) sugirió un nivel de oxígeno de

1 a 2% en volumen como mínimo, involucrando un

incremento de 5 a 10% de exceso de aire al sistema,

para alcanzar la oxidación óptima del combustible y

evitar la formación de monóxido de carbono (CO).

La generación excesiva de RSM acorta cada

vez más la vida útil de los rellenos sanitarios y sitios

de disposición final; por ello, es necesario evaluar

e implementar alternativas de tratamiento que no

sólo disminuyan el volumen y área sino que puedan

ofrecer beneficios económicos y energéticos como

lo ofrecen los lechos fluidizados, los cuales son

ambientalmente factibles. El objetivo fue evaluar la

eficiencia de un combustor de lecho fluidizado en

el tratamiento de RSM de un sector de la ciudad

de Villahermosa en el estado de Tabasco, bajo las

condiciones climáticas en el trópico húmedo caracterizadas

por elevadas temperaturas (30 - 45 oC) y

humedad relativa (60 - 80 %). El prototipo fue diseñado

y construido a escala experimental para las

condiciones específicas de operación que se detallan

en este estudio. Un segundo objetivo fue determinar

la concentración de contaminantes gaseosos (CO,

NOx y SOx) producidos durante el proceso de combustión

de los RSM y establecer si las descargas se

encuentran dentro de los límites permisibles por la

normatividad ambiental Mexicana vigente (Anónimo

2002). Esta información será de utilidad para

el desarrollo de combustores de lecho fluidizado y

su potencial implementación a mayor escala para el

tratamiento de combustibles específicos de bajo po-

90

Combustión de residuos sólidos municipales en lecho fluidizado

24(2):89-100,2008

Figura 1. Esquema del prototipo experimental de lecho fluidizado utilizado en el presente estudio.

Figure 1. Design of the experimental fluidised-bed prototype used in this study.

der calorífico como los RSM, ya que aun no existe

ningún diseño que domine y controle el campo por

lo que la investigación continúa.

MATERIALES Y MÉTODOS

Caracterización de los RSM

Los muestreos de RSM se realizaron de acuerdo

a las especificaciones establecidas en las Normas

Técnicas Mexicanas (Anónimo 1985a; Anónimo

1985b; Anónimo 1985c). Sin embargo, para fines

prácticos, el trabajo de campo se desarrolló en

las instalaciones del basurero municipal identificado

como “Loma de Caballo”, el cual se encuentra

ubicado a 10 km al noroeste de la ciudad de Villahermosa,

Tabasco. Para la cuantificación de los

RSM se utilizaron métodos indirectos así como el

conteo de carga y número de camiones (Tchobanoglous

et al. 1994). Los muestreos para determinar

la generación de basura normalmente se aplicaron

por un periodo de ocho días y su análisis se realizó

en siete días. La basura recolectada el primer día

fue desechada por considerarse una muestra poco

representativa. Para el caso específico de este estudio

se consideraron seis sectores: centro (S1: 17o 59’

04.95” N, 92o 56’ 14.19” O), noroeste (S2: 18o 00’

10.18” N, 92o 56’ 59.98” O), sur-suroeste (S3: 17

o 58’ 10.94” N, 92o 58’ 09.94” O), nor-noreste (S4:

18o 01’ 17.31” N, 92o 53’ 56.80” O), este (S5: 17o

58’ 47.17” N, 92o 54’ 51.88” O) y zona conurbana

(S6: alrededor del área urbana). Dentro de cada

sector se realizaron muestreos tres veces por semana.

Este muestreo permitió observar y cuantificar la

generación de residuos aprovechables, dado que el

municipio cuenta con una clasificación y cuantificación

de productos y subproductos. El sector con

91

López-Ocaña et al.

24(2):89-100,2008

mayor generación de RSM fue considerado como la

materia prima para la evaluación del combustor de

lecho fluidizado. La mezcla (MZ1) de los RSM del

Sector 1 de la ciudad de Villahermosa se formuló,

a partir de las características de los residuos, para

su tratamiento en el prototipo de lecho fluidizado.

Con base en esta información se procedió a ajustar

un modelo de regresión de mínimos cuadrados.

Características de diseño y operación del combustor

experimental

El prototipo propuesto consiste en tres secciones

cilíndricas de diámetro interno de 0.1 m de

acero al carbón cédula 40 (Figura 1). La sección

inferior (lecho) presenta una altura de 0.45 m, el

plenum es de 0.25 m y las secciones restantes son

de 0.50 m de altura. El prototipo tiene dos entradas

laterales opuestas en forma de “V” con un ángulo

de 45o hacia la pared del mismo. Estas entradas se

emplean para introducir el quemador piloto durante

el arranque y como mirilla o puerto de observación.

