ESTRATEGIAS PARA LA GESTIÓN -...

ESTRATEGIAS PARA LA GESTIÓN SOSTENIBLE DE LOS RESIDUOS EN EL

HORIZONTE 2020

Noviembre 2014

Estudio de Base 5. Análisis de las tecnologías emergentes de valorización

energética

Este estudio ha sido posible gracias a la participación en el mismo de las siguientes entidades:

- Agència de Residus de Catalunya

- Àrea Metropolitana de Barcelona

- Ayuntamiento de Madrid

- Asociación de Ingenieros Industriales de Cataluña

- Asociación de Ingenieros Industriales de Madrid

- Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de Andalucía Occidental

- Consejería de Agricultura y Agua. Región de Murcia

- Consejería de Educación, Universidades y Sostenibilidad del Gobierno de Canarias

- Consejería de Fomento y Medio Ambiente. Junta de Castilla León

- Consejería de Fomento, Ordenación del Territorio y Medio Ambiente. Principado de Asturias

- Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. Comunidad de Madrid

- Conselleria de Infraestructuras, Territorio y Medio Ambiente. Generalitat Valenciana

- Conselleria de Medio Ambiente, Territorio e Infraestructuras. Secretaria General de Calidad y Evaluación Ambiental. Xunta de Galicia

- Consorci per a la Gestió de Residus del Vallés Occidental

- Diputación de Sevilla

- Ecoembalajes España, S.A.

- Ecovidrio

- Entitat Metropolitana per al Tractament de Residus. EMTRE

- Federación Española de Municipios y Provincias. FEMP

- Gobierno de Aragón. Departamento de Agricultura, Ganadería y Medio Ambiente.

- Gobierno de Navarra. Departamento de Desarrollo Rural, Industria, Empleo y Medio Ambiente

- Senado de España. Comisión de Medio Ambiente y Cambio Climático

- Ute Plan Zonal Rsu Zona 1

OBSERVADOR

- Ministerio de Agricultura y Medio Ambiente

Asimismo, y para casos puntuales, han colaborado otras entidades cuyo nombre aparece referenciado en los correspondientes Estudios de Base.

Análisis de las tecnologías emergentes de valorización energética

ESTRATEGIAS PARA LA GESTIÓN SOSTENIBLE DE LOS RESIDUOS EN EL HORIZONTE 2020 ESTUDIO DE BASE 5 2

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 4

2. DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS TÉRMICAS EMERGENTES ............................... 9

2.1. GASIFICACIÓN ...................................................................................................................... 9 2.1.1. EL PROCESO DE GASIFICACIÓN ...................................................................................................12 2.1.2. TIPOS DE REACTORES DE GASIFICACIÓN ................................................................................15 2.1.3. RESIDUOS ADECUADOS PARA GASIFICACIÓN ......................................................................22 2.1.4. GAS CRUDO Y GAS DE SÍNTESIS ..................................................................................................24 2.1.5. RESIDUOS DE LA GASIFICACIÓN .................................................................................................26 2.1.6. ASPECTOS ENERGÉTICOS Y AMBIENTALES DE LA GASIFICACIÓN ................................27

2.2. PIRÓLISIS ........................................................................................................................... 31 2.2.1. EL PROCESO DE PIRÓLISIS ..............................................................................................................33 2.2.2. PARÁMETROS DEL PROCESO DE PIRÓLISIS ............................................................................35 2.2.3. TIPOS DE PROCESOS DE PIRÓLISIS .............................................................................................36 2.2.4. RESIDUOS APTOS PARA PIRÓLISIS .............................................................................................38 2.2.5. PRODUCTOS DE PIRÓLISIS .............................................................................................................39 2.2.6. ASPECTOS ENERGÉTICOS Y AMBIENTALES DE LA PIRÓLISIS ...........................................40

2.3. GASIFICACIÓN POR PLASMA ................................................................................................ 41 2.3.1. EL PLASMA Y SU GENERACIÓN ....................................................................................................44 2.3.2. TRATAMIENTO DE RESIDUOS MEDIANTE PLASMA .............................................................46 2.3.3. PROCESO DE GASIFICACIÓN POR PLASMA ............................................................................48 2.3.4. RESIDUOS ADECUADOS PARA LA GASIFICACIÓN POR PLASMA ...................................50 2.3.5. PRODUCTOS DE LA GASIFICACIÓN POR PLASMA ...............................................................51 2.3.6. ASPECTOS ENERGÉTICOS DE LA GASIFICACIÓN POR PLASMA ......................................53

3. ESTADO DEL ARTE DE LAS OPCIONES TECNOLÓGICAS SELECCIONADAS ............. 55

3.1. TECNOLOGÍAS DE GASIFICACIÓN .......................................................................................... 55 3.1.1. THERMOSELECT JFE ...........................................................................................................................60 3.1.2. EBARA/ALSTOM ..................................................................................................................................64 3.1.3. NIPPON STEEL......................................................................................................................................68 3.1.4. COMPACT POWER .............................................................................................................................71 3.1.5. ENERGOS ...............................................................................................................................................73 3.1.6. FOSTER WHEELER ...............................................................................................................................75 3.1.7. TPS TERMISKA PROCESSER ............................................................................................................76 3.1.8. ENVIROTHERM – SVZ .......................................................................................................................78 3.1.9. ENERKEM - GARO ..............................................................................................................................80 3.1.10. ALBAIDA RECURSOS NATURALES Y MEDIOAMBIENTE, SA ..............................................82 3.1.11. LISTADO DE REFERENCIAS DE GASIFICACIÓN .......................................................................84

3.2. TECNOLOGÍAS DE PIRÓLISIS ................................................................................................. 89 3.2.1. MITSUI R-21 BABCOCK ....................................................................................................................90 3.2.2. THIDE .......................................................................................................................................................93 3.2.3. WASTEGEN ............................................................................................................................................96 3.2.4. CONRAD INDUSTRIES ......................................................................................................................98 3.2.5. DYNAMOTIVE .......................................................................................................................................99 3.2.6. LISTADO DE REFERENCIAS DE PIRÓLISIS ............................................................................... 101



3.3. TECNOLOGÍAS DE GASIFICACIÓN POR PLASMA ..................................................................... 102 3.3.1. HITACHI METALS ............................................................................................................................. 105 3.3.2. EUROPLASMA ................................................................................................................................... 107 3.3.3. PLASCO/HERA ................................................................................................................................... 109 3.3.4. SOLENA GROUP ............................................................................................................................... 112 3.3.5. STARTECH ENVIRONMENTAL .................................................................................................... 115 3.3.6. INTEGRATED ENVIRONMENTAL TECHNOLOGIES ............................................................. 116 3.3.7. LISTADO DE REFERENCIAS DE GASIFICACIÓN POR PLASMA ....................................... 118

4. EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS EMERGENTES ....................................................... 121

5. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 127

6. APLICACIÓN DE LA NORMATIVA DE INCINERACIÓN A LAS TECNOLOGÍAS TÉRMICAS EMERGENTES ............................................................................................ 132

7. ANÁLISIS DE LA FÓRMULA DE EFICIENCIA R1 ......................................................... 137

8. PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS A PARTIR DE RESIDUOS URBANOS MEDIANTE PROCESOS NO TÉRMICOS ...................................................................... 142

8.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 142 8.2. PROCESOS QUÍMICOS DE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS ..................................... 142

8.2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 142 8.2.2. LA PRODUCCIÓN DE DIESEL SINTÉTICO: EL PROCESO DE GRIÑÓ ECOLOGIC ...... 143

8.3. PROCESOS BIOLÓGICOS DE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS .................................. 147 8.3.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 147 8.3.2. EL PROCESO ‘WASTE TO BIOFUELS’ ........................................................................................ 148 8.3.3. EL PROCESO DE IMECAL ............................................................................................................... 151

8.4. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 153

9. TRATAMIENTOS PREVIOS A LOS PROCESOS QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS DE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES ............................................................................. 155

9.1. PROCESOS DE HIGIENIZACIÓN ............................................................................................ 155 9.1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ..................................................................................................... 156 9.1.2. PRODUCTOS DEL PROCESO DE HIGIENIZACIÓN ............................................................... 157 9.1.3. PROCESO DE HIGIENIZACIÓN DE AMBIENSYS ................................................................... 159 9.1.4. PROCESO DE HIGIENIZACIÓN DE ECOHISPANICA ............................................................ 160 9.1.5. CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 162

9.2. FABRICACIÓN DE CSR ....................................................................................................... 163 9.2.1. PRODUCCIÓN DE CSR ................................................................................................................... 164 9.2.2. PRODUCCIÓN DE CSR A PARTIR DE RESIDUOS URBANOS ........................................... 166 9.2.3. PREPARACIÓN DE CSR POR TRATAMIENTO BIOLÓGICO Y MECÁNICO (BIOSECADO) ..................................................................................................................................... 167 9.2.4. PREPARACIÓN DE CSR POR TRATAMIENTO MECÁNICO DE LOS RECHAZOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LA FRACCIÓN RESTO ................................................... 169 9.2.5. CSR PROCEDENTES DE OTROS RESIDUOS URBANOS ..................................................... 170

10. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 172



1. INTRODUCCIÓN

En este estudio, se realizarán los siguientes trabajos:

1º. Descripción de las tecnologías emergentes. Para los diferentes opciones tecnológicas (gasificación, pirólisis, plasma,…) se realizará una definición y una descripción básica de cada una de ellas. A continuación se resaltarán aquellos aspectos ambientales significativos y los relativos a la recuperación de energía. Se describirán un conjunto de ejemplos de cada opción señalando el grado de implantación en el campo del tratamiento de los residuos urbanos.

2º. Se evaluará el estado del arte de las opciones tecnológicas seleccionadas y se pondrán de manifiesto las fortalezas y debilidades de cada una de ellas. Se analizarán con mayor grado de detalle, aquellos procesos más representativos o que conciten mayor interés por su actualidad o por sus resultados ambientales y energéticos.

3º. Aplicación de la normativa legal a los nuevos procesos de valorización energética.

4º. Análisis de la fórmula de eficiencia en la Ley 22/2011. Se realizará un análisis de los conceptos y parámetros de la fórmula. Se señalarán los factores más importantes que influyen en la fórmula y se realizará un análisis simplificado para las plantas españolas.

En este documento se entiende por tecnologías emergentes aquellas diferentes de las convencionales en forma de incineración con recuperación eficiente de la energía y cuya implantación industrial/comercial no cuenta con un número significativo de referencias en los países de nuestro entorno, Unión Europea, aunque sí es posible que existan algunas referencias en otros lugares. Se refieren, básicamente, a la pirólisis y la gasificación (incluyendo las antorchas de plasma).

Por su propia esencia, una tecnología emergente está poco probada y tiene escasas referencias a escala industrial/comercial tratando el mismo tipo de residuos. En consecuencia, suele ser muy complicado estudiar con detalle las referencias de plantas análogas, en operación, con residuos similares a los que se desea valorizar. Este estudio es algo fundamental en el mundo de los residuos y la base para la garantía de la prestación de un servicio público.

Lo restrictivo del requerimiento anterior obliga a fundamentar el análisis de las nuevas tecnologías en la comparación y, en su caso, la mejora de las condiciones de funcionamiento y los rendimientos de las instalaciones convencionales. Esto debería referirse, básicamente, a su fiabilidad, emisión de contaminantes, consumo de recursos, y generación de residuos en el proceso.

La evaluación del estado de desarrollo de cada nueva tecnología de valorización energética debe fundamentarse, a título meramente enunciativo, en una serie de puntos clave. En efecto, la evaluación de un proceso que tenga como objeto la valorización energética de cualquier



fracción contenida en los residuos urbanos o de éstos como un todo-uno debe comprender como mínimo:

- Las experiencias. Ya sea a nivel de laboratorio o a nivel piloto industrial, cualquier tecnología aplicable a los residuos urbanos debe basarse en alguna prueba con este tipo de residuos. Es imposible modelar, mediante medios informáticos, un tratamiento de residuo urbano dada su heterogeneidad en forma, tamaño y otras propiedades físicas y químicas.

- Las características y condiciones de los residuos a tratar. No todas las tecnologías son aplicables a todos los tipos de residuos o a la mezcla de ellos. En muchos casos, los residuos deben ser preparados para sustraer aquellos elementos nocivos para el sistema. Esto sucede tanto en las tecnologías de mercado como en las tecnologías emergentes, por eso es imprescindible contestar a esta cuestión.

- Las características de los productos, subproductos y residuos generados. Conocer las propiedades físicas y químicas, así como el comportamiento de estos elementos frente a los agentes atmosféricos es necesario para conocer el destino final: utilización como sustitutivo de otro material, reciclaje como materia prima para un proceso de manufactura o, en el peor de los casos, la eliminación mediante depósito en vertedero, sea del tipo que fuere.

- Los balances de masas, agua y energía. Estos balances son imprescindibles para conocer las cantidades que puede tratar el sistema en cuestión, los contaminantes que se emiten, así como las cantidades de productos y subproductos y su posible destino. Estos balances deben reflejar los consumos de materias primas y recursos escasos como el agua o la energía, fundamentales en el mundo actual, y necesarios para realizar un análisis de ciclo de vida del tratamiento.

- Las condiciones geográficas e impacto visual. Si mediante los balances de masas y las características de las salidas del proceso se conocen la afección al aire, el agua o la tierra, no hay que olvidar otro aspecto del impacto ambiental: la afección al medio circundante. Para abordar este tema, se deben conocer las principales características de una instalación modelo, planos, secciones, cargas,…

- La vida útil de las instalaciones. Aunque no es un parámetro definitorio, es necesario conocer la perdurabilidad de las instalaciones y la necesidad de reposición de las mismas ya que este aspecto también debe contar a la hora de realizar un análisis de ciclo de vida del sistema.

Los tratamientos térmicos se han venido empleando durante mucho tiempo en la gestión de una gran variedad de residuos, tanto peligrosos como no peligrosos.

En un principio, el objetivo de estos tratamientos fue la reducción del volumen y peligrosidad de los residuos tratados, con limitaciones cada vez más exigentes en las emisiones de contaminantes. Estos tratamientos eran la alternativa principal a la eliminación en vertedero. La



recuperación de energía era considerada un objetivo complementario. Sin embargo, este aspecto ha pasado a ser primordial a la hora de la toma de decisiones sobre el tipo de tratamiento a dar a los residuos. Hay que tener en cuenta la jerarquía establecida en la Directiva 98/2008/CE, marco de residuos donde se prioriza la valorización frente a la eliminación. Para ser considerada como valorización las instalaciones de incineración han de cumplir con la fórmula de la eficiencia energética que aparece en el Anexo II.

