Soluciones a las emisiones de V.O.C.'s

Transcripción

1 Medio Ambiente Soluciones a las emisiones de V.O.C.'s Las tecnologías más utilizadas P. Casals Tecnium Casals Cardona Industrial, S.A. El tratamiento de los VOC's se ha hecho imprescindible al conocerse los efectos perniciosos que originan, necesidad reforzada por la nueva Directiva europea que aumentará las exigencias. Se repasan en este artículo las tecnologías destructivas y no destructivas más frecuentes, con sus criterios de selección, ventajas y desventajas. 1. Introducción Desde hace unos años, los europeos estamos tomando consciencia de la problemática que representan los compuestos orgánicos volátiles, conocidos por las siglas V.O.C. (Volatile Organic Compound), debido a sus efectos nocivos para la salud y al perjuicio que suponen para el medio ambiente. Sobre todo por su capacidad de producir oxidantes fotoquímicos por reacción con los óxidos de nitrógeno en presencia de la luz solar. Ello ha dado origen a una Directiva europea, de la cual derivarán diversos desarrollos legislativos y normativos, que a su vez supondrán una exigencia cada vez más estricta en su cumplimiento. 2. La solución al problema La solución en singular a este problema no existe, puesto que la definición de V.O.C. en sí ya engloba millares de compuestos distintos, los focos de contaminación son muy diversos y buena parte de los procesos productivos origina mezclas complejas de los mismos. De todos modos, la primera consideración a hacer ante las emisiones de V.O.C s, es analizar si una eventual modificación del proceso productivo o de las materias primas puede reducir o eliminar el problema, y evaluar la inversión y el coste de explotación correspondientes. En el supuesto de no poder eliminar el problema, se deben estudiar las medidas correctoras alternativas y su viabilidad técnica y económica. Evidentemente, la primera medida correctora es la localización y captación de las emisiones, lo cual tiene su importancia, puesto que evita la dispersión de contaminantes y condiciona todo el tratamiento posterior: una captación deficiente puede ocasionar un caudal desmesurado de gases por exceso de aire, una concentración inadecuada de V.O.C s que dificulte su tratamiento con el sistema elegido, etc. Tras la captación, se procede al tratamiento, y para ello disponemos actualmente de diversas tecnologías. Estas se pueden agrupar en dos grandes grupos, en función del tratamiento dado a los componentes orgánicos volátiles. Las más usuales son: - Tecnologías destructivas: Combustión térmica. Combustión térmica regenerativa. Incineración catalítica. Filtración biológica. Degradación con ultravioletas. - Tecnologías no destructivas: Adsorción. Concentración. Condensación. Absorción/desorción. 3. Combustión térmica Consiste simplemente en la oxidación por incineración de las emisiones de V.O.C s en hornos que trabajan a temperaturas superiores a los 700 C, formándose CO 2 y enero