La sección del lecho posee una entrada que sirve

para la alimentación de los RSM. En cada sección

del prototipo se encuentran orificios sellados con tapones

macho de 0.127 m de diámetro, en donde se

enroscan los termopares, y dos orificios adicionales

ubicados en la sección del lecho que funcionan como

indicadores de caída de presión. Además, con el

objetivo de evitar la salida de partículas, como ceniza

o arena que fuesen arrastradas desde el lecho por

la corriente de aire, se construyó un tubo de acero

inoxidable. Este tubo con un diámetro de 0.1 m se

une al espacio libre (freeboard region) con una chimenea

de lámina galvanizada. El material del lecho

consistió de arena sílica con un tamaño promedio

de partícula de 0.8 mm de diámetro. La arena fue

debidamente tamizada para obtener el tamaño de

partícula requerida para la fluidización.

El plenum contiene el plato distribuidor de gas

y aire. El plato fue elaborado con acero inoxidable

de un diámetro interno de 0.1 m y un espesor de

0.01 m. Las toberas verticales de aire y de gas, éste

último utilizado para iniciar la combustión, se componen

de un tubo de acero inoxidable de 9 mm de

diámetro y 54 mm de longitud. El extremo superior

está cerrado, con cuatro orificios equidistantes de 2

mm de diámetro.

Los equipos auxiliares del sistema de combustión

fueron el triturador de residuos, quemador piloto,

termopares, tanque de gas natural, compresor

de alimentación de aire, ducto de gases de combustión

y temperatura, analizador de gases y chimenea

de salida de los gases de combustión. El quemador

piloto fue construido mediante un soplete de soldadura

de oxígeno y acetileno. La parte superior fue

construida de acero inoxidable, con un diámetro interno

de 0.0254 m, en donde se encuentra un tubo

concéntrico que transporta el gas. En la parte externa

del tubo concéntrico se alimenta el aire donde

se mezcla en una boquilla de acero inoxidable.

La alimentación de los RSM se realizó en forma

manual y discontinua. Los RSM funcionaron como

un reactor por lotes o flujo discontinuo. Previo

a su incorporación al lecho, los RSM se trituraron

con el propósito de obtener un tamaño promedio

de 5 mm de diámetro. La temperatura en el lecho

(TL), en el espacio libre y en la salida de gases de

combustión fue medida con termopares tipo “K” de

acero inoxidable con intervalos de temperatura de -

129 a 1371 oC, con un intervalo de error de ± 0.1 %.

La temperatura fue registrada en un panel de control

Pro TM 45, 43/4 Digit Microprocessor Based

Temperature/Process Indicator. El aire de alimentación

para el quemador piloto y para el sistema de

combustión fue proporcionado con un compresor de

0.56 m3 min−1, con una presión de 14 kgf * cm−2.

La concentración y temperatura de gases de combustión

fue determinada con un analizador portátil

marca TESTO 300 M&XL.

Cinco pruebas fueron conducidas. La primera

(C1) sirvió para calibrar el prototipo y se aplicó un

intervalo en la temperatura de 770 a 914 oC. Las

pruebas (C2), (C3) y (C4) se efectuaron en un intervalo

de temperaturas de 850 hasta 900 oC, ya

que en este intervalo suelen operarse las unidades

de incineración. Los resultados se graficaron considerando

la eficiencia como variable dependiente y la

temperatura como variable independiente para observar

alguna tendencia y luego se ajustó al modelo

de regresión apropiado. La última prueba (C5) se

corrió para analizar un amplio intervalo de temperaturas,

desde 400 hasta 900 oC, utilizando la mis-

92

Combustión de residuos sólidos municipales en lecho fluidizado

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ma mezcla, pero con un mezclado más eficiente de

los RSM. Todas las pruebas se realizaron bajo las

siguientes condiciones: 1 a 3 h de tiempo de operación,

66 a 90 g min−1 de flujo másico, 400 a 900

oC de temperatura de lecho, 0.35 a 1.06 kg cm−2

de suministro de aire, 12 a 16.9% de exceso de oxígeno,

0.2 m de altura estática del lecho, 0.8 mm de

diámetro promedio de arena y 5 mm de diámetro

promedio de residuo.

Eficiencia de combustión

La eficiencia de combustión () se determinó

midiendo la generación de monóxido de carbono y

de bióxido de carbono. Estas concentraciones fueron

medidas con el analizador de gases de combustión,

utilizando en su programación un cálculo de la eficiencia

de combustión de acuerdo a:

 = 100 −

"

knet

Tg − Ta

Cco2

+

X

210 + 2,1Tg − 4,2Ta

1000Qgr

+

k1QgrCco

QnetCco2 + Cco

!#

(1)

donde Tg es la temperatura del flujo de gas, Ta es

la temperatura ambiental, CCO2 es la concentración

del CO2 evaluado, CCO es la concentración del CO

evaluado, X = contenido de humedad más el contenido

de hidrógeno en el combustible y son constantes

knet = 0.39, k1 = 40, Qgr = 53.42, Qnet =

48.16.