Existen tres tipos de tratamientos térmicos, diferenciados por las condiciones técnicas en las que se realizan y, también, por las características de los productos finales de cada tratamiento. Cada uno de ellos puede tener un campo de aplicación preferente y conducir a resultados ambientales y económicos, que pueden ser muy dependientes de las características de los residuos tratados.

Los tipos de tratamientos térmicos emergentes considerados son la pirólisis, la gasificación y el plasma:

1. La pirólisis se puede definir como la descomposición térmica de un material en ausencia de oxígeno o cualquier otro reactante. Esta descomposición se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas y de procesos de transferencia de materia y calor.

A partir de la pirólisis pueden obtenerse diferentes productos secundarios útiles en función de la tecnología de tratamiento que se utilice, carbón vegetal, aceite pirolítico o un gas de síntesis.

Existen diferentes tipos de pirólisis en función de las condiciones físicas en las que se realice. La carbonización es quizá el proceso de pirólisis conocido desde hace más tiempo y el que más importancia tiene industrialmente para la producción de carbón vegetal.

Como tecnología de valorización energética de un sólido, en teoría, el mejor tratamiento posible sería la pirólisis ya que se podrían obtener productos líquidos, fácilmente transportables, con una amplia gama de aplicaciones y con pocos residuos de proceso pero, en la práctica, no hay experiencias comerciales que empleen la pirólisis de residuos urbanos como combustible que hayan tenido éxito debido fundamentalmente a la heterogeneidad del residuo urbano.

2. La gasificación consiste en una oxidación parcial del combustible de tal manera que se genera un gas de bajo poder calorífico, habitualmente llamado gas de síntesis o syngas, compuesto principalmente por monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), metano e hidrocarburos ligeros.

Para que se produzca la gasificación, además de controlar el contenido en oxígeno dentro del horno, se puede hacer mediante el aporte de calor externo, tecnología de



plasma u horno de inducción por ejemplo, o sin él, tecnología de lecho fluidizado o de parrilla.

Una vez generado el gas de síntesis, las aplicaciones del mismo son múltiples desde su utilización como combustible en motores de gas o en celdas de combustible a la generación de metanol o gasóleos / Fischer-Tropsch, aunque todas ellas están condicionadas a la limpieza del propio gas y la eliminación de los alquitranes que, en dicho proceso de gasificación y posterior enfriamiento del syngas, se producen.

En el caso de la gasificación, la cual se podría denominar como la segunda alternativa desde el punto de vista medioambiental y de eficiencia, existen variadas experiencias, sobre todo en Japón. Estas han sido exitosas en aquellos casos en las que se ha realizado una combustión posterior del syngas. La limpieza del syngas para su introducción en un generador aún presenta algunos inconvenientes.

3. En lo relativo al plasma, la tecnología se basa en la utilización de antorchas, a través de una corriente eléctrica de gran voltaje, ionizan el aire y generan altas temperaturas creando una atmósfera de “plasma”. Se trata de una gasificación en cualquier caso que busca lo mismo que el resto. Las experiencias europeas de este tipo de tecnología se reducen a empresas como Air Products, que tienen en proyecto alguna instalación de gasificación en Reino Unido o como Plasco que posee una planta piloto en Ottawa, Canadá (mercado muy parecido al europeo).

En resumen, la tecnología de gasificación de residuos urbanos, como alternativa a la combustión directa de estos residuos, cuya finalidad sea la generación de un syngas limpio, no existe en estos momentos. Las instalaciones que utilizan la gasificación de residuos urbanos para valorizar energéticamente éstos a nivel industrial son aquellas que, seguidamente a la generación del syngas, realizan una combustión del mismo para producir calor y vapor de agua.

Otro aspecto destacable del estudio anterior, es la baja capacidad de esta tecnología. Tal como se puede observar en las tablas anteriores, para llegar a capacidades de 200.000 t anuales (600 t diarias), se necesitan, al menos 3 líneas de proceso.

Analizando geográficamente, la implantación de esta tecnología está muy extendida en Japón, ya que la tecnología aplicada parte de industrias japonesas dedicadas, en sus inicios, a la siderurgia. En el caso de Europa, las instalaciones de gasificación de residuos urbanos no son muchas: 9 plantas construidas en total, de las que solo 7 permanecen en operación, todas ellas de la empresa Ener-G. Al igual que sucede con las plantas situadas en Japón, la capacidad instalada tampoco es grande, la línea de mayor tamaño puede procesar 10 t/h y, además, el syngas es oxidado en una cámara posterior al gasificador.



Finalmente, los redactores del estudio consideraron la posibilidad de incluir un cuarto tipo de tecnologías emergentes, considerando la producción de biocombustibles de segunda generación a partir de diversos procesos químicos y biológicos. Sin embargo, las diferentes tecnologías estudiadas se referían esencialmente a los tratamientos monomateriales. Sólo algunos incluyen la incorporación de pequeños porcentajes de residuo urbano, que en muchas ocasiones parece más un reclamo publicitario que un elemento diferencial de carácter industrial. Por ello, se ha entendido que dichas tecnologías quedan fuera del alcance del objetivo de este trabajo y no se han considerado.

Igualmente, existen diversas tecnologías que fundamentalmente se ocupan de la preparación del residuo urbano para su ulterior tratamiento a través de los procesos de pirólisis o gasificación tratados en esta parte. Por ello, tampoco se han considerado en este análisis.



2. DESCRIPCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS TÉRMICAS EMERGENTES

2.1. Gasificación

La gasificación consiste en una oxidación parcial de las substancias orgánicas del residuo de tal manera que se genera un gas de bajo poder calorífico. Esta transformación se produce al someter al residuo a una temperatura elevada, en general superior a 800 ºC, en una atmósfera con oxígeno en menor cantidad que el requerido para una combustión completa, con o sin la presencia de otros agentes que favorecen la gasificación, como el vapor de agua.

Es un proceso de tratamiento intermedio entre la combustión con oxidación completa (incineración), y la ausencia significativa de combustión (pirólisis). En este proceso, la reacción de combustión se realiza sólo en la extensión necesaria para satisfacer las necesidades térmicas del proceso, ya que las reacciones de transformación de residuos en gases combustibles son endotérmicas.

Durante el proceso de gasificación tienen lugar, de forma simultánea, varias etapas de transformación, de los residuos dependiendo de la temperatura y del contenido de oxígeno en cada zona del reactor:

- Mientras la temperatura es suficientemente baja, por debajo de 500 ºC, se produce el secado de la humedad y la evaporación de los compuestos volátiles de los residuos, que son parcialmente oxidados, contribuyendo a la aportación necesaria de calor.

- En las zonas de temperaturas intermedias se producen, a la vez, reacciones pirolíticas, oxidaciones parciales de los compuestos gaseosos formados y reacciones de reformado de los gases producidos. La presencia de vapor de agua, como agente gasificador, permite la gasificación de las fracciones carbonizadas, reduciendo o eliminando la presencia de residuos carbonosos en las escorias generando gas de agua.

Además de las reacciones de cracking molecular (típicas de todos los procesos térmicos), y de oxidación parcial o total (propias de los procesos de incineración con recuperación eficiente de la energía), en la gasificación se producen otras reacciones características, que no ocurren, en extensiones significativas, en los procesos pirolíticos ni en la incineración: son reacciones en fase heterogénea entre el carbón y los agentes gasificantes (vapor de agua), que favorece la gasificación, a temperaturas elevadas, del carbono presente en los residuos. Esta utilización de vapor de agua u otros agentes gasificantes es uno de los elementos diferenciadores del proceso de gasificación.

Para que se produzca la gasificación, además de controlar el contenido en oxígeno dentro del reactor (si aumenta este porcentaje se puede llegar a condiciones estequiométricas y se produciría la combustión), se ha de controlar la temperatura que se puede hacer mediante



aporte de calor externo (como sucede en la tecnología de plasma), o aprovechando la energía de las reacciones exotérmicas que se producen en el proceso (gasificación autotérmica).

Figura 2.1. Diagrama proceso de gasificación con valorización energética

REACTORES GASIFICACION

RESIDUO

ESCORIAS

DEPURACIONDE GASES

GAS DE SINTESIS

VERTIDOS

VALORIZACIONENERGETICA

ENERGIA

GASES DE COMBUSTION

TRANSFORMACION APROVECHAMIENTOENERGETICO

Una instalación de gasificación consta de varias etapas claramente diferenciadas:

- Una etapa de transformación de los residuos en gas combustible mediante reacción de combustión parcial y de reformado, que tienen lugar en los reactores de gasificación, cuyo diseño es muy específico para cada tecnología y tipo de residuo.

- Una etapa de depuración de los gases de reacción, para la eliminación de la mayor parte de las impurezas (alquitranes, polvo, metales volátiles, etc.), que hacen muy difícil o imposible su uso posterior de los mismos, hasta la obtención del gas de síntesis, que es un producto limpio.

- La etapa final es de aprovechamiento del gas de síntesis, vía energética o como materia prima para otros usos.

Los potenciales productos del proceso gasificación serían:

- Un gas, compuesto por monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono y, en menor proporción, metano y otros hidrocarburos. Además, estarán presentes, como inertes, el nitrógeno y el vapor de agua. La cantidad, composición y poder calorífico de los gases producidos dependerá de la composición de los residuos, de la temperatura y de las cantidades de aire y vapor utilizadas. El PCI típico está en torno a 6.500 KJ/Nm3, que es del orden del 25% del PCI del gas natural, que es el combustible gaseoso de referencia.

- Un residuo sólido que contiene los componentes inertes presentes en el residuo alimentado y algunas fracciones carbonosas que no se hayan gasificado. Las



características de este residuo secundario son algo distintas a las de las escorias de horno de las plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía y su potencial aprovechamiento es una de las posibles ventajas de esta forma de tratamiento.

- Una corriente de efluentes líquidos (y de residuos sólidos), procedentes del sistema de depuración de gas crudo, que está muy condicionado por las condiciones de operación y del tipo de residuo procesado.

El gas producido tiene que ser sometido a operaciones de limpieza/depuración, para que pueda ser utilizado de varias maneras:

- Como materias primas para la producción de determinados compuestos orgánicos (p. ej. síntesis directa de metanol, amoníaco, etc.), o para su transformación en hidrógeno mediante procesos de reformado.

- Como combustibles sustitutivos de gas natural en los procesos de producción de energía eléctrica mediante ciclos térmicos distintos a los de vapor de agua, ya sean ciclos combinados o simples, en turbinas de gas o motores de combustión interna.

- Como combustibles en calderas tradicionales o en hornos, en sustitución de gas oil, fuel oil o de otros combustibles.

El aprovechamiento del gas depurado está condicionado a la calidad del mismo, que depende de los residuos que se utilizan, de la limpieza del gas y, de la eliminación de los alquitranes que se producen en el proceso de limpieza. En este proceso de limpieza del gas se producen dos tipos de residuos, un residuo sólido de carácter inerte constituido por las partículas inertes ligeras arrastradas por el gas y los alquitranes que debido a la heterogeneidad de los residuos tratados tienen una composición inclasificable y contendrías los elementos contaminantes presentes en los residuos.

El uso del gas, tanto en turbinas de gas como en motores de combustión interna conduce, al menos teóricamente, a un mejor rendimiento de transformación en energía eléctrica comparado con los ciclos térmicos habituales en los que interviene el vapor de agua y es uno de los objetivos principales de los procesos de gasificación y uso del gas de síntesis.

Figura 2.2. Diagrama proceso de gasificación con combustión directa del gas de síntesis

Para evitar la producción de los alquitranes del proceso de limpieza del gas, se puede oxidar (quemar), el gas inmediatamente después de ser producido en una cámara de combustión con

REACTOR DE GASIFICACION

RESIDUO

ESCORIAS

DEPURACION DE GASES

CENIZAS


ENERGIA

VERTIDOS

GASES DE COMBUSTIO

COMBUSTION DE GAS CRUDO

AIRE



adición del oxígeno necesario. Posteriormente se recuperaría el calor de los gases mediante un ciclo de vapor convencional y se procedería a la depuración de los gases.

Esta forma de operación, combustión del gas crudo, sin depurar, sería análoga al de combustión directa de los residuos (incineración), aunque realizada en dos etapas. Esta forma de trabajar podría tener ciertas ventajas, teóricas, respecto a la incineración con recuperación eficiente de la energía convencional, correlacionadas con las capacidades de tratamiento de las plantas y con los rendimientos energéticos esperables.

2.1.1. EL PROCESO DE GASIFICACIÓN

La etapa característica de este proceso es la transformación del residuo en gas crudo. En la gasificación autotérmica tiene lugar en reactores de gasificación, en los que el residuo es calentado hasta las temperaturas de transformación por la misma energía térmica procedente de la oxidación, parcial o total, de parte del residuo alimentado.

La transformación de los residuos en gases combustibles se produce al someterlos a una temperatura elevada en una atmósfera con menos oxígeno del necesario para alcanzar una combustión completa. Esto se realiza en presencia o no de agentes gasificantes, como el vapor de agua, oxígeno, aire, etc.

El proceso es complejo, por una parte se produce una oxidación de compuestos orgánicos, pero al no haber una cantidad suficiente de oxígeno se produce también una pirólisis. El control de las reacciones se complica debido a la heterogeneidad que presentan los residuos que intervienen en las reacciones.

Las reacciones químicas de los procesos de gasificación son de dos tipos:

- Cracking molecular, debidas exclusivamente a la temperatura, que hace que se rompan los enlaces moleculares más débiles, originando moléculas de menor tamaño y generalmente hidrocarburos volátiles.

- Reformado de los gases producidos, estas reacciones son específicas de los procesos de gasificación y en ellas suele intervenir el vapor de agua como reactivo.

Aunque pueden existir un gran número de reacciones químicas, especialmente reacciones secundarias, las más significativas en el proceso son:

C6H10O5 + 2 O2 2 CO2 + 4 CO H2O +4 H2

CH2 + O2 CO + H2O

C + O2 CO2

C + ½ O2 CO

C + H2O CO + H2



CO + H2O H2 + CO2

CO + ½ O2 CO2

Excepto las reacciones de combustión total o parcial, el resto de las reacciones del proceso de gasificación son reacciones endotérmicas, que requerirán la aportación externa de energía para desarrollarse. Por otra parte, como la temperatura para que se produzcan las reacciones es alta (del orden de 700 - 900ºC), será necesario aportar también calor para aumentar la temperatura de los compuestos presentes (residuos, aire y vapor de agua), hasta alcanzar la temperatura de reacción.

