DISEÑO DE UN INCINERADOR EXPERIMENTAL PARA RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES Agustín Escamilla Martínez, Itzel Yireh Silva Sánchez, Julio Cesar Sánchez Jiménez, Antonio García Meneses, Efrén Moreno, Fabiola Ortuño. CIATEQ, A.C. Av. Manantiales 23-A, P. Ind. Bernardo Quintana, El Marqués, Querétaro, México. C.P. 76246 Correo electrónico: aguesc@ciateq.mx RESUMEN En México se producen cerca de 34.6 millones de toneladas anuales de residuos sólidos siendo acopiados mayormente en tiraderos a cielo abierto o en rellenos sanitarios, los cuales son insuficientes para la disposición final de los mismos, volviéndose una tecnología obsoleta y que no soluciona el problema de las grandes ciudades del mundo. Globalmente se analizan opciones que permitan el adecuado manejo de los residuos sólidos municipales. Una de las opciones más viables es la separación para reciclaje de estos residuos y para la parte que no puede ser reutilizada se prefieren métodos de reducción térmica (Deshidratación, incineración, desintegración por plasma, gasificación). Se diseñó un incinerador experimental con capacidad de 45 kg/h de residuos sólidos municipales, con un volumen de 0.35 m 3 para el aire en exceso de 170%. Mediante los resultados obtenidos por balances térmicos y másicos teóricos, con los cuales se busca obtener el comportamiento general y una composición de los gases de combustión que permitan la operación de acuerdo a norma, incluyendo excesos de aire y turbulencia. La geometría es analizada usando el software de CFD para definir la velocidad y dirección de los flujos; así como el comportamiento interno del aire. La construcción de dicho incinerador está compuesta por una pared interna refractaria, estructura metálica y una pared externa aislante. Se ha construido la cámara primaria de combustión y se ha corrido pruebas cualitativas de su comportamiento obteniendo patrones de flujo y temperatura de acuerdo a lo esperado. PALABRAS CLAVE: incinerador, combustión, residuos sólidos municipales (RSM), pirolisis, alimentación continua, doble cámara de combustión. ABSTRACT In Mexico 34.6 millions of tons are been produced annually of solid waste, this residual had complied in open sky wastelands or buried underground in landfills, those solutions had proven to be insufficient for the final dispose of residuals making this technique obsolete and outdated and this is insufficient for solving the actual problem of waste disposal of big cities in the world. In the entire world different options have been analyzed that permit the adequate management of municipal solid waste. One of the most viable options has been the classification of residuals into recyclables and non-recyclables, for the nonrecyclables, it has been preferred to use thermal reduction methods, such as: dehydration, incineration, plasma gasification and gasification. An experimental incinerator was designed for the disposal of municipal solid waste. The incinerator has a incinerating capacity of 45 kg/h, with a burning chamber of 0.35 m 3 using an excess of 170% of air. A thermal balance and mass calculations were carried out in order to obtain the general behavior of the combustion as well as the composition of the gasses released during combustion taking into account excesses of air and turbulence all according to the actual norm. The geometry of the primary chamber was analyzed using CFD software to define the velocity and direction of the flows; such as the behavior of the air. The construction of such incinerator was composed by a: refractory inner wall, metallic structure and an insulating external wall. It has been build the primary combustion chamber and qualitative proofs had been run to assess its behavior. Patterns of flow and