En forma adicional se determinó la concentración

de monóxido de nitrógeno (NO), óxidos de

nitrógeno (NOx) y bióxido de azufre (SO2) en el flujo

de gases de combustión. Las concentraciones de

los gases fueron evaluadas en periodos de 10 a 15

min después de alcanzar las condiciones estables de

operación deseadas en cada prueba efectuada. En

este estudio se ha considerado que la condición de

estabilidad del sistema se alcanza cuando la temperatura

del lecho permanece constante durante cinco

minutos. La variable de operación que es utilizada

para fijar la temperatura del lecho es el flujo de alimentación

de residuos.

RESULTADOS

La estimación sobre la cantidad de RSM generados

en los seis sectores de la ciudad de Villahermosa

mostró que el sector centro (S1) fue el sector

con mayor generación de RSM, con una producción

de 210 t día−1 y una densidad promedio de 230.3

kg m−3. Los otros cinco sectores produjeron menores

cantidades de peso volumétrico y generación de

RSM (Tabla 1). En promedio, los seis sectores generaron

740 t día−1 de RSM durante todo el periodo

de muestreo. En algunos sectores, ciertos materiales

reciclables son recuperados antes de su disposición

final. En México, esta pre-selección de material

de reciclaje es conocida como pepena. Debido a la

pepena, la información mostrada en la Tabla 1 no

representa la generación real de RSM sino la composición

de los RSM en el sitio de disposición final.

De acuerdo a lo previamente establecido, se decidió

que el S1 sería el que aportara la materia prima para

la evaluación del combustor de lecho fluidizado, ya

que este sector representa aproximadamente el 30%

del volumen total de RSM generados en la ciudad y

la pepena disminuyó la cantidad de materiales reutilizables

tales como telas y trapos, aluminio, unicel,

cartón y latas. Los RSM en el S1 contuvieron los

siguientes subproductos: plástico rígido (10 %), papel

(17.27 %), polietileno (15.45 %), cartón plastificado

(7.27 %), materia orgánica (43.63 %), vidrio

(3.18 %) y residuos finos (2.74 %). Finalmente, los

análisis de composición elemental a los residuos generados

en cada sector fueron determinados (Tabla

2).

Las eficiencias de combustión fueron de 54.4 a

82.3% en la prueba experimental C1. La concentración

de CO disminuyó de 300 hasta 96 ppm cuando

la temperatura fue fijada en 820 y 900 oC, respectivamente.

La concentración de CO decreció significativamente

en temperaturas mayores a 800 oC,

Por el contrario, los valores de bióxido de carbono

(CO2), monóxido de nitrógeno (NO) y de óxidos de

nitrógeno (NOx) se incrementaron en la medida en

que se aumentó la temperatura por arriba de 820

oC hasta llegar a 914 oC. La concentración de SO2

no presentó una tendencia clara. Sin embargo, con

la mayor temperatura empleada en los experimen-

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López-Ocaña et al.

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Tabla 1. Generación de residuos sólidos municipales (RSM) por sectores en la ciudad de Villahermosa.

Table 1. Creation of RSM in each area of the city of Villahermosa.

Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6

Peso volumétrico kg m−3 230.3 ± 49.7 203.7 ± 11.3 216.3 ± 8.7 215.9 ± 14.1 180.3 ± 29.7 200.2 ± 19.8

Generación ton día−1 210.0 ± 50.0 160.0 ± 40.0 100.0 ± 40.0 70.0 ± 30.0 92.0 ± 18.0 115.0 ± 35.0

Subproductos Porcentaje ( %)

Plástico rígido 10.0 ± 2.3 2.7 ± 3.1 26.7 ± 7.2 26.3 ± 3.4 12.7 ± 3.2 13.0 ± 3.3

Papel 17.3 ± 5.8 5.9 ± 6.3 15.8 ± 4.2 7.0 ± 3.4 29.0 ± 3.5 11.2 ± 1.2

Polietileno 15.5 ± 1.2 9.7 ± 1.6 12.7 ± 2.2 11.9 ± 2.5 9.9 ± 1.4 8.9 ± 1.3

Cartón plastificado 7.7 ± 1.0 6.3 ± 1.0

Materia orgánica 43.6 ± 5.4 47.9 ± 5.6 29.0 ± 8.2 29.0 ± 8.1 30.3 ± 3.9 47.7 ± 6.3