En el conjunto de reacciones anteriores intervienen, prácticamente, los mismos componentes en todas ellas. Por tanto, el grado de extensión de cada una de las reacciones viene determinado por las concentraciones de los compuestos (especialmente del O2 y del H2O que son los componentes controlables externamente) y de las constantes de equilibrio de las reacciones, que dependen fundamentalmente de la temperatura de reacción.

En la figura siguiente se representa el equilibrio entre distintos productos gaseosos en función de la temperatura, sin tener en cuenta la presencia de inertes.

Figura 2.3. Equilibrio productos gaseosos en proceso de gasificación

A medida que aumenta la temperatura también aumenta la calidad combustible del gas resultante (más rico en CO + H2), aunque los valores representados en la gráfica sólo tienen valor comparativo, ya que dependen de los residuos de partida y, especialmente, de las diferentes formas de presentación del carbono combinado, que determinan su facilidad de oxidación.

La temperatura tiene también influencia en otros parámetros de operación: una mayor temperatura conduce una disminución de la producción de alquitranes en el proceso y a una mayor conversión del carbono, con un menor contenido de material carbonoso en las escorias

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

600 800 1000 1200 1400

Fra

cció

n m

ola

r

Temperatura (ºC)

C

HC

H

C



del reactor. Sin embargo, el PCI del gas disminuye (por la mayor presencia de compuestos ligeros, con mayor proporción molecular H/C).

El control de la temperatura de reacción es extraordinariamente importante, porque orienta los resultados de las reacciones; también determina las necesidades de energía térmica que debe ser aportada por la combustión del carbono. Debe tenerse en cuenta que, en la práctica, la temperatura es muy variable a lo largo de los reactores de gasificación, por lo que la composición de salida del gas puede ser el resultado de una gran multitud de estados de equilibrio y, en consecuencia, es poco predeterminable teóricamente.

En las reacciones anteriores debe resaltarse la presencia del vapor de agua (como agente gasificante), en algunas de ellas [reacciones directas con carbón a alta temperatura para producción de gas de agua y reacciones con CO para incrementar la producción de H2 (CO - shift)]. La presencia de agentes gasificantes es una característica de los procesos de gasificación que no ocurre, en la misma escala, en los procesos de combustión (incineración) o pirólisis.

La aportación de agua suele realizarse en forma de vapor recalentado, siempre que pueda generarse fácilmente en la instalación, especialmente a partir de energía residual. La vaporización y recalentamiento del vapor hasta la temperatura de reacción suponen un aumento de las necesidades energéticas y una reducción del rendimiento de transformación del carbono en gas de síntesis. En la estimación de las necesidades de agua hay que tener en cuenta que los residuos alimentados pueden aportar una cantidad importante de humedad.

Los productos deseados en el proceso de gasificación son el CO y el H2. El CO2 representa una pérdida, inevitable, del proceso de transformación pero que aporta la mayor parte del calor necesario para el calentamiento de los compuestos presentes (residuos, aire y vapor de agua), hasta la temperatura de transformación y para que las reacciones de descomposición y gasificación tengan lugar, ya que la mayor parte de las reacciones de producción de compuestos energéticos gaseosos son endotérmicas.

Junto a los gases señalados se producen también alquitranes que se condensan al reducir la temperatura y que se deben a componentes parcialmente gasificados. Estos alquitranes representan pérdidas de carbono y, también, suponen una dificultad muy importante para la valorización del gas de síntesis como producto, por lo que deben ser separados previamente a la utilización del gas.

Al ser la gasificación una combinación compleja de reacciones, se ve influenciada por gran número de parámetros, muchos de los cuales dependen del tipo de tecnología elegida y están determinados. Sin embargo, otros parámetros dependen de la alimentación. Los residuos urbanos se caracterizan por su heterogeneidad y variación en cuanto a composición lo que implica que conseguir un gas de síntesis de una calidad determinada y estable sea difícil.



2.1.2. TIPOS DE REACTORES DE GASIFICACIÓN

La tecnología de los reactores de gasificación aplicados a los residuos tiene un paralelismo directo con los hornos de incineración. La diferencia entre ambos procesos está en que en la gasificación el problema tecnológico a resolver es la forma de aportación controlada y uniforme de la energía térmica necesaria para la transformación, mientras que en los hornos de incineración con recuperación eficiente de la energía el problema principal es la eliminación del calor generado por la combustión.

Gran parte de las reacciones que tienen lugar en el proceso de gasificación son endotérmicas. Solo las reacciones de combustión, parcial o total, aportan la energía térmica necesaria para el proceso. Además, como las reacciones tienen lugar a temperaturas elevadas, es necesario el calentamiento de la masa de residuos desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de reacción. Por todo ello, se precisa la aportación de una cantidad importante de energía al proceso y esta energía debe proporcionarse de forma controlada en áreas muy localizadas de la masa de reacción.

Esta aportación puede realizarse de varias formas:

- Principalmente por calentamiento interno, producido por la combustión (oxidación) parcial de los residuos alimentados.

- Por calentamiento indirecto, a través de la pared del reactor o por medios eléctricos más o menos convencionales.

- Por calentamiento directo desde una fuente energética externa, que puede realizarse de varias formas:

Calentando una masa inerte que se introduce permanentemente en el reactor, realizando una recirculación (arena en un lecho fluidizado circulante).

Calentando la masa de residuos antes de su introducción en el reactor de gasificación.

Calentando la masa de aire que se introduce en el reactor hasta temperaturas muy elevadas. El caso más representativo es la utilización de una antorcha de plasma.

El primer método, de calentamiento interno, es el más utilizado en los procesos de gasificación autotérmica. La forma en la que se produce la aportación energética condiciona los distintos tipos de reactores utilizados.

La buena práctica de la gasificación exige una regulación cuidadosa del grado de combustión producido. La combustión debe ser, en cada zona del reactor, la necesaria para aportar la energía térmica requerida para el proceso y garantizar que el grado de transformación del carbono en gas de síntesis sea el óptimo para garantizar la economía del proceso y que el contenido residual de carbono en las escorias sea mínimo.



La clasificación de los reactores de gasificación se realiza en función de la forma de contacto entre los residuos y la fase gaseosa (aire y gas de síntesis), para facilitar el intercambio de materia y de energía.

Existen tres tipos fundamentales de reactores de gasificación, aunque cada uno de ellos puede tener distintas variantes:

- Gasificadores de parrillas

- Gasificadores de lecho fijo, de flujo ascendente o de flujo descendente

- Gasificadores de lecho fluidizado, burbujeante, circulante o de flujo arrastrado

Se describen a continuación los distintos tipos de gasificadores que, con distintas variantes, representan las tecnologías de mayor posibilidad de aplicación para el tratamiento de los residuos urbanos.

Gasificadores de parrilla

En estos reactores el residuo se deposita sobre una parrilla, generalmente con carga vertical, mientras que por la parte inferior de la misma se introduce el aire necesario para la gasificación. Los gases producidos en la combustión inicial sobre la parrilla ascienden a través de la masa de residuos provocando su calentamiento y las reacciones de combustión, cracking molecular y gasificación.

Figura 2.4. Gasificador de parrilla

Este tipo de reactores tienen una alta conversión del carbono en gas de síntesis, con una baja proporción de carbono orgánico total (COT), en las escorias, un bajo arrastre de cenizas en el gas de síntesis y una fácil construcción. El tiempo de permanencia de los sólidos sobre la parrilla se regula directamente controlando la alimentación de residuos. El control de la entrada de aire



y de residuos se controla de forma separada, lo que aporta una gran flexibilidad y capacidad de ajuste de las condiciones de operación.

Los gasificadores de carga horizontal son conocidos también como incineradoras de aire restringido o controlado, o por incineradoras pirolíticas.

Sus componentes principales son:

- Una cámara de combustión primaria, provista de parrillas fijas, en la que se produce la vaporización de los compuestos volátiles y la gasificación de los residuos mediante una combustión parcial.

- Una cámara de combustión secundaria, en donde se quema el gas procedente de la cámara de combustión primaria con un exceso de oxígeno, en las condiciones equivalentes a una combustión total.

El movimiento del residuo a lo largo de la parrilla se produce, como en las plantas de incineración, mediante transporte mecánico, por empujadores o por el propio movimiento de las parrillas.

El resultado combinado de ambas etapas es una incineración convencional, con la diferencia, muy importante en determinadas aplicaciones, de que la menor cantidad de aire introducida en la cámara primaria reduce los arrastres de partículas, simplificando los procesos de depuración de gases.

Este tipo de instalaciones, muy sencillas, tienen una aplicación muy limitada en la valorización de residuos, tanto por su reducida capacidad como por las dificultades de establecer un control adecuado de la operación.

Generalmente trabajan en el rango inferior de las temperaturas de gasificación, lo que conlleva un menor rendimiento en la transformación (mayor contenido en COT en las escorias), pero un menor arrastre de partículas en el gas.

Como se ha indicado, la fase de gasificación va seguida, generalmente, con una etapa de combustión el gas crudo antes de la depuración.

Gasificadores de lecho fijo

Estos reactores tienen forma de cilindro vertical, y están provistos de una parrilla en la parte inferior, que sirve de soporte al lecho.

Por la circulación el flujo de aire y gases pueden ser clasificados como de flujo en contracorriente (up draft) o de flujo paralelo (down draft)

– Gasificadores de flujo en contracorriente (up draft)



En estos gasificadores de flujo en contracorriente el aire se introduce en el reactor bajo la parrilla, en las proximidades de ésta se produce la combustión en la extensión necesaria para satisfacer las necesidades térmicas del proceso y para reducir el contenido de carbono orgánico total (COT), en las escorias.

El residuo se introduce por la parte superior del reactor y va descendiendo lentamente a medida que se produce la pérdida de masa sólida en la parte inferior del mismo. Las cenizas se extraen por la parte inferior mediante una grada rotatoria u otro dispositivo similar.

La corriente gaseosa, aire de gasificación y gas crudo, se mueve en dirección ascendente, en contracorriente respecto al movimiento del residuo.

En el interior del lecho se producen las reacciones de gasificación y pirólisis mientras que en la parte superior del mismo predominan la evaporación de volátiles y el secado humedad presente en los residuos.

El gas abandona el lecho a una temperatura reducida (300 ºC – 400 ºC), con lo que se favorece la presencia de alquitranes parcialmente pirolizados, polvo y de otros componentes líquidos, que dificultan la utilización posterior del gas.

El calor se transmite desde la parte inferior hacia las capas superiores principalmente por convección, debido a la propia temperatura de los gases ascendentes.

Las escorias salen el horno a temperatura reducida, enfriadas por el aire de gasificación lo que aumenta el rendimiento térmico.

Figura 2.5. Gasificadores up draft y down-draft

Estos gasificadores son de construcción y operación relativamente sencilla, sin grandes exigencias respecto al tamaño de partícula de los residuos, aceptando contenidos importantes de humedad en los mismos.



La principal desventaja es la mayor formación de alquitranes, arrastrados desde la parte superior del lecho de residuos, junto con la totalidad de la humedad presente en los residuos. Esto supone que una parte importante de la energía de los residuos no estará disponible en forma de gas crudo, sino en forma de alquitrán, originando una menor cantidad de gas crudo, que requiere un tratamiento más difícil, salvo que se dedique a combustión inmediata.

– Gasificadores de flujo en paralelo, (down-draft)

En estos gasificadores el aire se introduce en la parte superior del lecho o en la parte intermedia del mismo, el residuo se alimenta en la parte superior del mismo.

A diferencia del reactor de flujo en contracorriente, en éste el calor se transmite desde la parte inferior hacia las capas superiores principalmente por conducción y radiación a través de la masa de residuos, produciéndose la estratificación de la temperatura interna y dando lugar a que, en cada estrato puedan desarrollarse reacciones diferentes, desde el secado en la parte superior hasta la pirólisis a medida que se aumenta la temperatura.

El gas formado en las capas superiores es forzado a atravesar la zona de mayor temperatura, favoreciéndose las reacciones de cracking de los alquitranes y de otros compuestos orgánicos.

En la parte inferior se produce la combustión parcial de los residuos, lo que provoca el desarrollo de calor necesario para la gasificación.

El gas de síntesis abandona el reactor a una temperatura bastante elevada, superior a 700 - 800 ºC, lo que supone una pérdida energética, porque este calor sensible generalmente no se recupera.

También las escorias abandonan la parrilla a temperatura elevada (la misma que el gas crudo). Debido a la presencia de gases combustibles en la parte inferior del lecho, es fácil poder llegar a la fusión de las mismas, lo que debe ser considerado como un riesgo adicional, especialmente si en los residuos hay materiales inertes alcalinos, porque puede dar lugar a la sinterización del lecho.

El mecanismo de transmisión de calor obliga a tiempos de residencia de sólidos muy elevados, que obliga a equipos de mayores dimensiones o a mantener capacidades reducidas y a un tamaño de partícula muy uniforme, para evitar pasos preferenciales en el lecho, que podrían permitir la llegada de aire a la zona de temperaturas muy elevadas, favoreciendo la combustión y reduciendo la conversión en gas crudo.

Una ventaja muy importante es la menor cantidad de alquitranes y el reducido arrastre de cenizas desde el reactor, lo que hace que la depuración posterior sea más fácil, pero exige que el contenido de humedad de los residuos sea reducido.

Gasificadores de lecho fluidizado



El tipo de gasificador más extendido ara los residuos urbanos, o sus fracciones, es el de lecho fluidizado burbujeante, que tienen un diseño muy similar a los hornos de incineración de residuos con recuperación eficiente de la energía de lecho fluidizado. Sin embargo, desde el punto de vista de proceso y de transferencia de materia y energía los procesos son diferentes, especialmente porque las condiciones de operación son distintas.

Consta de un cilindro vertical de acero forrado de un material refractario y un lecho de material inerte constituido por partículas de arena situado sobre una parrilla de distribución de aire.