temperature had been in good agreement to the expected. KEY WORDS: incinerator, combustion, municipal solid waste (MSW), pyrolysis, continuous feeding, double-combustion chamber. NOMENCLATURA PCI Vg poder calorífico inferior volumen de gases % v/v porciento volumen/volumen Nm 3 kwhe metros cúbicos a condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 25 C). kilo Watt hora estándar INTRODUCCIÓN La producción de residuos sólidos municipales (RSM) per cápita incrementa año con año, actualmente en México se producen alrededor de 34.6 millones de toneladas anuales [1], cuya disposición final es en tiraderos a cielo abierto o en rellenos sanitarios, de los cuales existen 95 registrados en el país y sólo 13 cumplen parcialmente con la normatividad mexicana vigente. Lo que nos lleva a enfrentar problemas como lo son: las emisiones de gas metano (CH 4 ), producido a partir de la descomposición de la basura orgánica, el cual si es liberado a la atmósfera es 24 veces más contaminante que el dióxido de carbono (CO 2 ), siendo éste uno de los principales gases de efecto invernadero [2]. La producción de lixiviados con filtraciones de metales pesados y toxinas al suelo y a la capa freática, enfermedades, plagas, malos olores, etc., además de que los rellenos sanitarios requieren de grandes extensiones de terreno y tienen un periodo de vida limitado causando daños irreparables en los suelos. Considerando la problemática de las grandes zonas urbanizadas, como la ciudad de México que genera 12 mil toneladas diarias de residuos sólidos, y que ya no cuentan con el espacio suficiente para su disposición final. Las grandes ciudades del mundo han clasificado a los rellenos sanitarios como una opción obsoleta, y apuestan por desarrollar nuevas tecnologías que den verdadera solución al problema de la basura. Existen diversas alternativas de procesamiento y transformación en la gestión de residuos sólidos, empezando por la promoción de la reducción desde el origen y la separación en las viviendas, la reutilización y reciclaje de materiales residuales, rellenos sanitarios, aplicación de tecnologías de conversión biológica (compostaje y lombricompostaje) y procesos térmicos. Es así como, en busca de una solución más amigable con el medio ambiente, se retoma el método de incineración aplicando la legislación ambiental actual que es cada vez más restrictiva lo que permite desarrollar y operar estos sistemas de manera cada vez más eficiente, logrando que países primermundistas desarrollen tecnologías de incineración que son capaces de procesar grades cantidades de residuos obteniendo como subproducto energía eléctrica (entre 250 y 750 kwhe/ton de residuos [6]) y sin rebasar los límites permisibles de emisiones a la atmósfera. ANTECEDENTES En México la incineración, aún es un tema controversial que genera grandes debates entre ambientalistas y aquellas personas dedicadas al desarrollo y aplicación de las tecnologías existentes de incineración. Provocando que en nuestro país no se tenga el desarrollo de nuevas y mejores tecnologías, únicamente se limita su aplicación a residuos hospitalarios y en la cremación de restos humanos y animales. La incineración es una combustión controlada de residuos sólidos, líquidos o gases combustibles, con emisión de calor. La incineración aplicada a residuos es compleja, debido a que este combustible se trata de una mezcla heterogénea de sustancias con composiciones químicas diversas [3]. La incineración no elimina totalmente los residuos, si no que reduce el volumen de los
mismos y éste depende del contenido de materiales inertes; aún así la reducción alcanza aproximadamente un 90% en peso y un 95% en volumen. La incineración de residuos sólidos es un proceso que implica una secuencia de pasos que incluye el secado, volatilización, combustión y quema de carbón en los sólidos seguido por un proceso de combustión de vapores, gases y partículas provenientes del primer paso. Existen básicamente cuatro tecnologías para la reducción térmica de RSM, en cuanto a forma de operación de la cámara de combustión primaria, las cuales son [4]: - Combustión en masa.- es ampliamente utilizado en las grandes plantas procesadoras de residuos, estos residuos no reciben ningún tratamiento previo a la incineración, la forma general que tienen es como se muestra en la Figura 1, en este proceso los residuos son muy heterogéneos y no se tiene un control preciso que permita que el proceso sea autosostenible; las plantas incineradoras de este tipo tienen capacidades mayores a 100,000 toneladas al año. - Incineración con deficiencia de aire.