Vidrio 3.2 ± 4.0 10.3 ± 3.9 4.6 ± 2.3 0.9 ± 2.7

Residuos finos 2.7 ± 3.0 11.9 ± 2.3 1.7 ± 3.9 3.9 ± 3.8

Telas o trapos 2.9 ± 0.2 1.0 ± 0.3 2.3 ± 0.1

Aluminio 2.2 ± 1.2 9.9 ± 3.2

UNICEF 6.8 ± 2.8 0.9 ± 0.3

Cartón 8.3 ± 3.1 11.3 ± 3.6

Latas 7.5 ± 1.5 14.4 ± 2.8 5.8 ± 2.5

Tabla 2. Componentes elementales de los residuos sólidos municipales (RSM) de muestras compuestas por

cada sector (C) = Carbono, (H) = Hidrógeno, (O) = Oxígeno, (N) = Nitrógeno, (S) = Azufre. El oxígeno

se calculó por la diferencia al medir los porcentajes de los otros cuatro componentes.

Table 2. RSM elemental components in compound samples for each area (C) = Carbon, (H) = Hydrogen, (O)

= Oxygen, (N) = Nitrogen, (S) = Sulfur. The oxygen was calculated through the difference after measuring

the percentages of the other four components.

Sector Composición elemental (% en peso) Cenizas Humedad

C H O N S

1 32.7 ± 4.3 4.6 ± 0.2 20.6 ± 1.4 1.4 ± 0.4 2.0 ± 0.2 20.1 ± 7.9 18.6 ± 1.4

2 41.5 ± 0.5 5.9 ± 0.1 30 ± 1.0 3.4 ± 0.1 0.3 ± 0.1 5.2 ±4.1 13.7 ± 2.3

3 26.3 ± 3.7 5.5 ± 0.5 28 ± 3.0 0.3 ± 0.2 0.2 ± 0.1 7 ± 3.8 32.7 ± 3.7

4 34.4 ± 3.6 4.3 ± 0.7 32.2 ± 4.85 1.8 ± 0.1 0.5 ± 0.05 4 ± 0.2 22.8 ± 0.2

5 42.2 ± 0.8 5.5 ± 0.5 29.3 ± 2.3 1.6 ± 0.3 0.3 ± 0.1 2.2 ± 0.8 18.9 ± 0.2

6 34.2 ± 3.8 5 ± 1.0 30.6 ± 3.3 0.4 ± 0.2 2.3 ± 0.1 3.6 ± 0.1 23.9 ± 1.9

tos se obtuvo una concentración de 11 ppm, valor

que superó claramente lo observado con las otras

temperaturas (Tabla 3).

En los datos aportados por las pruebas C1,

C2, C3 y C4 (Tabla 3), la eficiencia del prototipo

se incrementó en la medida en que se aumentó la

temperatura, hasta llegar a un punto donde no fue

observable este incremento, sino por el contrario,

tendió a decrecer. Los datos estadísticos presentaron

un valor de R2 de 0.87 (Figura 2) el cual resultó

ser altamente significativo (p < 0.01). En el modelo

estimado, la eficiencia aumentó linealmente 2.67

puntos de eficiencia por cada grado centígrado incrementado

entre los 770 y 817 oC. Sin embargo, la

tendencia parabólica muestra que disminuyen 0.002

unidades de eficiencia por cada unidad de incremento

en la temperatura, a partir de una temperatura

del lecho de 900 oC.

Los datos obtenidos en C5 mostraron que la

eficiencia de combustión presentó una tendencia significativamente

creciente con respecto a la temperatura

y la concentración de CO disminuyó en la

medida que se incrementó la temperatura de operación

(Figura 3). En 400 oC se obtuvo una eficiencia

de aproximadamente 43% en comparación con una

eficiencia de alrededor de 80% en una temperatura

de 900 oC. Por su parte, la concentración de CO

fue de 1 973 ppm para la menor temperatura, mientras

que esta concentración disminuyó hasta alcanzar

237 ppm en la temperatura mayor.

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Combustión de residuos sólidos municipales en lecho fluidizado

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En los datos aportados por las pruebas C1,

C2, C3 y C4 (Tabla 3), la eficiencia del prototipo

se incrementó en la medida en que se aumentó la

temperatura, hasta llegar a un punto donde no fue

observable este incremento, sino por el contrario,

tendió a decrecer. Los datos estadísticos presentaron

un valor de R2 de 0.87 (Figura 2) el cual resultó

ser altamente significativo (p < 0.01). En el modelo

estimado, la eficiencia aumentó linealmente 2.67

puntos de eficiencia por cada grado centígrado incrementado

entre los 770 y 817 oC. Sin embargo, la

tendencia parabólica muestra que disminuyen 0.002

unidades de eficiencia por cada unidad de incremento

en la temperatura, a partir de una temperatura

del lecho de 900 oC.