2 INGENIERIA QUIMICA Figura 1. Esquema de incineración térmica regenerativa consiguiéndose trabajar sin apenas combustible. El gas a incinerar atraviesa el lecho cerámico caliente, aumentando su temperatura hasta la de reacción. Luego es completamente oxidado en la cámara de combustión, consiguiéndose eliminar, por regla general, más del 99,9% de los contaminantes. agua por oxidación de los compuestos con el oxígeno del aire a tratar. Con el fin de garantizar una combustión eficaz, en cada caso deben estudiarse las condiciones adecuadas de: - Temperatura. - Turbulencia. - Tiempo de permanencia. - Concentración de V.O.C s y O 2 en el aire a incinerar. Como combustible se suelen emplear tanto el gas natural y el propano como el gasóleo. Dado que la reacción de oxidación es exotérmica, cuanto mayor sea la cantidad de V.O.C s menor será el consumo de combustible. Esta tecnología viene siendo empleada desde hace bastante tiempo, pero tiene algunos inconvenientes: - Las temperaturas de trabajo son notablemente elevadas. - Normalmente generan contaminación secundaria por NO x, SO 2, etc., que requieren un sistema de depuración adicional. - Para concentraciones bajas de V.O.C s, requieren un aporte notable de combustible. - Para concentraciones mayores, puede existir peligro de explosión - El coste energético puede ser elevado, a no ser que se disponga de buenos sistemas de recuperación de calor (que implican una inversión elevada). A menudo, para aumentar el rendimiento energético de la combustión, la instalación se completa con elementos de recuperación del calor, bien sea para precalentar los gases, o bien para calentar otros elementos externos (producción de vapor,...). 4. Combustión térmica regenerativa El precalentamiento de gases se realiza mediante intercambiadores de calor (incineración térmica recuperativa) o mediante material cerámico que almacena el calor de los gases ya incinerados y lo cede a los gases de entrada cuando se invierte periódicamente el sentido del flujo de gases (incineración térmica regenerativa). (Fig. 1). En este último caso de la oxidación térmica regenerativa, la recuperación del calor de combustión es muy notable, alcanzándose eficiencias térmicas entre el 94 y el 99%, La elección del relleno cerámico para acumulación del calor es fundamental. Generalmente tiene forma de nido de abeja, buscando una gran superficie de intercambio térmico con un mínimo de pérdida de carga al paso de los gases. Además de ser resistente a altas temperaturas, el material debe ser antiácido. Con esta tecnología, generalmente se consiguen minimizar notablemente las emisiones de contaminantes secundarios, básicamente NO x y CO. Admite concentraciones relativamente elevadas de V.O.C s a la entrada, normalmente hasta los 10 g/nm 3, pero pude trabajar alrededor de los 20 g/nm 3 en casos límite. 5. Incineración catalítica Se distingue de los sistemas anteriormente descritos básicamente por disponer de un catalizador en la cámara de combustión, que permite que la misma se realice a temperaturas notablemente inferiores (entre 300 y 500 º C). Por regla general, el catalizador se dispone sobre un soporte cerámico, a menudo en forma de múltiples conductos paralelos por donde circula el gas a incinerar, o bien en forma de malla metálica. El objetivo es exponer la máxima superficie de contacto entre el catalizador y el gas, con un mínimo de pérdida de carga. Esta tecnología permite una eficiencia elevada de incineración, con un consumo energético relativamente bajo, evitando el inconveniente de la formación de óxidos de nitrógeno; pero tiene el grave inconveniente de la sensibilidad del 138

3 Medio Ambiente catalizador frente a partículas que pueden envenenarlo, por lo que requiere frecuentes intervenciones de mantenimiento para limpieza. Figura 2. Biofiltros apilables Además, el coste de reposición del catalizador es notable. 6. Filtración biológica Se trata de una tecnología completamente distinta a las expuestas hasta el momento. Se fundamenta en la capacidad que tienen algunos microorganismos aerobios naturales para descomponer los V.O.C s en CO 2 y H 2 O. Tales microorganismos, contenidos en su medio de soporte (lecho filtrante), se autoactivan y reproducen siempre que se den las condiciones de temperatura y humedad apropiadas, así como una presencia suficiente de oxígeno. Se trata pues de hacer pasar el gas a depurar a través del lecho filtrante y dejar que los microorganismos actúen. Para que ello sea posible, además de las condiciones vitales antes citadas, el gas debe ser previamente acondicionado eliminando polvo, grasas y elementos tóxicos que podrían destruir o inhibir la colonia de microorganismos. Este pretratamiento suele hacerse con sistemas convencionales de tratamiento de gases: scrubber, lavadores venturi, etc. Para que la filtración biológica sea efectiva y eficiente, es fundamental la elección del lecho filtrante, que debe reunir diversos requisitos básicos: - Contener la población microbiana necesaria, así como sus nutrientes básicos, complementarios del gas. - Capacidad de adsorción. - Homogeneidad. - Permeabilidad al gas (con una composición que reduzca su tendencia al apelmazamiento con el tiempo). De manera muy resumida podemos destacar algunas importantes ventajas de esta tecnología: - Rendimientos elevados. - Bajo coste de explotación, debido sobre todo a no necesitar manipulación (ni durante el funcionamiento, ni para el mantenimiento), al bajo consumo energético (baja pérdida de carga del filtro), a no emplear reactivos químicos, y a la prolongada vida del soporte biológico. - Versatilidad frente a múltiples combinaciones de gases biodegradables, dado que los microorganismos que realizan la descomposición de los contaminantes se adaptan espontáneamente a las nuevas circunstancias (tras un período más o menos prolongado). - Ausencia de vertidos contaminantes o de difícil eliminación (al contrario que en otros sistemas alternativos), puesto que la descomposición biológica produce prácticamente sólo CO 2 y H 2 O, y el lecho filtrante, una vez agotado, es aprovechable como abono orgánico. Normalmente se emplea para concentraciones de V.O.C s de hasta 1 g/nm 3. Quizá el mayor inconveniente de esta tecnología sea la superficie que requiere. Por ello existen también biofiltros montados en contenedores apilables (Fig. 2). 7. Degradación con ultravioletas Diferente a las tecnologías expuestas hasta este momento, la degradación de V.O.C s con ultravioletas presenta diversos rasgos diferenciales: - No precisa grandes espacios. - Necesidad mínima de energía. - Poco mantenimiento. - Larga duración de la vida del catalizador. - A la vez que degrada los V.O.C s también es una tecnología desinfectante del aire, puesto que elimina los microorganismos. - Elevada eficacia. La degradación de los V.O.Cs se produce en unas cámaras por donde circula el aire contaminado, donde se encuentran las baterías de lámparas ultravioleta y las láminas de catalizador (Fig. 3). Los rayos enero