El gas de fluidización (aire), se distribuye a través de unas toberas situadas en la parte inferior del reactor por debajo del lecho de arena. Los residuos se alimentan en uno o en varios puntos del reactor, por encima de la arena, constituyendo un lecho fluidizado que se mantiene dentro del reactor.

Una vez expandido el lecho e iniciada la reacción de gasificación se mantiene la temperatura entre 500 y 700 ºC en la parte superior del lecho, mediante la regulación del aire de entrada.

A medida que aumenta la distancia respecto a la parrilla se produce una disminución de la temperatura de los gases, ya que se produce un intercambio térmico entre los gases calientes procedentes de la parte inferior del horno (donde tiene lugar la combustión del carbono), y la masa de residuos alimentados. En la parte superior del gasificador tienen lugar los fenómenos de evaporación de la humedad, evaporación de los componentes volátiles de los residuos y, a temperaturas más elevadas, las reacciones típicas de gasificación ya señaladas.

El gas crudo obtenido en el proceso contiene cantidades importantes de alquitrán, partículas de residuos no transformados y cenizas de combustión. Estas cantidades de impurezas son muy variables, dependiendo del tipo de residuos y de la propia tecnología del gasificador.

Figura 2.6. Gasificadores de lecho fluidizado, burbujeante y circulante



Aunque la operación en este tipo de gasificador es más compleja que en un lecho fijo, presenta ventajas respecto a los hornos de lecho fijo:

- Mayor flexibilidad con respecto al residuo, puesto que acepta residuos con un alto contenido en cenizas.

- Buen control de la temperatura del lecho y alta velocidad de reacción.

- Alta conversión de carbono, especialmente en metano, por la alta temperatura homogénea del lecho, aunque las pérdidas de carbono en las escorias pueden ser elevadas.

Existen diferentes tipos de gasificadores de lecho fluidizado, en función de la expansión del lecho de arena:

- De lecho burbujeante, en los que la expansión de lecho de arena es muy pequeña. El aspecto del lecho es semejante al de un líquido en ebullición, esto se consigue con cantidades reducidas de aire de fluidificación y permite una buena gasificación con aportaciones reducidas de aire. La velocidad media del aire en la sección trasversal del lecho está en torno a 1,5 m/s.

- De lecho circulante, en el que la velocidad del gas es considerablemente mayor, superior a 5 m/s, esta mayor velocidad produce una expansión completa del lecho de arena, que se extiende a la totalidad del reactor e incluso es arrastrado fuera del mismo.

- De lecho estacionario, con velocidades de paso intermedias, en los que se consigue una expansión razonable del lecho pero sin llegar a producir arrastres significativos del lecho.

Como para obtener calidades semejantes de gas de síntesis la cantidad de aire por unidad de masa de residuo sólo depende del tipo de residuo y no del tipo de lecho, cuanto mayor sea la velocidad de paso del gas menor será el diámetro del gasificador, aunque las velocidades altas incrementan la pérdida de carga y, en consecuencia, la energía consumida para la fluidificación es mayor.

Una parte importante de las cenizas son arrastradas con la corriente de gas de síntesis fuera del reactor y separadas en ciclones. En el caso de los lechos circulantes, en los mismos ciclones se separa también la arena arrastrada que, tras su clasificación, se retorna al lecho.

Las cenizas son periódicamente extraídas del lecho junto con parte del lecho de arena, que es parcialmente sustituido o reutilizado en el gasificador.

Las escorias son periódicamente extraídas del lecho junto con parte del lecho de arena, que es parcialmente sustituido o reutilizado en el gasificador.

Estas escorias, de las que se produce la recuperación material, se separan de la arena por clasificación mediante cribas, retornando la arena al lecho.



Cada uno de los tipos de lecho tiene aplicaciones específicas y ventajas para distintos tipos de residuos, dependiendo de las características químicas de los mismos. En general, los lechos burbujeantes son preferidos para residuos urbanos porque, aunque requieren una alimentación mucho más homogénea, son más flexibles a los cambios de residuos o de capacidad de tratamiento.

Esta flexibilidad respecto a las características de los residuos es debida a que una vez en el lecho, los residuos permanecen en el mismo durante tiempos variables, hasta que alcanzan las condiciones para que sean arrastrados fuera del lecho como cenizas volantes. En todo caso, estos gasificadores se adaptan mucho mejor a combustibles derivados de residuos, CDR o CSR, que a residuos no clasificados.

El gas obtenido suele tener un contenido en partículas más elevado que los de parrillas (especialmente en los gasificadores de lecho circulante), que exigen un tratamiento previo a su valorización (ciclones). El contenido en alquitranes es moderado, correspondiente a temperaturas bastantes más elevadas que los lechos de flujo en contracorriente.

Uno de los problemas de los lechos fluidizados, especialmente los burbujeantes, es la presencia de residuos con bajo punto de fusión (con metales alcalinos), o con partículas muy pesadas, que pueden sinterizar el lecho de arena.

2.1.3. RESIDUOS ADECUADOS PARA GASIFICACIÓN

En el caso de los residuos urbanos que se destinan a gasificación, estos han de tratarse previamente. Normalmente están constituidos por los rechazos del tratamiento de la fracción resto, de tratamientos de otras fracciones o son combustible derivado de residuos (CDR). Los pretratamientos habituales son los mecánico – biológicos o los biológico – mecánicos. Por otra parte, dependiendo de las características del residuo a tratar, puede ser necesario establecer algunas etapas adicionales, como la separación de voluminosos y de metales y trituración, antes del tratamiento de gasificación.

También debe eliminarse, en la mayor extensión posible, la fracción inerte compuesta por materiales de construcción, vidrio, etc.

Teniendo en cuenta las reacciones que intervienen en la gasificación, no todos los residuos son buenos candidatos para la gasificación:

- Es fundamental que los residuos tengan una cantidad importante de carbono orgánico gasificable, de forma que las reacciones de gasificación indicadas puedan producirse en una extensión suficiente, reduciendo la posibilidad de reacciones secundarias que conducen a la formación de productos condensados (polimerizados), que son más refractarios al tratamiento.



- El exceso de humedad o una proporción importante de inertes implican pérdidas energéticas significativas, aumentando la demanda energética, disminuyendo el rendimiento de la gasificación y aumentando la producción de alquitranes.

- La presencia de sustancias peligrosas en los residuos puede tener influencia muy importante en la gestión del gas de síntesis. Esta presencia obliga a un tratamiento más intenso y complicado de depuración del gas producido para su utilización.

- El estado físico de los residuos alimentados también tiene una gran importancia porque un tamaño de partícula reducido favorece los mecanismos de transferencia de materia y de calor y reduce la cantidad de carbono residual en las escorias.

La forma más habitual de definir la idoneidad de un residuo para la gasificación es mediante el PCI, por encima de 10 - 15 MJ/kg los rendimientos energéticos pueden ser aceptables, mientras que para valores inferiores la viabilidad es discutible, aunque esta viabilidad está muy ligada a la forma de valorización del gas de síntesis.

Los requisitos de PCI mínimo no son iguales para todos los procesos de gasificación, y depende del tipo de reactor, por ejemplo, los reactores de parrillas tienen velocidades de reacción más baja por lo que deben utilizarse residuos con mayor PCI que en el caso de los reactores de lecho fluidizado.

En la tabla se indican algunas alimentaciones típicas de gasificadores de parrillas, utilizando como referencia alimentaciones carbón y de madera usada, que fueron las primeras aplicaciones de este tipo de procesos, junto a los combustibles tradicionales se han incluido los neumáticos usados y dos residuos preparados a partir de fracciones de residuos urbanos: un CDR obtenido por tratamiento mecánico y secado posterior y un CSR (Profire) preparado para este tipo de gasificador con un contenido reducido de inertes.

Tabla 2.1. Características de diferentes alimentaciones a gasificación

Carbón Madera Neumáticos RDF Profire

Carbono (% w/w) 78,00 43,40 64,20 40,00 63,30

Hidrógeno (% w/w) 4,61 4,77 10,62 5,69 8,90

Oxígeno (% w/w) 4,12 30,88 5,63 29,25 20,95

Nitrógeno (% w/w) 1,14 0,23 0,76 0,79 0,30

Azufre (% w/w) 0,45 0,10 1,50 0,22 0,09

Cloro (% w/w) 0,08 0,02 0,79 0,75 0,52

Cenizas (% w/w) 9,60 1,50 14,10 17,30 6,00

Humedad (% w/w) 2,00 19,10 2,20 6,00 2,90

PCI (MJ/kg) 31,40 15,40 34,00 15,90 26,70

Los procesos de gasificación, especialmente en lecho fluidizado, son más flexibles en relación con los tipos de residuos alimentados. Como no se produce la combustión completa pueden



procesar residuos con menor PCI que las instalaciones de incineración directa, aunque esta posibilidad está íntimamente relacionada con los distintos procesos.

En general, las instalaciones de gasificación no realizan un pretratamiento de los residuos para aumentar su PCI antes de la gasificación. Las plantas procesan los residuos procedentes de otras instalaciones de tratamiento de residuos urbanos o bien CSR o CDR. Como se ve más adelante, algunas las plantas de gasificación tratan residuos de origen urbano junto con biomasa u otra serie de residuos de origen industrial, como los procedentes de desguaces de vehículos.

2.1.4. GAS CRUDO Y GAS DE SÍNTESIS

El producto fundamental de la del proceso de gasificación de los residuos es el gas crudo que está compuesto básicamente por monóxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono y, en mucha menor proporción, metano y otros hidrocarburos.

Este gas crudo contiene cantidades variables de compuestos que, al enfriarse, se transforman en líquidos. Por otra parte, dependiendo de los tipos de reactores, el gas crudo contiene cantidades variables de alquitranes y partículas sólidas arrastradas desde el reactor.

La calidad del gas crudo varía, fundamentalmente, en función de las características del residuo alimentado al reactor de gasificación, del agente gasificador (aire u oxígeno puro), y el tipo de reactor.

En la tabla se indican las cantidades y calidades de gas crudo obtenidas a partir de diferentes tipos de residuos constituidos por mezclas variables de carbón, biomasa y plásticos.

Tabla 2.2. Características de gas crudo a partir de distintas alimentaciones

Tipo de residuo

80% carbón

10% biomasa

10% plástico

60% carbón

40% biomasa

0% plástico

60% carbón

0% biomasa

40% plástico

60% carbón

20% biomasa

20% plástico

Composición gas (% v/v)

H2 CO CO2

CH4

15,50 13,00 19,00

2,50

12,50 19,00 16,00

3,75

11,50 12,50 14,50

2,50

14,50 13,00 14,00

2,00

Producción gas (Nm3/kg) 3,50 3,00 3,10 3,20

PCI gas crudo (MJ/Nm3) 4,70 7,50 8,40 6,00

Energía gas (MJ/kg res) 16,0 20,5 22,5 17,5

Como se ha señalado, los diferentes tipos de gasificador dan lugar a distintos tipos de gas crudo; en la tabla 2.3 se indican algunas composiciones típicas para cada gasificador.



Tabla 2.3. Características de gas crudo de distintos tipos de gasificadores

Composición gas crudo, (% v/v) PCI Calidad gas

H2 CO CO2 CH4 N2 MJ/Nm3 Alq. Polvo

Lecho fluidizado, con aire 9 14 20 7 50 5,4 A M

Lecho fijo aire ascendente 11 24 9 3 53 5,5 M B

Lecho fijo aire descendente 17 21 13 1 48 5,7 B A

Lecho fijo oxigeno descend. 32 48 15 2 3 10,4 B B

Lecho fluidizado oxigeno 31 48 0 21 0 17,4 A M

A: Calidad aceptable B: Buena calidad M: Calidad inadecuada

El gas de síntesis

El gas crudo producido en los reactores de gasificación puede quemarse directamente en las mismas instalaciones y valorizarse en un ciclo convencional de vapor (lo que supondría una incineración en dos etapas), o ser depurado para la obtención de gas de síntesis.

Esta etapa de depuración es imprescindible para la posterior utilización del gas, tanto desde el punto de vista ambiental como desde el punto de vista técnico, ya que el gas crudo no puede ser usado directamente en ciclos térmicos de alto rendimiento.

Esta etapa de depuración, conceptualmente, es semejante a la de depuración de gases de combustión en las plantas de incineración cuando ésta tiene lugar por vía húmeda, ya que es necesaria la eliminación de los alquitranes y ésta no puede realizarse por vía seca. La depuración está constituida por una secuencia de tratamientos de desempolvado para eliminación de partículas, lavado para eliminación de gases ácidos, (H2S y HCl principalmente), eliminación de metales pesados volatilizados y finalmente una etapa de eliminación de compuestos orgánicos (entre los que podrían encontrarse dioxinas y sus precursores).

A pesar de la similitud con los procesos de depuración de las plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía hay algunas diferencias con aquellos que conviene resaltar:

- Aunque el gas crudo tiene una temperatura relativamente elevada, (600 – 800 ºC), no se produce un aprovechamiento del calor sensible del gas crudo a la salida del reactor de gasificación. El gas se somete a un enfriamiento rápido por contacto directo con agua, lo que supone una pérdida energética.

- El sistema de depuración no incluye una reducción de óxidos de nitrógeno porque la formación importante de óxidos de nitrógeno tiene lugar en la fase de aprovechamiento del gas de síntesis, en la combustión del mismo en motores o en turbinas de gas. Por lo anterior, no tendría mucho sentido anticipar el tratamiento si posteriormente debe completarse hasta los valores de emisión establecidos.

- El gas crudo está constituido por componentes con carácter reductor, son combustibles, tóxicos (por la presencia de CO y H2S) y pueden formar mezclas explosivas en contacto



con aire en proporciones muy amplias Por ello, el diseño podrá exigir materiales especiales (por la presencia de H2), y debe tener en cuenta las características señaladas.

Como se ha indicado, deben descartarse los sistemas de depuración secos y semisecos por la presencia de alquitranes, utilizándose sistemas por vía húmeda, que combinan la fase de enfriamiento del gas crudo con la mejor eficacia de depuración.

Aunque las etapas de depuración son semejantes a las de las de los gases de combustión, los procesos de depuración del gas crudo para transformarlo en un gas de síntesis no están tan desarrollados por lo que es más difícil garantizar la calidad de este último como producto. Siendo esta falta de desarrollo uno de los problemas para la valorización del gas de síntesis en otras instalaciones diferentes a las de tratamiento de residuos.