- este proceso de incineración se lleva a cabo en presencia de oxígeno en cantidades subestequiométricas dentro de la cámara de combustión primaria, los gases generados ricos en monóxido de carbono, hidrógeno y metano, son enviados a una segunda cámara de combustión (Figura 2) para completar el proceso, mediante el cual se recupera energía. Este proceso es parcialmente autosostenible. - Plasma.- el plasma se puede generar por descargas de corriente con alto voltaje entre dos electrodos, los resultados son la producción de luz y calor. El plasma proporciona la energía para transformar la parte orgánica de la basura a gas de síntesis, el cual puede ser quemado en turbinas o para generar vapor. Este proceso puede operar con poco o nada de oxígeno y no produce cenizas, sin embargo, el costo de energía eléctrica que requiere la planta para su operación, por los materiales de construcción que deben resistir las altas temperaturas (5,000 a 15,000 C) y la mano de obra altamente calificada, es lo que limita la aplicación y desarrollo de esa tecnología. La mayoría de los incineradores con aplicación en comunidades pequeñas son operados con deficiencia de aire, por tener un diseño geométrico más sencillo de la cámara primaria a diferencia de los incineradores de combustión en masa y por las bajas emisiones que permite cumplir con los requisitos ambientales. Figura 1.- Incinerador de combustión en masa [8]. - Pirolisis.- es el procesamiento térmico de residuos en un ambiente totalmente ausente de oxígeno, por lo que requiere de una fuente externa de calor para conducir las reacciones endotérmicas de pirolisis y produce una corriente gaseosa que contiene principalmente hidrógeno, metano y monóxido de carbono. Esta tecnología no es muy utilizada debido a que es un sistema complejo y por sus grandes costos de operación. Figura 2.- Incinerador operado con deficiencia de aire [7]. Los RSM pueden recibir un tratamiento previo a la incineración para incrementar su poder calorífico, este tratamiento incluye la separación
de materia fermentable de la no fermentable, la separación por tamaño por medio de cribas o trómeles, separación por densidad, por campo eléctrico o mecánico, la reducción de tamaño mediante trituradores, molinos de martillo, etc. Los RSM se queman sobre parrillas, estas pueden ser fijas, móviles o sistemas mixtos; la parrilla además de proporcionar una superficie de quema, sirve para introducir el aire por debajo de estas hacia la cámara provocando una combustión uniforme y favorecen la evacuación correcta de cenizas. Las parrillas típicas usadas en incineradores de combustión en masa son de rodillos, reciprocantes, transportadoras u oscilantes. Existen en el mundo alrededor de 760 plantas de incineración de basura en operación, en Europa en el año 2002 existían 340 plantas con una capacidad de incineración de basura de 50 millones de toneladas anuales, de las cuales 28 plantas fueron comisionadas con una capacidad total de 4.1 millones de toneladas anuales en 1999. Los países que se destacan por incinerar su basura son: Dinamarca (55%), Suecia (55%), Suiza (45%), Holanda (48%), Francia (35%) y Alemania (42%). Los valores entre paréntesis indican el porciento de basura que incinera cada país de la que produce [6]. Generalmente como apoyo en el diseño de hornos incineradores se utiliza la herramienta CFD (Dinámica de Fluidos Computacional, por sus siglas en inglés), mediante el cual se puede simular la combustión y predecir la turbulencia de los gases dentro del horno. Analysis and optimization of municipal solid waste combustion in a reciprocating incinerator (2008), analiza mediante CFD, la turbulencia y el tiempo de residencia en busca del mejor diseño para un incinerador, encontrándose el valor de 1.63 m 2 /s 2 como la máxima turbulencia y los valores promedio después de la adición del aire secundario de entre 0.6 a 0.8 m 2 /s 2. La temperatura mayor dentro del horno es de 1660 K y una temperatura aproximada de salida de gases de 1180 K, en