Los datos obtenidos en C5 mostraron que la

eficiencia de combustión presentó una tendencia significativamente

creciente con respecto a la temperatura

y la concentración de CO disminuyó en la

medida que se incrementó la temperatura de operación

(Figura 3). En 400 oC se obtuvo una eficiencia

de aproximadamente 43% en comparación con una

Tabla 3. Gases de combustión obtenidos en las pruebas experimentales (de = desviación estándar; ee = error estándar).

Table 3. Flue gases obtained in the experimental tests (de = standard deviation; ee = standard error).

Temperatura Concentración (ppm)

Prueba del lecho (C) O2 (% vol ) CO2 (% vol) CO NO NOx SO2 T. Gas (C)  ( %)

770.0 18.3 1.5 893.0 3.0 3.0 8.0 180.6 54.4

775.0 18.0 1.6 1092.0 3.0 4.0 7.0 183.2 57.5

780.0 17.8 1.8 662.0 2.0 2.0 5.0 195 57.9

793.0 16.4 2.5 789.0 6.0 6.0 5.0 226.0 63.6

800.0 18.0 1.7 821.0 5.0 6.0 6.0 2006.0 71.4

Prueba 1 820.0 17.5 1.9 810.0 2.0 2.0 4.0 183.0 62.2

875.0 19.2 3.2 215.0 10.0 10.0 5.0 178.0 76.0

879.0 15.3 3.2 275.0 9.0 10.0 3.0 174.6 77.9

885.0 14.1 3.8 355.0 8.0 8.0 4.0 179.7 75.7

900.0 14.5 3.6 278.0 11.0 11.0 2.0 191.2 76.4

914.0 14.5 3.6 96.0 8.0 8.0 11.0 187.0 82.3

de 55.3 1.8 0.9 335.1 3.3 3.3 2.5 14.5 9.8

ee 16.7 0.5 0.3 101.0 1.0 1.0 0.8 4.4 2.9

855.0 13.9 3.9 221.0 11.0 12.0 18.0 167.0 75.6

870.0 12.3 4.8 161.0 30.0 32.0 6.0 201.1 77.8

877.0 11.2 5.5 231.0 21.0 22.0 11.0 218.9 78.2

880.0 13.4 4.4 277.0 9.0 10.0 13.0 179.0 78.0

Prueba 2 886.0 11.9 5.0 229.0 21.0 22.0 7.0 212.0 77.6

890.0 13.6 4.1 222.0 7.0 8.0 15.0 185.0 77.1

891.0 12.6 4.7 372.0 15.0 16.0 12.0 209 78.4

895.0 13.6 4.1 189.0 10.0 11.0 13.0 181.0 80.1

897.0 16.9 2.2 551.0 8.0 8.0 11.0 193.0 76.8

de 13.5 1.6 0.9 120.3 7.8 8.2 3.7 17.4 1.2

ee 4.5 0.5 0.3 40.1 2.6 2.7 1.2 5.8 0.4

850.0 13.4 4.2 181.0 10.0 11.0 1.0 170.4 79.2

855.0 10.5 5.8 317.0 11.0 11.0 9.0 175.7 78.5

860.0 13.5 4.1 229.0 8.0 9.0 2.0 176.7 80.7

870.0 10.6 5.8 321.0 11.0 11.0 7.0 169.2 79.4

Prueba 3 870.0 13.5 4.2 203.0 3.0 6.0 1.0 150.9 81.0

873.0 12.6 4.5 256.0 8.0 9.0 3.0 157.3 80.9

885.0 9.7 6.3 184.0 4.0 4.0 1.0 197.3 81.4

890.0 13.3 4.3 274 .0 4.0 5.0 3.0 169.9 82.3

893.0 10.1 6.1 240.0 5.0 6.0 6.0 187.4 80.3

de 15.2 1.6 0.9 52.2 3.2 2.8 3.0 14.1 1.2

ee 5.1 0.5 0.3 17.4 1.1 0.9 1.0 4.7 0.4

95

López-Ocaña et al.

24(2):89-100,2008

Tabla 3. Continuación.

Table 3. Continued.