Debe tenerse en cuenta que la depuración del gas crudo está motivada, exclusivamente, por su utilización posterior. Las especificaciones de limpieza del gas crudo y su aceptación como gas de síntesis están relacionadas exclusivamente con el uso posterior del mismo, ya sea como materia prima o como combustible en motores o turbinas de gas. En estos casos, sería conveniente que los niveles de depuración sean tales que el gas de síntesis depurado pudiera ser equivalente en contaminantes al gas natural.

Teniendo en cuenta que en las etapas posteriores de aprovechamiento del gas de síntesis no se producen aportaciones ni reducción de contaminantes distintos de NOx, CO y CO2, es evidente que en la etapa de depuración previa debería incidirse especialmente en aquellos contaminantes que posteriormente permanecen inalterados.

En este sentido pueden establecerse limitaciones en el contenido en Cl, F, S, dioxinas, metales pesados, etc. porque la combustión en los motores o turbinas no afectará a su emisión a la atmósfera.

2.1.5. RESIDUOS DE LA GASIFICACIÓN

El proceso de gasificación destinado a la producción de gas de síntesis, genera dos tipos de residuos sólidos:

- Las escorias extraídas del reactor de gasificación, que contienen los componentes inertes presentes en el residuo alimentado y la fracción carbonosa que no se haya transformado en el reactor.

- Residuos procedentes del sistema de depuración del gas crudo

Generalmente se considera que las escorias de gasificación tienen mejor calidad que las del proceso de incineración con recuperación eficiente de la energía, en el sentido de permitir un mejor aprovechamiento de los materiales contenidos en ellas, porque no han sido sometidas a procesos de oxidación intensa. Esta impresión no necesariamente se cumple en todos los casos, pues depende del proceso de gasificación seguido.



En numerosos procesos de gasificación se presenta la posibilidad de reutilizar las escorias como una ventaja adicional. En realidad los usos no son muy diferentes de las escorias de los hornos de incineración.

En ocasiones se presentan estas escorias en forma de material vitrificado, en forma granular, del que es posible separar fácilmente los materiales metálicos. Este material vitrificado tiene características químicas muy estables (frente a la lixiviación), que permiten su utilización como material inerte. Debe señalarse que la etapa de vitrificación de escorias no es una característica de la gasificación. La conveniencia de esta operación puede ser discutible, incluso desde un punto de vista ambiental, ya que las mejoras ambientales obtenidas por la misma pueden no compensar el incremento de energía consumida. La vitrificación está extensamente aplicada en las plantas japonesas debido a las exigencias en materia de vertido y reciclaje del país, de hecho, en Japón, existen procesos de vitrificación de escorias adaptados a plantas de incineración.

Otros residuos importantes son los procedentes de la depuración de gas crudo para transformarlo en gas de síntesis. Suelen contener cantidades importantes de metales pesados volatilizados en el gasificador y posteriormente retenidos, compuestos orgánicos retenidos en carbón activo, etc. En general, pueden ser considerados como residuos peligrosos, lo que obligará a tratamientos específicos.

La forma de tratamiento de los mismos es bastante similar a los procedentes de otros tratamientos térmicos, orientados a la inertización o a la inmovilización de los contaminantes para su depósito en vertederos de residuos peligrosos. En algunos casos estarían indicados los tratamientos vía vitrificación, pero quizá como un tratamiento complementario más que como una prolongación del tratamiento de gasificación.

Finalmente, debe considerarse la existencia de corrientes de efluentes procedentes de los sistemas de depuración del gas crudo, aunque algunas instalaciones pueden ser diseñadas como de efluente cero.

2.1.6. ASPECTOS ENERGÉTICOS Y AMBIENTALES DE LA GASIFICACIÓN

Valorización energética en la gasificación

Una de las justificaciones principales de estos procesos es la posibilidad de realizar, en teoría, valorizaciones energéticas con mejor rendimiento que los ciclos de vapor convencionales, mediante la combustión del gas de síntesis en motores o turbinas de gas o en ciclos combinados de gas y vapor, debido al mejor rendimiento de los ciclos energéticos de gas.

Sin embargo, este mejor rendimiento teórico puede encontrarse con bastantes dificultades de materialización, que deben ser consideradas en la evaluación de los diferentes procesos:

- En primer lugar, la calidad del gas de síntesis es muy dependiente del tipo de residuos utilizados. La falta de homogeneidad de los residuos, especialmente de los residuos



urbanos, afectará al rendimiento energético. No existen referencias de pretratamiento para la gasificación aunque sí la utilización preferencial de algunos tipos de residuos muy seleccionados.

- Los altos rendimientos característicos de los ciclos de gas se basan en la utilización de gas natural, con un PCI muy elevado (38,000 kJ/Nm3) y para instalaciones de gran potencia. La utilización de un gas de síntesis con PCI entre 6,000 y 12,000 kJ/Nm3 reducirá considerablemente el rendimiento. Cualquier consideración de estos procesos y de su rendimiento energético debe pasar por un estudio específico de las turbinas o motores de gas, basado en al gas de síntesis real

- Otro aspecto importante es el tipo de gasificador empleado. Los gasificadores que trabajan a altas temperatura, para evitar la formación de cantidades importantes de alquitranes, incurren en pérdidas energéticas importantes, al no aprovechar el calor sensible del gas crudo antes del enfriamiento en la depuración.

Aunque sea posible teóricamente establecer ciclos de recuperación energética más eficientes que los ciclos de vapor característicos de las plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía, en la práctica deben tenerse en cuenta otros factores, como la necesidad de depuración del gas crudo, que no está lo suficientemente desarrollada y la falta de experiencia en la aplicación de estos esquemas de aprovechamiento, que han demostrado ser considerablemente más complicados que los tratamientos de gases de combustión de las plantas de incineración.

Por ello, es difícil encontrar datos reales y contrastados de eficiencias energéticas, tanto para los procesos de gasificación, porque las escasas plantas en funcionamiento no aportan esta información Por otra parte, las diferencias entre los diferentes procesos pueden ser muy importantes, por lo que el análisis debe hacerse caso a caso, teniendo en cuenta la experiencia previa de la tecnología y los tipos de residuos.

La mayor parte de los procesos analizados que obtienen gas de síntesis indican la posibilidad de utilizar este gas depurado en ciclos combinados, utilizando el gas en una turbina y aprovechando el calor de escape para generar vapor. Con este esquema y basándose en modelos matemáticos se establecen los rendimientos teóricos esperados. Sin embargo, hasta la fecha no existen aplicaciones de mediana potencia de estos ciclos combinados que trabajen con gas de síntesis, por lo que esta falta de experiencia debería llevar a la prudencia en la evaluación de modelos teóricos o escasamente contrastados en la práctica.

Los altos rendimientos energéticos de ciclos combinados de gas natural y vapor que se obtienen en turbinas de vapor de gran potencia, no son extrapolables a las instalaciones con gas de síntesis, de potencias muy inferiores.

En líneas generales, las eficiencias de transformación de los residuos en energía son inferiores en las plantas de gasificación que en las de incineración con recuperación eficiente de la



energía, porque una parte del PCI de los residuos se pierde en carbono no transformado, en las escorias o en los alquitranes, sin contar las etapas de pretratamiento.

A la energía eléctrica generada debe descontarse el autoconsumo de la instalación1, incluyendo el pretratamiento de los residuos, el secado, etc., esto reducirá la exportación neta de energía de forma considerable.

Estos rendimientos pueden modificarse mediante aprovechamientos energéticos complementarios (enfriando el gas crudo en una caldera o recuperando parte de la energía degradada por el motor de gas), pero estos aprovechamientos sólo tienen sentido económico cuando el factor de escala es suficientemente favorable, que no suele ser el caso de la mayor parte de las instalaciones actuales de gasificación con producción de gas de síntesis.

Al no haber instalaciones de referencia no se puede establecer una comparación real de los rendimientos entre estos ciclos combinados y los de vapor convencional de una instalación de incineración con recuperación eficiente de la energía.

Una forma de aumentar los rendimientos consistiría realizar la combustión del gas de síntesis en calderas de vapor de centrales térmicas convencionales, que tienen rendimientos energéticos muy elevados, con ciclos de vapor con recalentamientos intermedios.

Este esquema se utiliza en algunos procesos, especialmente de biomasa, porque en estos casos es posible (por normativa), quemar el gas crudo, sin realizar ningún tratamiento, aprovechando así la casi totalidad de la energía primaria de los residuos, ahora distribuida en energía química (en función de la composición del gas de síntesis) y en calor sensible (en función de la temperatura), pero este no es el caso para los residuos urbanos.

Por lo anterior y considerando la seguridad de funcionamiento, la mayor parte de las instalaciones de gasificación responden al esquema de plantas combinadas, quemando directamente el gas crudo, sin depuración realizando el aprovechamiento en un ciclo simple de vapor y tratando posteriormente los gases de combustión como en una incineradora convencional.

Otro aspecto a tener en cuenta es el tamaño de las instalaciones de gasificación, generalmente de capacidad reducida. El factor de escala es muy importante en los procesos térmicos por lo que la capacidad reducida es un factor negativo en relación con el rendimiento.

1 Este autoconsumo puede estimarse en un 12 - 15 % de la energía eléctrica generada, pero varía de forma

considerablemente de un proceso a otro, por lo que las estimaciones deben ser comprobadas caso a caso; p. ej., si se realiza una gasificación con oxígeno debería incluirse el consumo energético para producción del oxígeno necesario; cuanto más pequeña sea la instalación menos favorable será el factor de escala y mayor será el porcentaje de autoconsumo.



Aspectos ambientales de la gasificación

La mayor parte de los tecnólogos de gasificación donde se quema el gas en una cámara de combustión (prácticamente la totalidad de las plantas existentes), indican que cumplen los límites de emisión establecidos para instalaciones de incineración de residuos establecidos por el RD 815/2013, por el que se aprueba el Reglamento de emisiones industriales2. Estas instalaciones son legalmente equiparables a las de incineración con recuperación eficiente de la energía con algunas características particulares. La tecnología para alcanzar los límites de emisión está suficientemente definida y se refiere a la depuración de los gases quemados, que es independiente del proceso de gasificación.

En las instalaciones destinadas a producción de gas de síntesis y su posterior combustión en máquinas térmicas, los límites de emisión vendrán dados por el funcionamiento de estos motores o turbinas, que es donde se producen las emisiones a la atmósfera. Los parámetros a observar en el gas de síntesis, podrían ser diferentes en función del uso posterior del gas. Estos parámetros habrían de tener en cuenta el uso posterior del gas y ser los adecuados para que la normativa del sector utilizador del gas de síntesis se pueda cumplir.

Otro aspecto importante son los límites de emisión de los sistemas de depuración de gas crudo. La necesidad de usar tratamientos por vía húmeda dará lugar a la presencia de efluentes líquidos sujetos también a la norma de emisiones industriales referida a instalaciones de incineración.

La falta de experiencia en el funcionamiento de estas instalaciones, especialmente en la depuración del gas crudo y de estabilidad de la composición del gas de síntesis puede tener también consecuencias adversas. Los límites de emisión de las máquinas térmicas que utilicen el gas de síntesis pueden ser, en algún parámetro, dificultades para cumplir la normativa del sector.

En este sentido, hay pocas informaciones respecto a los límites de emisión de CO que podrían ser aplicables, porque la generación de CO en un proceso de combustión de gas natural (en un motor o en una caldera), es completamente distinta de la combustión de un gas de síntesis con un alto contenido en CO.

El resto de los parámetros no parecen ofrecer especiales dificultades, asumiendo que se alcancen los valores de calidad adecuados en el gas de síntesis, que deben ser determinados de acuerdo con la mejor tecnología disponible.

2 Directiva 2010/75/UE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 24 de noviembre, sobre las emisiones industriales (prevención y control integrados de la contaminación). En España, la transposición de esta Directiva se ha llevado a cabo en dos fases: la Ley 5/2013, de 11 de junio, por la que se modifican la Ley de prevención y control integrados de la contaminación y la Ley de Residuos y Suelos Contaminados, llevó a cabo una incorporación parcial de la Directiva mediante la modificación de la Ley 16/2012, de Prevención y Control Integrados de la Contaminación, y remitió a una norma reglamentaria posterior su desarrollo y la transposición de las disposiciones de carácter técnico. Esta norma posterior es el Real Decreto 815/2013, de 18 de octubre, por el que se aprueba el Reglamento de emisiones industriales y de desarrollo de la Ley 16/2002, de 1 de julio, de prevención y control integrados de la contaminación.



2.2. Pirólisis

Se puede definir la pirólisis como la descomposición térmica de las sustancias orgánicas de los residuos en ausencia de oxígeno, o de cantidades suficientemente pequeñas3 como para que no se produzca combustión oxidante. Este tratamiento se realiza a una temperatura relativamente baja, normalmente comprendida entre 250 y 700 ºC, mediante la aportación externa de calor, ya que las reacciones que tienen lugar son endotérmicas.

La pirólisis de productos ha sido utilizada desde hace tiempo, la carbonización para la producción de carbón vegetal es quizá el proceso de pirólisis que más importancia tiene industrialmente.

Como consecuencia de la aportación térmica en ausencia de oxígeno se produce la rotura de las estructuras moleculares de algunos compuestos orgánicos obteniéndose otras moléculas más sencillas, que generalmente no responden a los mayores grados de oxidación posibles.

Figura 2.7. Diagrama proceso de pirólisis con valorización energética

ACEITES

REACTOR DE PIROLISIS

RESIDUO DEPURACIONDE GASES

ENERGIA

VERTIDOS

GASES DE COMBUSTION

INCINERACIONDE GAS CRUDO


CARBON

Como en todos los tratamientos térmicos, la forma de cracking molecular no está completamente predeterminada sino que todos los enlaces químicos de cualquier estructura molecular orgánica son susceptibles de ser rotos por efecto de la temperatura, aunque la probabilidad no sea la misma para todos ellos. En general, cuanto más enérgicas son las condiciones de tratamiento, más homogéneos (y de mayor sencillez molecular) son los productos obtenidos, esto significa que los productos de reacción de pirólisis son bastante más heterogéneos que los obtenidos en otros tratamientos.

Sin embargo, al ser menor la temperatura de operación que en otros tratamientos, como la gasificación, la volatilización de compuestos será también menor, especialmente de metales

3 Generalmente, el oxígeno contenido en los propios residuos, en forma de aire o formando parte de la propia

estructura molecular. En definitiva, no existe aportación externa de oxígeno



pesados y compuestos orgánicos precursores de dioxinas (es evidente que estos compuestos quedarán en las fracciones sólidas no gasificadas en el tratamiento).

