05 Emisiones. Gases de incineración

ALBERTO ORÍO HERNÁNDEZ

Tratamiento Térmico de

Residuos

Emisiones

y

Depuración de Contaminantes

GASES DE INCINERACIÓN

CONTAMINANTES GENERADOS EN EL TRATAMIENTO

TÉRMICO DE RESIDUOS

ENTRAMADO REACCIONANTE

CONTAMINANTES GASEOSOS

VALORES LÍMITE DE EMISIÓN ASOCIADOS A INCINERACIÓN

RECOMENDACIONES GENERALES PARA MINIMIZAR LA

GENERACIÓN DE CONTAMINANTES

TECNOLOGÍAS DE DEPURACIÓN

PARA PARTÍCULAS

PARA OTROS CONTAMINANTES

PLANTA INCINERADORA CON

DEPURACIÓN DE GASES

RESIDUOS Y EMISIONES DE LA INCINERACIÓN

PRODUCTOS GENERADOS EN EL

TRATAMIENTO TÉRMICO DE RESIDUOS

Residuo

(CHNSOX)

+

O2 / N2

CO2 + H20

NOx

SOx

CO + H2

CnHm

NH3

H2S

Combustión total

Combustión

incompleta

(gasificación)

GASES

PARTÍCULAS

CENIZAS +

X: Cl, F, metales, etc Cd, Hg, HCl, HF, dioxinas, etc

COMPONENTES GASEOSOS

COMPONENTE MAYORITARIOS N2: 65-75%

O2: 6-14%

CO2: 6-14%

H2O: 5-15%

CO: 0,1%

dependiendo de la composición del residuo

COMPONENTES MINORITARIOS (Contaminantes) Gases ácidos: HCl, SO2, HF, HBr, NOx

Metales pesados: Zn, Pb, Cr, Ni, Cd y Hg principalmente

Dioxinas (PCDD) y Furanos (PCDF): hidrocarburos aromáticos policíclicos con dos anillos de benceno conectados por átomos de oxígeno

Otros compuestos orgánicos: PCB (policlorobifenilos),PAH (poliaromáticos)

VALORES LÍMITE DE EMISIÓN ASOCIADOS AL

TRATAMIENTO TÉRMICO

Valores límite de emisión a la atmósfera para las instalaciones de incineración de residuos

(11% de O2)

VALORES LÍMITE DE EMISIÓN ASOCIADOS AL

TRATAMIENTO TÉRMICO

Disposiciones especiales para los hornos de cemento en que se coincineren residuos


GENERACIÓN DE CONTAMINANTES

Condiciones de diseño, equipamiento, construcción y explotación

el contenido de carbono orgánico total (COT) de las escorias y las cenizas de hogar

inferior al 3 %

Al menos durante dos segundos la temperatura de los gases derivados de la

incineración de residuos se eleve hasta 850°C.

Si se incineran residuos peligrosos que contengan más del 1 % de sustancias

organohalogenadas, expresadas en cloro, hasta 1.100 °C, durante dos segundos.

Todas las cámaras de combustión de la instalación de incineración estarán equipadas

al menos con un quemador auxiliar que se ponga en marcha automáticamente cuando

la temperatura de los gases de combustión, tras la última inyección de aire de

combustión, descienda por debajo de 850 °C o 1.100 °C

se utilizará dicho quemador durante las operaciones de arranque y parada de la

instalación, mientras haya residuos no incinerados en la cámara de combustión


GENERACIÓN DE CONTAMINANTES (cont)

Condiciones de diseño, equipamiento, construcción y explotación

Las instalaciones de incineración de residuos y coincineración de

residuos tendrán y utilizarán un sistema automático que impida la

alimentación de residuos en los siguientes casos:

En la puesta en marcha, hasta que se haya alcanzado la temperatura

de 850 °C o 1.100 °C, según los casos contemplados en los apartados

anteriores.

Cuando no se mantenga la temperatura de 850 °C o 1.100 °C, según

los casos contemplados anteriormente.

Cuando las mediciones en continuo muestren que se está superando

algún valor límite de emisión, debido a perturbaciones o fallos en los

dispositivos de limpieza de los gases residuales.


Partículas

Definiciones

Características Físicas

Efectos sobre la Salud Humana

Mecanismos de Captación

TECNOLOGÍAS DE DEPURACIÓN

PARTÍCULAS

Definiciones

Aerosol: término más general, aplicado a todo tipo de

partículas pequeñas, líquidas o sólidas dispersas en la

atmósfera.