Temperatura Concentración (ppm)

Prueba del lecho (C) O2 (% vol ) CO2 (% vol) CO NO NOx SO2 T. Gas (C)  ( %)

853.0 14.1 3.8 114.0 4.0 5.0 0 176.5 78.1

870.0 11.7 5.2 304.0 6.0 8.0 13.0 182.3 78.2

875.0 14.1 3.8 203.0 2.0 3.0 5.0 170.5 77.5

877.0 14.2 3.8 201.0 6.0 6.0 2.0 168.3 78.4

Prueba 4 880.0 13.4 4.0 210.0 12.0 13.0 1.0 186.2 78.8

880.0 13.7 4.0 296.0 6.0 7.0 6.0 169.9 78.4

880.0 13.8 40.0 325.0 8.0 9.0 5.0 168.3 81.6

881.0 13.9 3.9 180.0 6.0 7.0 1.0 171.4 78.1

890.0 12.8 4.5 220.0 6.0 9.0 13.0 170.4 78.2

de 10.2 0.8 12.0 67.9 2.7 2.8 4.9 6.5 1.2

ee 3.4 0.3 4.0 22.6 0.9 0.9 1.6 2.2 0.4

400.0 16.8 2.3 1973 2.0 3.0 25.0 145.0 43.0

500.0 19.9 2.6 1824 2.0 4.0 30.0 180.0 57.0

600.0 9.1 3.7 990.0 2.0 2.0 19.0 237.0 63.1

Prueba 5 700.0 19.6 4.7 322 6.0 6.0 8.0 170.0 71.6

800.0 19.7 4.3 303.0 8.0 9.0 3.0 169.0 77.7

850.0 7.8 5.0 240.7 6.0 6.0 6.0 149.8 79.0

900.0 7.2 4.6 237.3 6.0 6.0 6.0 160.3 79.5

de 186.8 6.0 1.1 769.6 2.5 2.3 10.7 30.7 13.7

ee 70.6 2.3 0.4 290.9 0.9 0.9 4.0 11.6 5.2

Tabla 4. Comparación de la operatividad y los gases de combustión del prototipo propuesto con otros

equipos citados en la literatura especializada (GA Tech = prototipo diseñado por la Compañía GA Tech.

Inc. (Rickman et al. 1985), EIC-EPI = prototipo desarrollado por Energy Incorporated Company (EIC)

(Rickman et al. 1985), Saxena = prototipo desarrollado a escala piloto por Saxena & Jotshi (1994), LIN

= prototipo desarrollado por Lin et al. (1997) y DACBIOL = prototipo desarrollado por los autores de

este artículo).

Table 4. Comparison between manageability and flue gases of the proposed prototype and other equipments

cited in the literature. GA Tech = prototype designed by Company GA Tech. Inc. (Rickman et

al. 1985), EIC-EPI = prototype developed by the Energy Incorporated Company (EIC) (Rickman et al.

1985), Saxena = pilot-scale prototype developed by Saxena & Jotshi (1994), LIN = prototype developed

by Lin et al. (1997) and DACBIOL = prototype developed by the authors of this paper.

Parámetros Saxena EIC-EPI GA Tech. LIN DACBIOL

O2 ( %) 13.4-16.1 16.9 6 12.9-16.9

CO2 ( %) 5.2-6.6 5.2-6.6 1.2-5.6

NOx (ppm) 100-139 35 < 100 < 40

SOx (ppm) 20-35 350 < 100 < 40

CO (ppm) 30 0 100 200

Eficiencia de combustión ( %) 99 93 99.9 96 71-80

Temperatura de operación (C) 800 750-800 1100 800-940 700-900

eficiencia de alrededor de 80% en una temperatura

de 900 oC. Por su parte, la concentración de CO

fue de 1 973 ppm para la menor temperatura, mientras

que esta concentración disminuyó hasta alcanzar

237 ppm en la temperatura mayor.

En la unidad experimental, es deseable favorecer

la oxidación del CO a CO2 para así asegurar

la combustión completa del combustible y evitar la

toxicidad y daño ambiental. La alta concentración

de CO en la corriente de gases de salida se produjo

por la combustión incompleta del carbono dentro

del combustor de lecho fluidizado debido a la baja

severidad de combustión de los RSM (baja temperatura

e insuficiente exceso de aire), lo que dió lugar a

96

Combustión de residuos sólidos municipales en lecho fluidizado

24(2):89-100,2008

un mezclado ineficiente del combustible con el aire

suministrado al sistema.

Figura 2. Ajuste de un modelo cuadrático para la eficiencia de

combustión del lecho fluidizado con incrementos de temperatura

en las pruebas C1, C2, C3 y C4 (a = -0.0015; b = 2.7197; c =

-1139.5247 en  = aT2 + bT + c, donde T es expresado en oC).

—x— Error estándar; • Datos originales; · · · · · · Aproximación

polinomial.

Figure 2. Quadratic regression fitting for combustion efficiency

of the fluidised-bed with temperature increases in the C1, C2,

C3 and C4 tests (a = -0.0015; b = 2.7197; c = -1139.5247 en 

= aT2 + bT + c, where T is presented in oC). —x— Standard

error; • Original data; · · · · · · Polinomial approach.

Figura 3. Eficiencia de combustión () y concentración de CO

a diferentes temperaturas de operación (prueba C5). — — —

monóxido de carbono; —x— eficiencia.