conclusión indica que el ángulo y la velocidad de entrada del aire secundario influyen de manera significativa en la intensidad de la turbulencia. En la caracterización del incinerador mostrado en Characterization of municipal solid waste combustion in a grate furnace (2002), realizaron pruebas utilizando una relación aire/combustible de 4 m 3 de aire por cada kg de residuos con una relación de 1.6 de exceso de aire, dentro de la investigación se enfocaron a la distribución de temperatura, concentraciones de CH 4, CO 2 y oxígeno y tiempo de residencia, encontrándose que la investigación experimental y numérica comparada con las predicciones obtenidas mediante CFD mostraron gran concordancia. METODOLOGÍA En base a la información recopilada, se opta por un incinerador operado con deficiencia de aire en la cámara primaria. Para el diseño de este incinerador únicamente se alimentan los residuos a los que previamente se separó la materia fermentable, y aquellos que no pueden ser reutilizados o reciclados y que no tienen ningún valor comercial. Primeramente se analizaron diferentes tipos de RSM y se determinó su composición en base al poder calorífico inferior (PCI) con la ecuación 1, encontrándose que los RSM que se generan en México tienen en promedio un PCI de 2,500 kcal/kg con la siguiente composición: 48% de materia combustible, 28.5% de humedad y 23.5% de materia no combustible (en % peso). =8000 +34500 8 +2200 =.(ec. 1) En el proceso de combustión se producen principalmente dióxido de carbono, agua y dióxido de azufre. En base a la composición y acorde con las reacciones de oxidación, Para el Carbono C + O 2 CO 2 Para el Hidrógeno 2H 2 + O 2 2H 2 O Para el Azufre S + O 2 SO 2
se determina la cantidad de aire teórico necesario, este valor se comparó a manera de verificación con el aire teórico necesario calculado de acuerdo a la siguiente ecuación [9]: ó =8.8766 +26.4433 + 3.3248 3.3319 = /..(ec. 2) También se determina el volumen de gases generados por la combustión por medio de las reacciones de oxidación y de igual forma este volumen se puede comparar a través con el calculado con las ecuaciones de Rosin y Verón [9]: Rosin, =0.89 +1.65...(ec.3) Verón, =...(ec. 4) La composición de los gases se obtiene por balance de materia en el incinerador y con las reacciones de oxidación. En la práctica se requiere una cantidad de aire en exceso debido a la naturaleza heterogénea de los RSM, este exceso tiene el propósito de garantizar que el aire se distribuya en toda la cámara, asegurando las reacciones de combustión y generando turbulencia para incrementar la eficiencia del mezclado entre los reactivos y el oxidante [7]. Por lo que se realizaron cálculos en busca de la cantidad de aire en exceso que además de garantizar lo anterior, superará el 6% (v/v) mínimo que se indica en la NOM-098- SEMARNAT-2002 [5]. La mejor combinación de eficiencia de combustión y recuperación de energía en la combustión en masa utilizada en grandes incineradores, se ha observado que se produce con excesos de aire de 140 a 150%, mientras que en los incineradores de doble cámara de combustión se logra la máxima eficacia con excesos de aire de 150 a 200% [4]. Para determinar la carga térmica de la parrilla y la liberación media de calor en el horno, se calcula el calor de los gases de combustión, considerando las pérdidas de calor por radiación y convección, por el carbono sin reaccionar y por calor latente. En base a la capacidad del incinerador, al volumen de los gases generados, a la cantidad de aire alimentada y a los balances de calor y energía, se determina las dimensiones de la cámara de combustión primaria, y mediante cálculos de transferencia de calor se especifican los materiales de construcción y espesores de los mismos. Con el cálculo de las pérdidas de calor dentro de la cámara se especifica la capacidad y tipo de quemador auxiliar a utilizar para compensar las pérdidas. El quemador auxiliar está diseñado solamente para la puesta en marcha y calentamiento de la masa de refractario del horno hasta alcanzar la temperatura que permita la entrada del residuo (la cual depende de