Polvo (“dust”): se refiere a partículas sólidas

Humo (“Fume”): son partículas sólidas formadas al

condensar el gas

Niebla (“Fog”): partículas líquidas

Hollín (“soot”, “smoke”): partículas derivadas del carbón

principalmente.

PARTÍCULAS

Características Físicas

Forma

Formas irregulares. Solamente son esféricos aerosoles líquidos (fog) y sólidos por condensación (fume).

Tamaño

expresado como Diámetro de Partícula (>0,0002mm y <500mm)

“diámetro aerodinámico”, determinado por comparación con esferas de densidad 1g/cm3, que tienen la misma velocidad de sedimentación

Tamaño de estudio más interesante: 0,1-10 mm.

dp<0,1mm, se unen hasta formar partículas de tamaño mayor.

dp>10mm, sedimentan bien (>20cm/min)

PARTÍCULAS Efectos sobre la Salud Humana y el Medio Ambiente

Dp>10mm, eliminación por el sistema respiratorio superior

Dp<10mm, pueden alcanzar los pulmones.

<0,5mm, vuelven a salir con el aire de los pulmones

>0,5mm - 10mm, pueden depositarse en los pulmones.

Tamaño más peligroso: 2 - 4 mm.

Efectos sobre la salud: enfermedades pulmonares (bronquitis, asma, neumonía, enfisema pulmonar), y problemas cardiacos. Incrementadas si van asociados con óxidos de azufre. Toxicidad: PAHs, dioxinas o metales pesados adheridos a las partículas.

Efectos sobre el medio ambiente: disminución de visibilidad, catálisis fotoquímica (smog), ensuciamiento de edificios, reducción de radiación solar.

APARATO

RESPIRATORIO

PARTÍCULAS

Mecanismos de captación

Sedimentación por gravedad

Cámaras de gravedad o sedimentación

Impacto centrífugo

Ciclones

Impacto - Interceptación directa

Filtros de mangas

Scrubbers (lavadores húmedos)

Atracción electrostática

Precipitadores electrostáticos o electrofiltros

DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO DE PARTÍCULAS

VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN O TERMINAL

Es la velocidad descendente constante, en dirección paralela al campo gravitatorio, que alcanza la partícula cuando se iguala la fuerza de atracción gravitatoria con las fuerzas de rozamiento y de flotación de la partícula.

La velocidad terminal para partículas esféricas se calcula por la ecuación de Stokes

dp = diámetro de partícula (m)

m = viscosidad dinámica del aire (kg/m.s)

CÁMARA DE GRAVEDAD

Ensanchamiento de tubería con disminución de velocidad del gas

dp > 50mm.

Velocidad del gas < 30 cm/s

Mayor rendimiento a menor velocidad

Ventajas:

bajos costes de instalación y mantenimiento.

Baja pérdida de carga

Desventajas:

grandes dimensiones

baja eficacia.

Entrada tangencial y choque por fuerza centrífuga. Recogida en tolva.

Eficacia del 50-80% para dp=5-20mm

Eficacia <50% para dp<5mm

Sistemas multiciclones en paralelo para uso de ciclones de alta eficacia

80-95% para dp= 5-20mm

50-80% para dp<5mm

Bajo coste y poco mantenimiento

Ineficaz para límites legales

Función de etapa de depuración previa a sistemas más sofisticados

CICLONES

CICLONES DE ALTA EFICACIA

D < 25 cm

h = 0,5 D

b = 0,2 D

Alta velocidad de entrada del gas aumento de la pérdida de

carga

coste mayor de impulsión

Ciclones en paralelo División del caudal de

entrada

Disminución de la velocidad y pérdida de carga

Velocidad típica: 15-20m/s

FILTROS DE MANGAS

Miles de mangas de fibra (lana, nylon,

de vidrio, poliésteres o poliamidas).

Retienen por impacto inercial o

interceptación las partículas >1mm.

Filtración interna o externa (con

armazón y sin compartimentar)

Limpieza vibración o sacudidas mecánicas

Flujo de aire inverso

Pulsos de aire a presión

La torta incrementa la eficacia: Eficacias del 99,5% en dp>1mm

>95% para el resto

Durante la limpieza: 98 y 90%

Desventajas: Tamaño y coste de equipo

Ataque por atmósferas corrosiva o T.

Riesgo de atmósferas explosivas.