4 INGENIERIA QUIMICA Figura 3. Equipo de tratamiento de V.O.C.s mediante ultravioleta El sistema requiere un aire a tratar exento de polvo, y con humedad no muy elevada, con el fin de no saturar el carbón de forma prematura. Esta tecnología se emplea si es posible la recuperación y reutilización de los compuestos, con el fin de rentabilizar la inversión. También se usa (sin fines de recuperación) para mezclas heterogéneas y poco concentradas, o para eliminar V.O.C's difíciles de tratar por otros medios. ultravioleta favorecen la formación de radicales hidroxilo (OH - ) a partir de las moléculas de oxígeno del aire y átomos de hidrógeno tomados del catalizador. Simultáneamente, algunas moléculas de agua contenidas en el aire se combinan formando radicales perhidroxilo (HO 2- ) y regenerando el hidrógeno al catalizador. Ambos radicales actúan sobre las moléculas de V.O.Cs degradándolas por rotura de las cadenas y oxidación. El resultado final son básicamente moléculas de dióxido de carbono y agua. Simultáneamente, se produce una destrucción de los gérmenes en suspensión en la corriente de aire, por el efecto de los ultravioleta. 8. Adsorción mediante carbón activo Los sistemas que se basan en la adsorción suelen ser relativamente flexibles a un amplio abanico de V.O.C s. Se fundamentan en el fenómeno de la adsorción, por el cual los gases son retenidos sobre la superficie del material adsorbente gracias a una combinación de fuerzas físicas y químicas. Estas fuerzas generalmente son suficientemente débiles como para permitir la regeneración del adsorbente, es decir, la desorción del gas retenido. El adsorbente más frecuente es el carbón activo, aunque a veces se emplean la alúmina, el gel de sílice o los tamices moleculares. El carbón activo es un material con una extraordinaria superficie efectiva, gracias a su estructura microporosa. Ello permite la adsorción de moléculas en su superficie cuando la corriente de aire atraviesa el lecho de carbón activo. Cuando el lecho está saturado (toda la superficie activa ha adsorbido moléculas), el carbón se debe regenerar, generalmente haciendo pasar vapor de agua, que provoca la desorción de las moléculas de V.O.C s retenidas. Esta desorción no es nunca completa, con lo cual el carbón activo se va agotando progresivamente, y finalmente debe ser reemplazado. La mezcla de V.O.C's/vapor se hace condensar y posteriormente aquéllos se separan del agua. Finalmente, el lecho de carbón activo se seca y enfría con una corriente de aire ambiente. Dado que la operación es discontinua, normalmente se dispone de más de una unidad de adsorción, que trabajan alternativamente en adsorción y regeneración, para permitir una depuración continua. En la figura 4 puede verse el diagrama de flujo de una instalación con tres adsorbedores. Además del inconveniente de la regeneración periódica, esta tecnología tiene el problema de la eliminación del carbón activo agotado que queda cuando el mismo debe ser renovado. La adsorción mediante carbón activo normalmente se emplea para concentraciones de V.O.C's de hasta 10 g/nm 3, con eficacias de eliminación de hasta el 99 %. 9. Concentración mediante carbón activo Para casos con elevados caudales de aire (hasta Nm 3 /h) y una baja concentración de V.O.C's inferior a 2 g/nm 3 ) puede ser interesante y rentable reducir el volumen de aire (y consecuentemente aumentar la concentración de V.O.C's). Con ello se logrará que la etapa posterior de tratamiento del aire trabaje con un menor volumen y en un punto de rendimiento mejor. Se trata de adsorber los V.O.C's de la corriente principal de aire mediante el carbón activo que impregna un soporte cerámico. Seguidamente se efectúa la desorción de los mismos mediante una pequeña corriente de aire caliente (del orden de 10 veces inferior en caudal), originándose una corriente secundaria de aire con mayor concentración de V.O.C's. Ello se hace en continuo, dando rotación al soporte cerámico impregnado que es atravesado por el aire a depurar, y sometiendo una pequeña área del mismo a la desorción (Fig. 5). 140