En general, como se indica en el esquema simplificado, este tratamiento da lugar a tres tipos de productos:

- Una corriente gaseosa, constituida por los componentes más volátiles separados por evaporación o destilación y por las moléculas de menor tamaño procedentes del cracking térmico de los componentes más complejos. En estos gases predominan los hidrocarburos de bajo peso molecular y los compuestos orgánicos volátiles presentes en los residuos, junto con el vapor de agua procedente de la humedad de los mismos.

- Una fracción líquida, que corresponde a mezclas de compuestos de mayor peso molecular procedentes del cracking térmico y que, aunque en la etapa inicial del tratamiento se han separado como vapores, condensan a temperatura ambiente. Son los aceites pirolíticos (o alquitranes), y pueden estar constituidos por una gama muy elevada de compuestos orgánicos en la que predominan los hidrocarburos C5 a C9 y los compuestos orgánicos volátiles que se han evaporado en el horno sin modificación de su estructura molecular.

- Una fracción sólida, formada por los compuestos inorgánicos que no sufren descomposición térmica y por los orgánicos más resistentes al tratamiento térmico, dependiendo de los residuos de partida, se tratará de una fracción más o menos carbonizada, conteniendo, además, los materiales metálicos y los inertes. Esta fracción es diferente a las escorias obtenidas en los procesos de incineración con recuperación eficiente de la energía, porque su contenido en materia orgánica es considerablemente más elevado, con presencia de compuestos condensados térmicamente y que no estaban presentes en los residuos originales.

La proporción de cada una de las fracciones obtenidas, y su composición aproximada, dependen tanto de las características del residuo inicial como de las condiciones de operación. Cuanto más severo es el tratamiento (temperaturas elevadas), mayor es la proporción de gases y de hidrocarburos ligeros, correspondiendo a una mayor extensión de las reacciones de cracking térmico. Esta temperatura más elevada favorece también la mayor generación de alquitranes, pero las relaciones entre cada una de las corrientes producidas son muy específicas del tipo de residuos, de la temperatura de operación y de la forma en la que se produzca el tratamiento.

El uso de las fracciones obtenidas depende, fundamentalmente, de sus características. En general, pueden considerarse los siguientes usos principales:

- La fracción gaseosa, gas crudo producido en el reactor de pirólisis, suele utilizarse como combustible en cámaras de combustión dentro de la propia instalación de tratamiento, para aportar el calor necesario para el proceso, el exceso de energía térmica puede valorizarse en ciclos de vapor convencionales. Salvo casos muy específicos, no



compensa la depuración de esta fracción gaseosa para su transformación en gas de síntesis que pueda ser valorizado externamente.

- La fracción líquida es una mezcla de diferentes compuestos orgánicos, con predominio de hidrocarburos C5 a C9. La característica fundamental es su poder calorífico, que permite su uso como combustible en algunos procesos industriales.

- La fracción sólida, que dependiendo del residuo alimentado, puede constituir el producto principal, puede utilizarse para usos muy diversos, ya sea como combustible o como materia prima para algunas aplicaciones concretas o para recuperación de los materiales presentes en la misma. Debe hacerse notar que, en general, será una mezcla compleja, que exigirá tratamientos complementarios antes de su valorización o de su eliminación como subproducto del tratamiento.

Como tecnología de valorización energética de un residuo, la pirólisis sería, en teoría, el mejor tratamiento ya que, potencialmente, se pueden obtener productos líquidos y sólidos, fácilmente transportables, con una amplia gama de aplicaciones y con pocos residuos de proceso. Pero en la práctica, no hay experiencias comerciales de pirólisis de residuos urbanos que obtengan esta variedad de productos y que hayan tenido éxito, esto es debido, fundamentalmente, a la dificultad que supone la heterogeneidad de los residuos urbanos.

En la aplicación en plantas de tratamiento de residuos, la pirólisis forma parte, como etapa, del proceso de gasificación; esto sucede en varias de las tecnologías desarrolladas.

2.2.1. EL PROCESO DE PIRÓLISIS

La pirólisis consiste en la descomposición térmica de las sustancias orgánicas de los residuos en ausencia de oxígeno (aire), o con la presencia de cantidades suficientemente pequeñas de oxígeno (las aportadas por los propios residuos), como para que no se produzcan combustiones en extensiones significativas.

La mayor parte de las sustancias orgánicas son térmicamente inestables y cuando se someten a calentamientos a temperaturas lo suficientemente elevadas en atmósferas inertes se descomponen merced a la combinación de reacciones de cracking térmico y condensaciones de las fracciones moleculares dando, como resultado, la formación de gases combustibles, líquidos y restos carbonosos.

Junto con estas fracciones procedentes de roturas moleculares se produce también la separación de compuestos volátiles presentes en los residuos, por evaporación o por destilación de los mismos.

En general, los procesos de la pirólisis se desarrollan entre los 250 ºC y 700 ºC, aunque en la mayor parte de los procesos la temperatura de operación está cercana a los 500 ºC. Sin embargo, en determinadas circunstancias, los procesos pirolíticos pueden continuar produciéndose a temperaturas superiores a los 700 ºC.



Las reacciones típicas del proceso de pirólisis son:

C6H10O5 + Calor 2 C + 3 CO + CO2 + 5 H2

CH2 + Calor C + H2

Todas las transformaciones de descomposición térmica señaladas tienen carácter endotérmico, por lo que es necesaria para su desarrollo la aplicación externa de calor.

El proceso de pirólisis de los residuos se desarrolla de acuerdo con las siguientes etapas:

- En una primera etapa, a medida que se va suministrando calor a los residuos y éstos incrementan su temperatura hasta casi 250 ºC, tiene lugar el secado y la evaporación de los compuestos volátiles del residuo, que se transforman en las primeras fracciones de gas crudo. La corriente de gases generados se mueve a través de los residuos, dando lugar al calentamiento general de los mismos, extendiendo progresivamente la evaporación de los compuestos volátiles.

- El proceso anterior de transferencia de calor provoca condensación de parte de los compuestos volátiles evaporados, que pueden dar lugar a reacciones secundarias formando alquitranes, que dan lugar a nuevas reacciones de pirólisis diferentes de las que tienen lugar a partir de los residuos tratados.

- En alguna extensión se produce la combustión parcial de los compuestos volátiles, por la presencia de aire en los propios residuos.

- En el rango de temperatura entre 250 ºC y 500 ºC se produce la principal etapa de la pirólisis, rotura molecular, que suele ir acompañada de una intensa producción de hidrocarburos ligeros (C1 a C4), junto con otros compuestos, como ácidos clorhídrico, sulfhídrico, cianhídrico y otros compuestos oxigenados y nitrogenados.

- Por encima de los 600 ºC, se favorece la producción de compuestos aromáticos pesados (benceno, tolueno, antraceno, etc.), que constituyen la parte más importante de los aceites pirolíticos, especialmente cuando se tratan residuos con contenidos elevados de celulosa (maderas usadas).

- Los materiales no transformados o los que se han producido por reacciones secundarias de carbonización permanecen en forma de sólidos (carbones pirolíticos).

En general, en los procesos pirolíticos coexisten una gran cantidad de reacciones químicas de descomposición térmica, de reformado en presencia de vapor de agua, de conversión de gas y de recombinación y condensaciones moleculares. Esta multitud de reacciones, que es habitual en todos los tratamientos térmicos, está favorecida por la heterogeneidad de los materiales presentes.

Los resultados finales del tratamiento están muy relacionados con la temperatura de la reacción, con la composición de los residuos, con el tiempo de residencia de los residuos y productos de reacción a alta temperatura y con la velocidad de aportación de calor.



Los gases salen del reactor y se condensan parcialmente, produciendo la fase líquida (aceites pirolíticos), mientras que los incondensables constituyen la fase gaseosa que se destina a la calefacción del propio proceso pirolítico, mediante la incineración de la misma en una cámara de combustión. Tras realizar la calefacción del proceso, los gases quemados pueden destinarse a recuperación energética, ya que la temperatura de salida de la cámara del horno es aún suficientemente elevada.

En la mayor parte de las instalaciones de pirólisis de residuos no se obtienen aceites sino que el gas crudo se quema a la temperatura de salida del horno, evitando pérdidas de calor en la condensación, que además es un proceso complicado por la gran diversidad de compuestos orgánicos presentes.

Figura 2.8. Esquema general de planta de pirólisis

Aire

HORNO PIROLITICOROTATIVO

Aceitespiroliticos

Gas

Gas nat

Gases quemados a valorización y depuración

QUEMADORde GAS

Carbón de pirólisisMetales e inertes

Foso de residuos

Grúa

Tolva

CONDENSADORDE GAS CRUDO

Gas crudo

Gas de calefacción (1200 ºC)

2.2.2. PARÁMETROS DEL PROCESO DE PIRÓLISIS

Los parámetros de operación del proceso de pirólisis determinan los productos que se forman. Los principales parámetro son los siguientes:

- Velocidad de calentamiento. En general cuando el calentamiento del residuo se realiza lentamente se favorece una elevada proporción de fracción sólida, mientras que cuando se realiza de manera rápida (flash), se favorece el aumento en las proporciones de fracciones volátiles (líquidos y gases). El calentamiento rápido provoca que el tiempo de residencia de los alquitranes a temperaturas intermedias sea bajo. Se producen reacciones de craqueo a elevada temperatura que favorecen la formación de gases.



- Tamaño de partícula. Tiene influencia sobre la velocidad de calentamiento, para partículas de tamaño grande la velocidad de transmisión de calor disminuye y se forman perfiles de temperatura. Si la velocidad de calentamiento es elevada, se favorece la formación de líquidos en el interior de las partículas. Cuanto más pequeña sea la partícula, mejor será la transferencia de calor y por tanto se formará mayor proporción de gases.

- Tiempo de residencia del gas y de las partículas. Un tiempo de residencia elevado de una fracción para unas condiciones determinadas permite favorecer las reacciones que se produzcan en ellas.

- Temperatura. Las temperaturas elevadas favorecen las reacciones de craqueo (en especial si el calentamiento es rápido y el tiempo de permanencia elevado) y gasificación (reacción del residuo carbonoso con vapor de agua de la humedad) que favorecen la producción de gas in situ (CO, H2 y otros gases). La temperatura también influye en la composición de las fracciones. De esta manera, las relaciones Hidrógeno/Carbono y Oxígeno/Carbono en los alquitranes disminuyen con la temperatura, mientras que en la fracción sólida se produce un aumento en la proporción de Carbono a elevadas temperaturas, lo que le proporciona un mayor poder calorífico.

- Tipo de reactor. El diseño del reactor determina la transferencia de calor por conducción convección y radiación, y depende del tamaño de partícula disponible. En la pirólisis de fracción resto de los residuos urbanos siempre se suele utilizar un horno rotatorio.

- Características de los residuos. Cuanto mayor es el peso molecular mayor es el porcentaje de aceite, como corresponde a una mayor dificultad para romper la mayor parte de los enlaces.

Según el tipo de producto prioritario que se quiera obtener en el proceso de pirólisis habrá que aplicar unas condiciones de operación determinadas u otras.

2.2.3. TIPOS DE PROCESOS DE PIRÓLISIS

Los procesos pirolíticos pueden llevarse a cabo en distintos tipos de reactores, siendo los más utilizados los de hornos rotativos, y en menor extensión los de lecho fluidizado, de Tornillo de Arquímedes y eléctricos (pirolizador). Todos estos reactores, como en el caso de la gasificación, guardan similitud con los de incineración con recuperación eficiente de la energía.

Atendiendo a la velocidad de transmisión de calor y al tiempo de residencia del material a temperatura elevada, se diferencian tres tipos de pirólisis:

- Pirólisis lenta. El proceso tiene lugar de forma discontinua, a presión atmosférica, con una velocidad de calentamiento reducido (< 2 ºC/s), y una temperatura que no supera los 400 - 500 ºC, que se prolonga por un tiempo elevado, entre 5 minutos y varias horas. Es el proceso seguido para la obtención del carbón vegetal.



En el caso de pirólisis lenta, los vapores no escapan rápidamente del reactor, sino que permanecen durante tiempo en contacto con los sólidos, produciendo reacciones de condensación y dando lugar a productos más característicos y definidos. En este tipo de pirólisis la velocidad de aportación de calor es relativamente reducida.

- Pirólisis rápida. El proceso tiene lugar a presión reducida. Los productos volatilizados permanecen solamente unos segundos en el reactor, con lo que se evitan reacciones de condensación, también se denomina destilación seca, pues conduce a una mayor proporción de líquidos. Es la más utilizada en el tratamiento de biomasa. La temperatura suele ser elevada, para que se produzcan las reacciones con velocidad suficiente.

- Pirólisis “flash”. El tiempo de residencia de los gases en el reactor es inferior a 0,5 segundos y la transmisión de calor ocurre de forma extremadamente rápida. Se aplica en los casos en los que existe una gran proporción de compuestos volátiles y está orientada a la producción de gases combustibles o líquidos. Este tipo de pirólisis exige una potencia térmica elevada y el uso de procedimientos especiales de transmisión de calor.

Dependiendo de la temperatura de reacción se clasifican en:

- Procesos de baja temperatura. Operan a temperaturas por debajo de 550 ºC, produciendo principalmente alquitranes, aceites y un residuo carbonoso. A esta temperatura la extensión del cracking es reducida. Estos procesos suelen ser lentos y de funcionamiento discontinuo.

- Procesos de temperatura media. Trabajan a temperaturas comprendidas entre 550 ºC y 800 ºC, obteniéndose elevados rendimientos de gas.

- Procesos a muy alta temperatura. Operan a temperaturas superiores a 800 ºC y producen elevadas cantidades de gas de peso molecular reducido, debido al cracking de alquitranes. La fracción líquida es muy reducida y los productos fundamentales de la reacción son gases y residuos sólidos conteniendo carbono no pirolizable.

La combinación de temperaturas y tiempos de residencia en los diferentes procesos pirolíticos condiciona la naturaleza de los productos, como se señala en la tabla 2.4.

En la pirólisis, las temperaturas bajas dan lugar a procesos lentos, que utilizan el gas producido para consumo interno. Estos procesos suelen ser discontinuos y están orientados a la producción de coque o de residuos carbonosos.