la normatividad local) y en adelante su funcionamiento debe ser automático para cuando por cualquier motivo descienda la temperatura. El proceso de incineración piloto requiere una cámara primaria de combustión, un sistema recolector de cenizas, sistema de alimentación de residuos, quemador auxiliar en cámara primaria, sistema de alimentación de aire primario, indicadores de temperatura y cámara secundaria de combustión con quemador. RESULTADOS La cantidad de aire teórico calculado de acuerdo a las reacciones de oxidación y a los balances de materia resulta de 2.76 Nm 3 de aire por cada kg de RSM, este valor se comparó con la cantidad de aire teórico calculado mediante la ecuación 2, el cual es de 2.56 Nm 3 de aire por cada kg de RSM, muy similar al determinado por balance de materia, con un diferencia del 7%. El volumen de los gases generados por la combustión estequiométrica es de 3.56 Nm 3 de gases por cada kg de RSM. Al realizar cálculos en busca de la cantidad de aire en exceso que garantice una buena combustión y que cumpla con el 6% de oxígeno indicado por norma se encontró que un exceso de aire de 170% cumple con el requerimiento, en la Tabla 1 se muestra la composición esperada (%), del gas a la
salida del incinerador, con el aire teórico y con el exceso. Tabla 1.- Composición de los gases de salida, porcentaje Componente Aire teórico Exceso aire 170% CO 2 14.52 9.35 H 2 O 22.94 14.77 O 2 - - - 7.48 N 2 62.48 68.36 SO 2 0.05 0.03 temperaturas, turbulencia y presión. Iterando con diversas geometrías así como las velocidades y dirección de flujo de las entradas de aire, se definió el modelo mejorado de la cámara de combustión. En la Figura 4 se pueden observar dos entradas de aire, una proveniente del quemador auxiliar y otra del aire primario inyectado por la parte inferior de la rejilla. Para tener un exceso del 170% de aire, es necesario alimentar 4.7 Nm 3 de aire por cada kg de RSM y se generarán 5.49 Nm 3 de gases por cada kg de RSM. Del balance de calor se obtienen los datos de la Tabla 2: Tabla 2.- Balance de calor Concepto Cantidad Producción bruta de calor (kcal/día) 15,000,000 Pérdidas de calor (kcal/día) 2,544,324 Calor disponible gases (kcal/kg residuo) 2,075 Entalpía (kcal/m 3 ) 378.20 Temperatura gases ( C) 1,051 Figura 4.- Líneas de flujo dentro de la cámara primaria. Los gases fluyen en su mayoría de manera ascendente, con pequeñas corrientes que descienden a través de la tolva recolectora de cenizas. Estas corrientes de aire son impulsadas nuevamente a la parte superior de la rejilla por el suministro primario. En la Figura 3, se muestra de manera esquemática el proceso de incineración. Figura 3.- Proceso de incineración. Utilizando la herramienta CFD se realizó un análisis de las velocidades de los gases dentro de la cámara de combustión, la distribución Figura 5.- Distribución de temperaturas dentro de la cámara primaria. La Figura 5 muestra el perfil de temperaturas dentro de la cámara, es de notarse la uniformidad de la temperatura (850 C), salvo la trayectoria de
la flama que incide directamente sobre la cama máxima de RSM a 1700 C. Este efecto es logrado gracias a las corrientes de aire inducidas dentro de la cámara. se alcanzaron temperaturas superiores a los 750 C en las paredes internas del incinerador, así como 918 C en el aire interior. Las temperaturas exteriores oscilaron entre 85 C y 110 C. Tomando como base las simulaciones comentadas, se construye un incinerador piloto con una capacidad de 45 kg/h, que cuenta con una cámara de combustión primaria con un volumen de 0.35 m 2, al cual se alimenta el 80% del aire teórico necesario para que se lleven a cabo las reacciones de oxidación. La cámara cuenta con una pared refractaria de 11.5 cm de ancho, una pared aislante de 5.08 cm de ancho y una pared metálica de 0.3 cm (1/8 ) y la temperatura interna de operación es 850 C. También cuenta con un sistema de recolección de cenizas, indicadores de temperatura, un quemador auxiliar de 150,000 Btu/h y un rotor de paletas impulsado por un roto reductor para la alimentación gradual de los RSM. La Figura 6 ilustra el diseño de la primer parte del incinerador que consta de (1) cámara de combustión primaria, (2) tolva de recolección de residuos, (3) alimentación de RSM, (4) quemador auxiliar, (5) brida de paso de gases a cámara de combustión secundaria y (6) estructura de soporte. Figura 7.