Figure 3. Combustion efficiency () and CO concentration at

different operating temperatures (Test C5). — — — carbon

monoxide; —x— efficiency.

Las concentraciones de los gases de combustión

más importantes, como son el NO y el SO2,

estuvieron por debajo de los límites máximos permisibles

establecidos por la NOM-098-SEMARNATFigura

4. Concentración del monóxido de nitrógeno (NO) a diferentes

temperaturas de operación y su comparación con el

Límite Máximo Permisible. —•— NO; · · · · · · LMP NOM 098

SEMARNAT 2002.

Figure 4. NO concentration at different operating temperatures

and its comparison with the maximum permissible level. —•—

NO; · · · · · · MPL NOM 098 SEMARNAT 2002.

Figura 5. Concentración del bióxido de azufre (SO2) a diferentes

temperaturas de operación y su comparación con el Límite Máximo

Permisible. · · · · · · LMP NOM 098 SEMARNAT 2002; —•—

SO2.

Figure 5. SO2 concentration at different operating temperatures

and its comparison with the maximum permissible level. · · · · · ·

MPL NOM 098 SEMARNAT 2002; —•— SO2.

2002 (Anónimo 2002). Los valores máximos alcanzados

para el NO y SO2 fueron de 10 y 18 ppm

a las temperaturas de operación de 900 y 880 oC,

respectivamente (Figuras 4 y 5). Por el contrario,

los valores promedio obtenidos de CO a estas altas

temperaturas fueron de 220 ppm, excediendo así

el límite máximo permisible de descarga establecido

por la normatividad referida (Figura 6).

97

López-Ocaña et al.

24(2):89-100,2008

Figura 6. Concentración del monóxido de carbono (CO) a diferentes

temperaturas de operación y su comparación con el

Límite Máximo Permisible. —•— CO; · · · · · · LMP NOM 098

SEMARNAT 2002.

Figure 6. CO concentration at different operating temperatures

and its comparison with the maximum permissible level. —•—

CO; · · · · · · MPL NOM 098 SEMARNAT 2002.

DISCUSIÓN

El prototipo experimental evaluado presentó

que la eficiencia de combustión es proporcional al incremento

de la temperatura de operación, esto es, a

mayor temperatura se espera una eficiencia de combustión

mayor. En este contexto, la oxidación del

CO para formar CO2 es favorecida por la temperatura,

debido a que la velocidad de reacción a 900

oC es seis veces mayor que aquélla a 800 oC. Mientras

que la velocidad de reacción del NO a 900 oC

es 20 veces mayor que a 800 oC lo que, contrario

a la disminución del CO, favorece el incremento de

la concentración de este gas. Este incremento en la

concentración de NO puede explicarse con la cinética

de reacción del NO de acuerdo al mecanismo

extendido de Zeldovich, en donde el oxígeno atómico

reacciona con el nitrógeno molecular para formar

NO y nitrógeno atómico (Borman & Ragland 1988).

Por consiguiente, el prototipo podría alcanzar

mayores eficiencias de combustión a temperaturas

mayores de operación si las pérdidas de calor

del equipo hacia los alrededores fueran controladas

además de mantener un exceso de aire apropiado.

Sin embargo, es importante considerar los efectos

del exceso de aire, ya que un exceso mayor podría

enfriar a la masa reactiva disminuyendo la eficiencia

de combustión (Kaynak et al. 2005).

En cuanto a la oxidación del CO, ésta puede

favorecerse a partir de estrategias como: a) el uso

de un exceso de aire que permita una mejor distribución

del mismo y fomente la transferencia de masa

y energía y b) incrementar la temperatura del lecho

para incrementar también la velocidad de oxidación

homogénea del CO.

Un equipo experimental de lecho fluidizado

de vórtice desarrollado por Lin et al. (1997), alcanzó

eficiencias máximas del 96% en la combustión

de partículas de carbón en un intervalo de temperatura

de 800 a 940 oC, con concentraciones NOx

y SOx por debajo de 100 ppm y un 6% de O2 en

la corriente del gas. El trabajo de Lin et al. (1997)

empleó carbón como combustible, el cual es rico en

carbono y su composición es homogénea. Kaynak et

al. (2005) realizó estudios de incineración de carbón

y biomasa en un reactor de lecho fluidizado burbujeante

con ciclón para captura de partículas, y ellos

determinaron que a temperaturas de operación de

900 oC las eficiencias para el carbón fueron de 98.8

a 99.9 %, mientras que para la biomasa fue de 96.0

a 97.5 %. En el tratamiento del carbón se presentó

cero emisiones de CO, concentraciones de SO2 de

2400-2800 mg Nm-3 y concentraciones de NOx de

550-600 mg Nm−3. La biomasa presentó una alta

variabilidad del CO (6 000 - 14 000 mg Nm−3) indicando

un efecto secundario por la falta de adición

del aire en el sistema, las emisiones de SO2 fueron

cero y las de NOx entre 250-300 mg Nm−3. En este

estudio, el prototipo experimental obtuvo su máxima

eficiencia en 82% a 914 oC.