En el caso de pirólisis de residuos urbanos, o de sus fracciones, cuando el producto que se quiere obtener es el carbón pirolítico, los procesos seguidos son de pirólisis lenta a temperatura moderada. En estas condiciones de reacción, la mayor parte de los contaminantes, como los metales pesados y los compuestos clorados quedan atrapados en la masa sólida, lo que permite la obtención de gases y aceites relativamente limpios. Sin embargo, el carbón pirolítico retendrá



la mayor parte de la contaminación y podrá condicionar su homologación como subproducto y su uso en plantas de valorización energética.

En la práctica, en las plantas de pirólisis y en las plantas donde se combinan la pirolisis y gasificación, los productos sólidos de la pirólisis se reciclan al proceso, para favorecer la producción de gases, o se destinan a plantas incineración con recuperación eficiente de la energía o coincineración, donde pueden ser aprovechados a temperaturas más altas.

Tabla 2.4. Tipos de procesos pirolíticos

TIEMPO DE RESIDENCIA

TRANSFERENCIA DE CALOR

TEMPERAT. (ºC)

PRINCIPALES PRODUCTOS

Carbonización horas-días Muy baja 300-500 Carbón/coque

Pirólisis convencional

horas Baja 400-600 coque, aceites

5-30 min. Media 700-900 coque, gas

Pirólisis a vacío 2-30 seg. Media 350-450 Aceites

Pirólisis flash

0,1-2 seg. Alta 400-650 aceites

< 1 seg. Alta 650-900 aceites, gas

< 1 seg. Muy alta >>1.000 gas

2.2.4. RESIDUOS APTOS PARA PIRÓLISIS

La pirólisis sólo puede aplicarse de forma eficiente y como tratamiento importante, a un reducido tipo de residuos, en particular a aquellos que no den lugar a una gran proporción de alquitranes, porque en ese caso el tratamiento posterior de los productos es complicado. Cuanto más limpios y mejor seleccionados sean los residuos de partida mejor será la calidad de los productos obtenidos del tratamiento.

El papel, el cartón, los chips de madera, los residuos de jardín y los plásticos pertenecen a esta categoría, pero deben ser sometidos a algún tipo de pretratamiento, generalmente relacionado con la reducción del tamaño de partículas y del contenido de humedad.

Es realmente difícil definir los tipos de residuos que pueden ser considerados como adecuados o inadecuados, porque esto puede depender mucho del tipo de reactores de pirólisis y de las condiciones de operación.

En todo caso los residuos han de ser pretratados para poder ser pirolizados. Debe existir una etapa de separación donde se eliminasen los residuos voluminosos, los metales, los materiales de construcción, los residuos peligrosos, vidrio y algunos plásticos, como el PVC, etc.

Además, el pretratamiento incluye la reducción de tamaño, el secado y la homogenización de los residuos, que pueden ser diferentes para cada tipo de proceso.



Dependiendo de la humedad, y de otras características de los residuos alimentados, la proporción de productos procedentes de la pirólisis tendrá variaciones.

2.2.5. PRODUCTOS DE PIRÓLISIS

Los productos de los procesos de pirólisis son de tres tipos:

- Una corriente de gas, conteniendo fundamentalmente CO, CO2, H2 y los compuestos más volátiles procedentes del cracking de las moléculas orgánicas junto con los ya existentes en los residuos. En principio, la composición de este gas recuerda algo al gas crudo procedente de los procesos de gasificación, pero debe tenerse en cuenta que la temperatura de la reacción de pirólisis es considerablemente inferior a la de gasificación, por lo que la generación de gases debería ser considerablemente menor y con una mayor presencia de alquitranes.

- Una fracción líquida, aceites pirolíticos, constituida por alquitranes y compuestos orgánicos pesados separados inicialmente como vapores pero que condensan a temperatura ambiente, formando líquidos viscosos. La composición de este aceite tiene una relación muy directa con los tipos de residuos tratados.

- Una fracción sólida, carbón pirolítico, compuesto por todos aquellos materiales que no han sido transformados o que proceden de una condensación molecular. Esta fracción tiene un elevado contenido de carbón, junto con los componentes inertes de los residuos.

Como se ha señalado anteriormente, la composición del gas depende de las condiciones de operación en las que se ha llevado a cabo la pirólisis. Cuando el proceso se realiza a temperaturas superiores a los 700 ºC el gas obtenido tiene un poder calorífico entre 14,5 y 16,0 MJ/Nm3, mientras que para temperaturas de proceso inferiores el poder calorífico de este gas está entre los 14,0 y los 19,0 MJ/Nm3.

La fase líquida está compuesta por dos fases, una acuosa y una aceitosa que han de separarse. El poder calorífico de los aceites secos (sin agua), se encuentra entre los 22,2 y los 25,0 MJ/kg. En la pirólisis de residuos urbanos o de la fracción resto la obtención de aceites pirolíticos como producto no es económicamente rentable en comparación con otras formas de valorización energética. Por este motivo, estas plantas no se orientan a la producción de esta fracción y los aceites que se producen en el proceso son quemados.

La fracción sólida presenta un elevado contenido en cenizas que limita sus posibilidades de uso como combustible, su poder calorífico está alrededor de los 19,0 MJ/kg.

En la pirólisis, un incremento de la temperatura reduce la cantidad de sólidos, (y el carbono presente en los mismos), aumentando la cantidad de aceites y alquitranes producidos. A bajas temperaturas queda una parte importante de carbono gasificable en la fracción sólida, que prácticamente se anula a medida que se realiza un tratamiento a temperatura más elevada.



En teoría, mediante la pirólisis sería posible obtener productos líquidos con una amplia gama de aplicaciones y con pocos residuos de proceso, pero, en la práctica no hay experiencias de plantas de pirolisis de residuos urbanos que produzcan líquidos como producto debido a la heterogeneidad de los residuos que no garantiza la obtención de los productos esperados ni en calidad ni en cantidad.

2.2.6. ASPECTOS ENERGÉTICOS Y AMBIENTALES DE LA PIRÓLISIS

Valorización energética en la pirólisis

El objetivo diferenciador de la pirólisis, frente la gasificación, es la potencial producción de combustibles sólidos (y a veces líquidos), aptos para ser valorizados exteriormente, en instalaciones no dedicadas a tratamiento de residuos. En este caso, los gases producidos y los aceites suelen ser quemados dentro de las propias plantas para aportar la energía necesaria para el proceso de pirólisis. Esta combustión supone que a la planta le es de aplicación la normativa de emisiones industriales en lo relativo a instalaciones de incineración.

Sin embargo, tal como se ha señalado anteriormente, la mayor parte de los procesos de pirólisis analizados realizan la combustión de los gases y aceites obtenidos en las mismas instalaciones, utilizando un ciclo de vapor para la producción de energía eléctrica. En estos casos, la diferencia fundamental con otros procesos de combustión estriba en la optimización de cada una de las etapas y la posibilidad de realizar la combustión a las temperaturas más convenientes.

Otras veces la pirólisis de los residuos es la etapa previa a un proceso de gasificación, en estos casos, como sucede en la gasificación, se produce posteriormente la combustión directa del gas crudo.

Sólo en una de las tecnologías estimadas, se comercializa el combustible sólido, bajo una denominación específica, para ser usado como combustible en varias aplicaciones industriales, plantas de cemento principalmente, tras ser sometido a un proceso de lavado y recuperación de los materiales aprovechables, especialmente metálicos.

La forma de obtener la máxima recuperación puede tener una dependencia muy directa del resto de las instalaciones cercanas que puedan ser destinatarias de los productos combustibles obtenidos a partir de los residuos, influyendo numerosos factores, que sólo pueden ser analizados detalladamente caso por caso.

En algunos procesos se propone la pirólisis de residuos muy específicos orientados a la producción de combustibles líquidos. Este es un caso muy particular, aplicable a residuos plásticos muy seleccionados, o a biomasa vegetal, que no es aplicación general, en el caso de los residuos urbanos.



Aspectos ambientales de la pirólisis

Como se ha señalado en el punto anterior, la casi talidad de las instalaciones de pirólisis realizan la combustión de algunos de sus productos in situ, para obtener la energía térmica necesaria para el proceso. Esto las convierte, por definición legal, en instalaciones sujetas a la normativa de emisiones industriales en lo relativo a instalaciones de incineración, con algunas particularidades.

Todos los suministradores de tecnología indican que sus procesos satisfacen los límites de emisión de la normativa actual sobre emisiones industriales referida a las plantas de incineración de residuos. Aspectos característicos del proceso de pirólisis han sido tenidos en cuenta en el actual RD 815/2013 que posibilita el cumplimiento de la misma. Estas condiciones particulares han de ser determinadas caso por caso y reflejadas en la autorización de la instalación.

En el caso de procesos que dan lugar a combustibles para su uso externo debe analizarse detalladamente la calidad del combustible producido y su clasificación como residuo o como producto, esta circunstancia condicionará, de forma determinante, las posibilidades de utilización real.

La utilización como combustible externo de los productos de pirólisis supone que haya que imponer restricciones ambientales a las instalaciones en las que el uso del combustible tendrá lugar en función de la calidad y características del mismo. Este aspecto no forma parte del proceso de pirólisis y generalmente es obviado por los tecnólogos que, en la mayor parte de los casos, se limitan a establecer las características del producto y a establecer algunos usos genéricos, trasladando al usuario final la responsabilidad ambiental derivada del uso de los productos obtenidos en el proceso.

En general, es posible la clasificación de este combustible como subproducto. La posible presencia de sustancias peligrosas en el subproducto no modificaría su status como subproducto, pero condicionaría las posibilidades de utilización en otras instalaciones.

2.3. Gasificación por plasma

La gasificación por plasma es un caso particular de gasificación con aporte de calor (energía) externo a alta temperatura orientado, en principio, a la producción de combustibles gaseosos más ricos que los obtenidos en los procesos de gasificación autotérmica que, como se ha visto, obtiene el calor necesario para la formación del gas en la propia transformación de los residuos.

La diferencia fundamental de los procesos de gasificación por plasma con los procesos de gasificación autotérmicos radica en la fuente de energía térmica necesaria para que tengan lugar las reacciones de transformación del residuo en gas:

- En el caso de la gasificación autotérmica, la fuente de energía son los propios residuos. En algún caso la demanda térmica de la reacción puede exigir la aportación de



cantidades de aire superiores a las estequiométricas del proceso de transformación del residuo en gas de síntesis (CO + H2), dando lugar a la formación de cantidades excesivas de CO2, que suponen una pérdida de rendimiento y una disminución de la calidad del gas de síntesis producido, debido a su dilución por la presencia de mayor cantidad de CO2 y a la del nitrógeno que acompaña al aire de combustión.

- En la gasificación por plasma a alta temperatura se utiliza una fuente energética externa, el plasma, constituido por un flujo de gases disociados y/o ionizados a temperatura muy elevada. El plasma se obtiene haciendo pasar aire, u otro gas plasmógeno, a través de un campo eléctrico muy intenso que se introduce controladamente en los puntos adecuados del reactor.

Esta fuente energética permite la aportación de potencias térmicas muy elevadas con cantidades relativamente pequeñas de masa y que, en algunos casos, puede hacerse completamente independiente de la aportación del oxígeno necesario en el proceso.

Una de las características del tratamiento por plasma frente a otros procedimientos de gasificación es la independencia entre la energía necesaria para el tratamiento y los balances de masa en la transformación. De esta forma ambas variables pueden ser optimizadas y controladas de forma separada y esto se traduce en una mejor operación y con posibilidad de tener una mayor calidad del gas obtenido en la transformación. Al introducir menor cantidad de aire en el reactor, el gas producido tendría mayores concentraciones de H2 y CO y menores de N2, CO2.

La mayor temperatura de operación, la estabilidad del proceso, la diferente cinética de las reacciones de destrucción de moléculas orgánicas, etc., conducen, en teoría, a una mayor facilidad de control y garantía en el tratamiento. El producto obtenido es similar al de la gasificación autotérmica pero con menor cantidad de alquitranes y líquidos, por desarrollarse el tratamiento temperaturas más elevadas. La teórica mejor calidad del gas supondría una mejora frente a otros procesos de gasificación en la depuración y acondicionamiento del gas de síntesis.

En la figura se muestra un diagrama de bloques de una instalación completa de gasificación a alta temperatura, por plasma, en la que se muestran las dos partes de que consta una instalación de gasificación por plasma.

Los residuos sólidos en el fondo del reactor de plasma, pueden presentarse de dos formas:

- Con el aspecto físico de las escorias convencionales, como en las plantas de incineración y de gasificación autotérmica, aunque el menor grado de oxidación de las mismas permitirá una mejor recuperación de los metales presentes, aumentando su posibilidad de recuperación.

- En forma vitrificada, ya que la temperatura del reactor de plasma puede aumentarse suficientemente hasta alcanzar la fusión de las escorias, que abandonan el reactor en



forma líquida, tras un enfriamiento rápido y solidificación, estas escorias adquieren propiedades vítreas que, desde el punto de vista ambiental, se distinguen por su nula capacidad de lixiviación.

Figura 2.9. Diagrama proceso de gasificación por plasma con valorización energética

REACTORES GASIFICACIONPOR PLASMA

RESIDUO

ESCORIAS

DEPURACIONDE GASES

GAS DE SINTESIS

VERTIDOS


ENERGIA

APROVECHAMIENTOENERGETICO

GASES DE COMBUSTION

PLASMA

TRANSFORMACION

Una de las ventajas importantes de esta forma de tratamiento es la posibilidad de trabajar a temperatura considerablemente más altas que en la gasificación autotérmica o que en los tratamientos por incineración.

Esto es muy importante cuando se tratan residuos con presencia de promotores de dioxinas y otros compuestos peligrosos, ya que permiten alcanzar grados de destrucción de los mismos muy elevados. Sin embargo, ésta posibilidad no excluye la necesidad de disponer de sistemas de depuración de gases, entre los que deben incluirse dispositivos de retención y/o destrucción de estos compuestos.

La posibilidad de trabajar a muy altas temperaturas hace que estos tratamientos sean susceptibles de ser aplicados en la destrucción de residuos peligrosos, donde la recuperación energética no tiene tanto sentido frente a la destrucción de los compuestos peligrosos. Sin embargo, para los residuos urbanos, estas altas temperaturas no son una exigencia desde el punto de vista normativo y conllevan una pérdida relativamente importante de energía, en forma de calor sensible de los gases (recuperables) y de las escorias, que no suele ser recuperada.