Elevado coste de mantenimiento

No para materiales higroscópicos.

SCRUBBERS (LAVADORES HÚMEDOS)

Impacto con gotas de agua y sedimentación por gravedad o por fuerzas centrífugas.

Eficacia ()= f (vgas, 1/dgota)

Pulverización de gotas finas

Velocidad elevada del gas

en partículas dp más pequeño

Alta pérdida de carga

= f (P); P Coste Energía

Eliminación simultánea de gases ácidos o básicos (HCl, SO2, NH3)

Desventaja:

Contaminación de aguas sedimentación y recirculación

Tipos: Cámaras de nebulización

Lavadores ciclónicos

Lavadores Venturi

LAVADOR CICLÓNICO LAVADOR VENTURI

PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Atracción de partículas cargadas hacia

la superficie de un electrodo opuesto

Elevada diferencia de potencial

(100.000 V) entre 2 electrodos:

De descarga (cables verticales)

Colector (superficie plana) *

Ventajas:

Altos rendimientos y capacidad de tto.

Baja pérdida de carga

Capacidad para operar a alta T (600C)

Bajo coste operación y mantenimiento

Desventajas:

Alto coste de inversión

Equipos grandes

No con sólidos con alta resistividad e-

Poca flexibilidad de operación

ELECTROFILTRO


Gases de Incineración

Gases Contaminantes

Reducción de Gases Contaminantes

Sistemas de Depuración

COMPONENTES GASEOSOS

COMPONENTE MAYORITARIOS N2: 65-75%

O2: 6-14%

CO2: 6-14%

H2O: 5-15%

CO: 0,1%

dependiendo de la composición del residuo

COMPONENTES MINORITARIOS (Contaminantes) Gases ácidos: HCl, SO2, HF, HBr, NOx

Metales pesados: Zn, Pb, Cr, Ni, Cd y Hg principalmente

Dioxinas (PCDD) y Furanos (PCDF): hidrocarburos aromáticos policíclicos con dos anillos de benceno conectados por átomos de oxígeno

Otros compuestos orgánicos: PCB (policlorobifenilos),PAH (poliaromáticos)

REDUCCIÓN DE EMISIONES DE GASES DE

INCINERACIÓN

REDUCCIÓN DE FORMACIÓN DE GASES CONTAMINANTES

REDUCIR LA CANTIDAD DE RESIDUOS INCINERADOS

MEJORAR LA EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN

INTRODUCCIÓN DE AIRE SECUNDARIA O POSTCOMBUSTIÓN

Primera etapa de defecto de oxígeno a alta temperatura y una

segunda etapa con el resto de oxígeno a menor temperatura.

Reducción de NOx.

TEMPERATURA >850ºC Y 2 SEGUNDOS: Reducir COVs.

DEPURACIÓN DE GASES CONTAMINANTES

Lechos fluidizados vs. Parrillas o Rotatorios

Mezcla homogénea de residuos con lecho inerte y oxígeno:

disminuyen los productos de combustión incompleta y producción

gases homogénea.

Temperatura isoterma: mayor control de los gases producto.

Las partículas fluidizadas contactan con los tubos del

intercambiador de calor (transferencia de calor por conducción >

radiación o convección)

Puede trabajar a temperaturas más bajas (800-900ºC) para producir =

E que con parrillas (1400-1500ºC) NOx disminuyen.

Puede trabajar con calcita en suspensión:

CaCO3 + SO2 + 2H2O CaSO3 + 2H2O + CO2

GASES DE INCINERACIÓN Monóxido de Carbono (CO)

Principal Fuente: Transporte (70 %)

Es el más abundante de los considerados contaminantes atmosféricos.

Propiedades: Incoloro e inodoro Muy peligroso.

Se genera por combustión incompleta de combustibles carbonosos (en lugar del CO2)

(CxHy) + O2 x CO2 + y/2 H2O (reacción de combustión completa)

(CxHy) + O2 x CO + y/2 H2O (reacción de combustión incompleta)

Otras variables implicadas (además de defecto de O2)

1. Temperatura de la llama

2. Tiempo de residencia del gas a temperatura elevada.

3. Turbulencia en la cámara de combustión (caminos preferenciales)

GASES DE INCINERACIÓN

Monóxido de Carbono (CO)

Efectos Sobre la salud humana:

Compite con el oxígeno en su unión a la hemoglobina sanguínea (carboxihemoglobina: CHGb)

CO tiene mayor afinidad que O2 por la Hemoglobina

Cuando aumenta % de CHG: disminuye la actividad cerebral (menos reflejos…), incremento de la frecuencia cardiaca (para llevar misma cantidad de O2 a los tejidos)

Fumadores tienen entre un 5-10% de CHGb

([CO] humo = 400 ppm)

A las concentraciones que aparece usualmente no afecta a vegetales ni materiales.