5 El aire que atraviesa el rotor ya sale depurado y, por tanto, se puede descargar directamente a la atmósfera. Figura 4. Diagrama de flujo de una instalación de adsorción con tres adsorbedores 10. Condensación criogénica Cuando los V.O.C's a depurar contienen compuestos con un punto de ebullición relativamente alto (por encima de los 50 C) o punto de congelación también relativamente alto (por encima de -150 C), y además puede ser interesante su recuperación, se puede pensar en la alternativa de la condensación criogénica, bien sea licuando, bien sea congelando tales compuestos para separarlos de la corriente de aire. La concentración de tales V.O.C's Figura 5. Esquema de un concentrador rotativo enero

6 INGENIERIA QUIMICA debe ser relativamente elevada (superior a 5 g/nm 3 ), y el producto líquido que se obtiene se deberá procesar posteriormente para separar los distintos compuestos y el agua. Estos sistemas trabajan haciendo pasar la corriente de aire a través de una unidad intercambiadora, en la que por el circuito secundario circula normalmente nitrógeno líquido, que provoca su enfriamiento hasta una temperatura de consigna que está en función de los compuestos a licuar o congelar. Si hay congelación, ésta se produce sobre los serpentines del intercambiador, por lo que, tarde o temprano, deberá detenerse el proceso y licuar de nuevo los compuestos recuperados. Por ello, a menudo se disponen de dos unidades de intercambio térmico, trabajando alternativamente (una enfría y congela, mientras la otra está licuando de nuevo). A veces, en lugar de emplear directamente intercambiadores térmicos, el proceso se realiza en torres o columnas de relleno, y la unidad de frío trabaja sobre el líquido de recirculación de la misma. La condensación criogénica es un sistema flexible frente a variaciones de caudal, composición o concentraciones. Pero es costoso de explotación, y su empleo lo puede justificar sólo la valorización de los compuestos recuperados. 11. Absorción/desorción Para la recuperación de V.O.C's no solubles ni miscibles en agua se emplea también el método de la absorción mediante un líquido apropiado, y su posterior desorción mediante vapor de agua, en columnas o torres de relleno. La absorción se consigue haciendo circular la corriente de gas contaminado en sentido ascendente en una columna de relleno, mientras que a contracorriente circula el líquido absorbedor, en el cual los V.O.C's son más o menos solubles. Por la parte superior de la columna sale el aire depurado. Para favorecer el contacto, la co- lumna está rellena de cuerpos que obligan a ambos a repartirse homogéneamente por toda su sección. La segunda fase del tratamiento consiste en la desorción de los V.O.C.'s absorbidos en el líquido. Para ello se emplea otra columna de relleno en la que se introduce el líquido por la parte superior y vapor de agua por la parte inferior, que en su camino ascendente arrastra los V.O.C.'s A la salida, por condensación y separación de fases (no son miscibles), se recuperan el agua y los compuestos. Asimismo, por la parte inferior de la columna se recupera el líquido de absorción que, una vez enfriado, puede ser reutilizado en la primera columna, la de absorción. Mediante esta tecnología las eficacias son muy elevadas (pueden alcanzar valores de 99,9%), incluso a concentraciones altas, y las pérdidas de carga son relativamente reducidas, aunque las necesidades energéticas no son despreciables, tanto para la producción del vapor como para la condensación de los V.O.C. y el enfriamiento del líquido de absorción. Este líquido de absorción debe cumplir varios requisitos importantes: - Ser un buen absorbente de un amplio abanico de V.O.C s. - Estable en el tiempo y no volátil. - Que no requiera excesiva temperatura para la desorción. A veces, para V.O.C s solubles en agua, también se emplea la absorción en un medio acuoso con el único fin de eliminarlos del aire sin la segunda fase de recuperación. Ello es así porque se trata de un sistema relativamente económico y de elevada eficacia, que lo hace interesante cuando la recuperación de los V.O.C's no es rentable. 12. Conclusión El tratamiento de los V.O.Cs es algo imprescindible, tanto por razo- nes sociales como por imperativo legal. Por todo lo expuesto podemos concluir que hay muy variadas tecnologías alternativas para resolver el problema, y todas tienen sus ventajas e inconvenientes. Por ello es recomendable asesorarse con una empresa que tenga conocimiento y disponibilidad de un amplio abanico de soluciones, dado que podrá exponer, para nuestro caso concreto, los pros y contras de cada una de ellas sin condicionantes. 142