- Sistema primario de incineración. En la Figura 7 se muestra una de las primeras pruebas de incineración que se corrieron en este incinerador alimentando únicamente papel de reciclaje y aíre. Para estas pruebas no se incluyó el quemador auxiliar y el horno no se precalentó - como lo indica la norma [5] - las pruebas iniciaron a condiciones atmosféricas normales alcanzándose temperaturas internas en la pared de refractario de 160 ºC a 180 C. A esta cámara se alimenta el resto de aire teórico más el exceso dando así un total de 170%, la temperatura de operación es de 1100 C. CONCLUSIONES Los incineradores de doble cámara de combustión son los más utilizados para capacidades pequeñas y medianas, con operación deficiente de aire en la cámara primaria. La construcción del incinerador piloto busca validar la información existente y con pruebas posteriores así como la construcción en su totalidad con mejoras que permitan realizar el proceso de manera semicontinua. Figura 6.- Sistema primario de incineración. El curado del horno se logra mediante su calentamiento gradual para liberar el agua encapsulada dentro del material refractario. Para el curado del horno se consumieron 4 horas en precalentamiento hasta 550 C, en el curado final Los resultados obtenidos mediante los balances térmicos y másicos son semejantes a los obtenidos mediante ecuaciones empíricas obtenidas a través de diversos estudios del comportamiento de los RSM, la diferencia existente entre los resultados, es atribuida a las variantes en la composición y comportamiento heterogéneo de los residuos, lo que nos indica que el diseño de un incinerador varía dependiendo de tipo de generación de cada
lugar en especifico y de las condiciones climáticas que rodean el lugar de disposición final. Se verificó visualmente que el comportamiento de la flama sigue de manera general las trayectorias previstas por la simulación del flujo a través de software; sin embargo, se detecta que el flujo de aire varía respecto a lo previsto, por lo cual será necesario realizar ajustes y validaciones en la siguiente etapa de pruebas. En base a la experimentación llevada hasta el momento, se define que la selección de materiales y sus espesores, tanto aislantes, refractarios y estructurales soportan las cargas térmicas y mecánicas según diseño. AGRADECIMIENTOS Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) y al Fondo Institucional de Fomento Regional para el Desarrollo Científico y Tecnológico y de Innovación (FORDECyT) convocatoria 2009, en el apoyo al proyecto Tecnificación del procesamiento de los residuos sólidos municipales bajo esquemas alternativos sustentables, en una planta piloto experimental. REFERENCIAS [1] Intituto Nacional de Ecologia. www.ine.gob.mx [Online] [Cited: 20 03, 2010.]. http://www2.ine.gob.mx/publicaciones/libros/ 495/residuos.html. [2] Fundación reduce tu huella. www.reducetuhuella.org [Online] [Cited: 20 03, 2010.]. Urgente transformar el metano de relleno sanitario en energía. [3] Bonato, Fabio. 2000. Seminario La Gestión Integral de los Residuos Sólidos. Tecnologías para el Tratamiento de Residuos Industriales por Termodestrucción, [4] Department of Defense United States of America. Unified Facilities Criteria (UFC), Solid Waste Incineration. [5] Norma Oficial Mexicana, NOM-098- SEMARNAT-2002, Protección Ambiental- Incineración de Residuos, Especificaciones de Operación y Límites de Emisión de Contaminantes. [6] Estimación del Recurso y Prospectiva Energética de la Basura en México, Anexo 1, José Luis Arvizu Fernandez, IIE. [7] Tchobanoglous, George. 2002. Handbook of Solid Waste Management. [8] CD-adapco. www.cd-adapco.com [Online] [Cited: 05 02, 2010.] http://www.cdadapco.com/press_room/dynamics/27/incinera tor.html [9] Nieto, Jaime. 1996. Incineración de RSU en hornos de parrilla. Parámetros básicos de diseño y funcionamiento.