GASES DE INCINERACIÓN Dióxido de azufre (SO2)

Principal Fuente: Combustión de combustibles fósiles

en fuentes estacionarias (sobre todo en instalaciones de

generación de energía)

Carbones con alto contenido en azufre

Ha bajado su concentración con el tiempo por:

• Uso de combustibles con menor contenido de S

• Depuración de efluentes gaseosos

Propiedades: Incoloro, olor sofocante, muy soluble en

agua.

Implicado en la lluvia ácida:

• SO2 + O2 SO3 ; SO3 + H2O H2SO4 (lluvia ácida).

• El ácido sulfúrico, a su vez, se condensa en forma de aerosoles de SO4

2-

• pH normal agua lluvia: entre 5 y 5.6. valores por debajo son considerados LLUVIA ÁCIDA.

• Afecta a los materiales (corrosión) y patrimonio;

Problemas respiratorios

• Aerosoles de sulfato < 2 µm: pueden penetrar hasta tracto respiratorio inferior (pulmones y alvéolos)

• SO2 (al ser muy soluble en agua se suele quedar en las mucosas del tracto respiratorio superior, sin llegar a alvéolos)

• Sinergia con partículas (episodios históricos de mortandad)

Disminuye visibilidad (caso de aerosoles de sulfato)

GASES DE INCINERACIÓN Dióxido de azufre (SO2)

Principal Fuente: Transporte. Combustiones a altas temperaturas (>1.000º C)

Combinación del Nfuel-O2 y N2,atm- O2

Propiedades: NO: Incoloro; NO2: Marrón o naranja.

Efectos: Tóxico para los seres vivos. Implicado en lluvia ácida (HNO3), implicado en smog fotoquímico

GASES DE INCINERACIÓN Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Principal Fuente: Smog fotoquímico.

Propiedades: Altamente oxidante, incoloro e inodoro a bajas concentraciones.

Efectos: Daña vegetación y materiales a bajas concentraciones. Problemas respiratorios.

GASES DE INCINERACIÓN OZONO TROPOSFÉRICO (O3)

SMOG FOTOQUÍMICO N2 + O2 2 NO ; 2NO + O2 2 NO2

NO2 + radiac. solar NO + O (fotolisis)

O + O2 + Catalizador O3

O3 + NO NO2

DIOXINAS Y FURANOS

Especie más tóxica y persistente de dioxina es el 2, 3, 7, 8 - tetraclorodibenzo-p-dioxina (2, 3, 7, 8 - TCDD ó TCDD).

Prácticamente insolubles en agua, y se concentran en los lípidos de los sistemas biológicos acumulándose en los tejidos grasas de los seres vivos

Formación durante la combustión procediendo de los hidrocarburos y el cloro.

Control de las dioxinas y furanos se puede conseguir llevando a cabo el proceso de forma que se evite su aparición (medidas de prevención). Esto se consigue: Incinerando a temperaturas alrededor de 1.000

°C.

Consiguiendo períodos de retención de más de 1s

Asegurando la turbulencia para obtener buena mezcla con exceso de aire (las combustiones incompletas fomentan su formación).

DEPURACIÓN DE GASES 1. ADSORCIÓN

Fisisorción (fuerzas de Van der Waals) o quimisorción

Alúmina, Sílice, Zeolitas o Carbón Activo

Ventajas: recuperación por desorción, fácil de operar, alta eficacia y fácil adaptación a cambios en el proceso

Desventajas: coste elevado (incluir desorción), eliminación previa de partículas, enfriar el gas.

2. ABSORCIÓN

Scrubbers, torres de relleno (con material inerte)

Eliminación de SO2, en procesos seco, semiseco o húmedo.

Ventajas: alta eficacia, bajo coste de equipo, poco espacio, elimina también partículas, permite gases ácidos o básicos.

Desventajas: coste de operación y mantenimiento altos.

3. CATÁLISIS

Combustión total: eliminación de CO y COV. También dioxinas.

Reducción de NOx con metales nobles (Pt, Pd) u óxidos metálicos (V2O5)

Envenenamiento por azufre.

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