Saxena & Jotshi (1994) registraron que en la

operación de una planta piloto de incineración con

lechos fluidizados el oxígeno en la corriente de gas

está entre 13.4 y 16.1 %; Swithenbank et al. (1997)

comprobaron que para un incinerador de residuos

clínicos, la concentración de oxígeno es 16.9% en la

corriente de gas. Otros diseños de lecho fluidizado de

las compañías Energy Incorporated Company (EIC)

y Energy Products of Idaho (EPI) determinaron concentraciones

de oxígeno de 16.9% (Rickman et al.

1985). Durante las pruebas experimentales realizadas

en el prototipo propuesto, la concentración de

oxígeno varió entre 12 y 16.9 %, lo cual indica que

98

Combustión de residuos sólidos municipales en lecho fluidizado

24(2):89-100,2008

este sistema presentó condiciones de operación muy

similares a aquellas que han sido mencionadas en la

literatura.

Las descargas de CO2 obtenidas en los flujos

de gases de las plantas antes mencionadas varió

de 5.2 a 6.6 %, determinando que en su sistema el

valor típico fue de 5.2% (Wiley 1987). En el caso

del incinerador de residuos clínicos (Swithenbank

et al. 1997) la descarga fue de 3.1 %, mientras que

en las pruebas experimentales de este experimento

los valores mínimo y máximo fueron 1.2 y 5.6%

respectivamente. Estos resultados mostraron que la

descarga de este gas es similar a la de los prototipos

probados para el manejo de otras fuentes combustibles.

En la planta piloto descrita por Saxena &

Jotshi (1994), se registraron descargas de emisiones

de SOx entre 20 y 35 ppm, entre 100 y 139 ppm

para NOx, mientras que los prototipos de EIC y EPI

detectaron concentraciones de 350 ppm para SOx y

35 ppm para NOx. Las descargas del incinerador de

residuos clínicos fueron de 51 mg m-3 de NOx y 17

mg m-3 de SO2 (Swithenbank et al. 1997). Cabe

mencionar que en el sistema de combustión probado

en este estudio, las concentraciones de SOx y

NOx no superaron 40 ppm. Además, las temperaturas

de proceso fueron menores a los 900 oC, lo que

desfavorece la formación del NOx térmico. Existen

otras especies químicas que pueden analizarse en las

descargas de gases de estos prototipos. Sin embargo,

en las pruebas experimentales sólo se analizaron

NO, NOx, SO2, CO, CO2, temperatura de gases y

temperatura de operación en el lecho porque son los

gases de combustión de mayor relevancia ambiental

para el efecto invernadero y, por lo tanto, el cambio

climático global (Miller 2002).

En los prototipos de lecho fluidizado desarrollados

por Saxena & Jotshi (1994), Energy Incorporated

Company (EIC) y GA Tech Inc (Rickman et

al. 1985), se obtuvieron mayores eficiencias de combustión

(93 a 99 %) que en la presente investigación

debido a que combinaron el proceso de fluidización

con pirólisis. En dichos prototipos las temperaturas

de operación variaron de 850 a 950 oC y utilizaron

un exceso de aire de 35 a 60 %, lo que dió por resultado

un mayor aprovechamiento de energía por

la combinación de ambos procesos (Tabla 4).

El prototipo experimental propuesto demostró

ser técnica y ambientalmente factible para tratar

térmicamente los RSM vía combustión de lecho

fluidizado. La máxima eficiencia de combustión

(82.3 %) se obtuvo con una temperatura de lecho de

914 oC y un exceso de oxígeno de 14.5 %, con una

concentración promedio de 96 ppm de CO. Estos

resultados sugieren que la eficiencia de combustión

es favorecida a altas temperaturas y no se obtuvieron

eficiencias mayores debido a limitaciones en la

homogenización de la muestra y en la distribución

del aire suministrado al sistema.

Las concentraciones de SO2 y NOx no superaron

los límites establecidos por la norma nacional

en materia ambiental. No obstante que el presente

prototipo experimental cumplió con los criterios

de descarga para SO2 y NOx, no se cumplieron con

los límites máximos permisibles de CO (Anónimo

2002).

Finalmente, se recomiendan realizar experimentos

adicionales para comprender mejor los aspectos

fundamentales de la combustión heterogénea

de RSM y sus emisiones gaseosas y sólidas bajo diferentes

condiciones de fluidización. Así mismo se proponen

estudios para favorecer el mezclado de RSM

que son empleados en los reactores y la trituración

previa a la incineración de los residuos.

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