2.3.1. EL PLASMA Y SU GENERACIÓN

El plasma se considera un estado de la materia constituido por un conjunto de electrones, iones y partículas neutras que se obtiene al someter un gas a muy altas temperaturas. Cuando los gases se someten a temperaturas muy elevadas, del orden y superiores a los 3,000 ºC, las moléculas sufren fenómenos de disociación en átomos. Si la temperatura es mayor, por encima de 6,000 ºC, estos átomos disociados pierden electrones de sus capas externas, convirtiéndose en partículas cargadas positivamente, algo similar pero no idéntico a los iones clásicos, mientras que los electrones forman una nube que no está asignada a ninguna estructura atómica en particular.

A una temperatura de 2.000 ºC el aire no está disociado ni ionizado y está constituido por una mezcla de N2 y O2. A la misma temperatura y a presiones muy bajas se disocia parcialmente en átomos aunque la ionización es despreciable, a 15.000 ºC y a presión atmosférica el aire está totalmente disociado y parcialmente ionizado (plasma), contribuyendo a la ionización tanto los átomos de nitrógeno como los de oxígeno, aunque no en la misma proporción.

Desde el punto de vista electrónico, este estado guarda una cierta similitud con el estado metálico, salvo que en el estado metálico los átomos con defecto de carga están fijos mientras que en el plasma pueden moverse, especialmente en presencia de campos eléctricos.

De este modo se puede decir que el plasma tiene conductividad eléctrica, tanto por el flujo de electrones (al igual que el estado metálico), como por el flujo de partículas cargadas positivamente (que es el elemento diferenciador del estado metálico).

Si un gas caliente a las temperaturas señaladas se introduce en un campo eléctrico se producirá una doble corriente eléctrica, los electrones libres se dirigirán al polo positivo del campo eléctrico mientras que las partículas positivas se dirigirán al polo negativo, descargándose en él y originándose una corriente eléctrica a través del campo.

Esta corriente eléctrica determina una resistividad y, como consecuencia, una transformación en calor que depende de la intensidad eléctrica; por tanto, aumentando la intensidad del campo eléctrico se aumentará la intensidad electrónica y catiónica, la transformación en calor y la temperatura del gas. Este fenómeno tiene como límite práctico la resistencia mecánica y térmica de los electrodos.

El gas, una vez descargado, sigue manteniendo las características de disociación correspondientes a la temperatura, lo que aumenta su reactividad, permitiendo la recombinación molecular o cualquier tipo de reacciones asociadas a su estructura atómica, aunque la temperatura sigue siendo la misma.

En la figura 2.10 se muestra el principio básico de generación del plasma: el gas plasmógeno entra entre los dos electrodos, que determinan el campo eléctrico y se produce su ionización. El campo eléctrico orienta el movimiento de las cargas eléctricas y los iones gaseosos (con carga



eléctrica positiva) son dirigidos hacia el ánodo, donde se descargan y salen de la antorcha a una temperatura muy elevada, en forma atómica o molecular.

Figura 2.10. Esquema de generación de plasma

Entrada de gas

ÁnodoCátodo

Plasma

Como consecuencia del paso de la corriente, y del contacto con el gas – plasma, los electrodos sufren un calentamiento muy intenso, especialmente el ánodo, por lo que, además de ser construidos de material muy resistente al calor deben ser intensamente refrigerados para evitar su fusión. Esta refrigeración supone una pérdida de energía y una disminución de la temperatura exterior de la pluma de plasma.

El conjunto de electrodos, de sus conexiones eléctricas, de la aportación de gas plasmógeno, del sistema de refrigeración de los electrodos y del equipo de regulación eléctrica, constituye el sistema de generación de plasma. Esta configuración se conoce como Plasma Térmico y es la normalmente utilizada en el tratamiento de residuos.

Dependiendo de la posición relativa de los electrodos pueden diferenciarse dos tipos de antorchas:

- De arco transferido, cuando un electrodo está en la antorcha y el otro fuera de la misma, en un baño de metal o en las paredes del reactor. Existe una conducción de corriente entre el electrodo y el baño metálico fundido, que actúa también como electrodo. El gas caliente sale por un extremo de la antorcha sin carga eléctrica

- De arco no transferido, cuando los dos electrodos están en la propia antorcha. El arco se establece en el interior de la misma y el gas caliente sale por el extremo de la antorcha sin carga eléctrica. En este caso la antorcha se comporta como una lanza térmica.

En la mayor parte de las aplicaciones, especialmente en las de tratamiento de residuos, se utilizan antorchas de arco no transferido, que son de construcción más compacta, no exigen un baño fundido conductor de la corriente eléctrica y son menos sensibles a la variación en la composición de los residuos.



Figura 2.11. Tipos de antorcha de plasma. Arco transferido-Arco no transferido

2.3.2. TRATAMIENTO DE RESIDUOS MEDIANTE PLASMA

El plasma no es un proceso en sí mismo, sino que se trata de un elemento que permite llevar a cabo otros procesos térmicos, principalmente la gasificación, que por la utilización de este elemento presenta ciertas diferencias con la gasificación autotérmica. La utilización del plasma para el tratamiento de residuos es una técnica relativamente reciente que tiene tres posibilidades de aplicación:

- Tratamiento de gases peligrosos, en los que el arco de plasma se establece en el seno de los gases o vapores peligrosos, con o sin aportación de otros gases plasmógenos. Estos gases se someten así a temperaturas excepcionalmente elevadas, que destruyen su estructura molecular. Este procedimiento se ha empleado para la destrucción de PCB y otros compuestos orgánicos refractarios a otros tipos de tratamiento y se complementa con una depuración de los gases producidos en el tratamiento térmico.

- Vitrificación con antorcha de plasma para residuos peligrosos, tanto para residuos orgánicos como inorgánicos. En este caso la energía de plasma es usada para eliminar o reducir las características de peligrosidad, para residuos orgánicos se destruye su estructura molecular y se produce la gasificación de los mismos mientras que los componentes inorgánicos son fundidos creando una masa de estructura vítrea. Una vez producido el enfriamiento rápido y solidificación de la masa fundida, los componentes peligrosos quedan físicamente capturados dentro de la estructura vítrea, dando lugar a un sólido inerte, sin posibilidades de lixiviación, que, en determinados casos, puede tener aplicaciones como producto.



Esta aplicación puede tener lugar en las plantas de gasificación de residuos por plasma, pero también se aplica a otros residuos inorgánicos que no conducen a ningún tipo de recuperación energética.

La etapa de vitrificación de las instalaciones de plasma es complementaria a la gasificación y guarda un cierto paralelismo con la fusión de escorias y cenizas realizada en algunos procesos de gasificación autotérmica, principalmente desarrollados en Japón. En este caso la fusión se produce por la aportación energética externa (por medio de antorchas), y no por combustión de gas a alta temperatura.

- Gasificación mediante plasma, en la que el calor producido mediante la generación del plasma se utiliza para proporcionar la energía necesaria para que tengan lugar las reacciones de gasificación de los residuos siguiendo las mismas reacciones analizadas para la gasificación autotérmica, aunque con una cinética mas elevada. En este caso, el plasma es una herramienta de aportación controlada de la energía térmica necesaria para que se desarrollen las reacciones de gasificación de residuos, combinando las ventajas de destrucción de sustancias peligrosas, la producción de gas de síntesis y la producción de un subproducto inerte (vitrificado).

Las instalaciones de gasificación por plasma pueden combinar las tres aplicaciones, aún cuando las condiciones de operación deberían ser diferentes en función del objetivo fundamental perseguido.

La capacidad principal del plasma se basa en la gran potencia térmica que puede ser transmitida y la elevada temperatura que puede ser alcanzada por los residuos, con una reducida aportación de masa de gases, lo que permite la optimización de las condiciones de operación, gasificación, al hacer independiente la aportación energética de las propias transformaciones químicas buscadas en los procesos de gasificación.

La posibilidad de seleccionar diferentes gases plasmógenos, incluyendo oxígeno puro o el propio gas de síntesis, permite orientar las reacciones químicas de la transformación de los residuos, permiten mejorar la calidad del gas de síntesis, (altas concentraciones de CO y H2 y bajas de N2, CO2 y otros inertes), que no pueden obtenerse en una gasificación autotérmica, que exige quemar parte del residuo para obtener la energía necesaria para la transformación, con el correspondiente incremento de la cantidad de CO2 y agua.

Otra ventaja, derivada de la posibilidad mencionada en el punto anterior, es la reducida cantidad de gases producidos en la gasificación (por reducción de inertes), lo que simplifica los procesos de depuración de los mismos y reduce las pérdidas energéticas intrínsecas al enfriamiento rápido del gas crudo a la salida del reactor de gasificación.

Al trabajar a temperaturas muy altas, el contenido de carbono en las escorias es reducido, también se reduce la cantidad de alquitranes generados por lo que el PCI del gas producido es superior.



El inconveniente fundamental, es el mayor consumo de energía eléctrica para la generación del plasma que lo penaliza económicamente. En Europa por este motivo se emplea principalmente en el tratamiento de residuos peligrosos y de gran dificultad de tratamiento, cuyo precio de tratamiento compensa los costes elevados. Para residuos urbanos solo existen referencias en Japón donde los condicionantes económicos son menos importantes que las exigencias de vertido.

2.3.3. PROCESO DE GASIFICACIÓN POR PLASMA

En el análisis de todos los procesos de gasificación por plasma deben distinguirse varias etapas, que suelen ser casi comunes, con ligeras diferencias entre procesos:

- Tratamiento y preparación previa de los residuos.

- Gasificación por plasma, que es donde se establecen las diferencias entre los distintos procesos y con la gasificación autotérmica.

- Enfriamiento y limpieza de gases.

- Aprovechamiento energético del gas de síntesis.

Los aspectos relacionados con el pretratamiento de los residuos están muy vinculados con la calidad y características de los residuos alimentados a los procesos de gasificación, que como se ha señalado anteriormente, es un elemento absolutamente decisivo en los resultados técnicos y económicos de la transformación mediante plasma.

En relación con los procesos de gasificación puede establecerse una diferencia importante en función de la geometría del reactor y de la posición relativa y número de antorchas de plasma utilizadas.

El reactor utilizado más comúnmente guarda un gran paralelismo con un reactor de gasificación de lecho fijo y flujo ascendente. Se trata de un reactor esbelto, (alta relación altura/diámetro), con carga superior de residuos previamente triturados y acondicionados.

Las antorchas, situadas en la parte inferior del reactor de gasificación aportan la energía necesaria para las reacciones de gasificación que tienen lugar en la parte inferior del reactor, al tiempo que pueden permitir la fusión de las escorias, si ésta fuese la opción adoptada.

La entrada de residuos se produce en planos superiores, mientras que la inyección del aire y del vapor de agua para reformado del gas de síntesis puede realizarse a diferentes alturas, para las temperaturas adecuadas.

En ocasiones, junto con los residuos se alimenta una cierta cantidad de carbón, esta adición de carbón mejora la calidad de los gases producidos pero disminuye los rendimientos de la valorización energética ya que supone un aporte secundario de energía.



La localización de las antorchas en la parte inferior del reactor permitirá obtener temperaturas muy altas en el fondo del reactor, lo que garantiza la fusión de las escorias y la calidad de las mismas.

El gas sale por la parte superior del reactor, de la misma forma que en los reactores autotérmicos.

La transmisión de calor desde las antorchas hasta el resto de la masa de residuos se produce por convección, debido al trasporte de calor de los propios gases generados y a la entrada de aire.

Esta es una de las razones de alimentación de carbón al lecho, ya que de esta forma se incrementa la porosidad del mismo y se garantiza un flujo uniforme de gases, que permite alcanzar temperaturas igualmente elevadas en la parte superior del reactor.

Figura 2.12. Posibles configuraciones de reactores de gasificación por plasma

Posición dela antorcha

salida de gas crudo

Entrada de residuos

Drenaje escoria

Residuos

Gas crudo

Aire

Escorias fundidas

ANTORCHADE PLASMA

ANTORCHADE PLASMA

Otra posibilidad, aplicada en plantas piloto y de demostración pero que podría ser extensible a plantas industriales de mayor capacidad, es disponer las antorchas en la parte superior de reactores menos esbeltos, en los que realmente no existe un lecho de residuos en transformación.

Los residuos caen sobre una masa de escorias fundidas, o en estado cercano a la fusión, que ayuda a la rápida gasificación de los mismos. La adecuada posición de las antorchas origina un movimiento de la masa de escorias vitrificadas, de forma que todos los residuos son expuestos a las altas temperaturas, bien sea por incidencia directa de la pluma de la antorcha o por radiación desde las paredes y desde el techo del reactor.

El volumen de gases expuesto a las altas temperaturas favorece la transformación de los componentes que puedan ser vaporizados directamente desde los residuos, mejorando así la calidad del gas crudo producido.



El resto de la instalación es similar a los procesos de gasificación convencionales y consta de las siguientes etapas básicas:

- Enfriamiento rápido del gas crudo para evitar la posible formación de compuestos peligrosos. Este enfriamiento supone una pérdida energética. En general, el caudal de gases, más reducido que en relación con otros procesos, no parece justificar un aprovechamiento energético del calor sensible el gas crudo.

- Depuración del gas crudo para su transformación en gas de síntesis, para que tenga las especificaciones como combustible. Esta depuración exige un desempolvado, un lavado semiseco o húmedo para eliminación de gases ácidos y una eliminación de compuestos orgánicos por filtración en filtro de mangas y adición de carbón activo. Todos estos procesos son semejantes a los habidos para la gasificación convencional, si bien los gases procedentes de la gasificación por plasma tienen un menor contenido en alquitranes.

- Acondicionamiento del gas de síntesis, por enfriamiento, para separación del exceso de humedad, especialmente si el gas procede de una depuración por vía húmeda. De esta forma se acondiciona el gas de síntesis a los límites de humedad requeridos por la maquinaria de recuperación energética, en esta etapa se controlan también el resto de especificaciones de calidad del gas de síntesis.

- Para situaciones de emergencia, y para periodos de puesta en marcha, debe disponerse de una cámara de combustión, que permita quemar el gas de síntesis con seguridad, antes de su descarga a la atmósfera.

De esta forma, se obtiene el gas de síntesis, depurado, destinado al aprovechamiento posterior, generalmente mediante recuperación energética.

2.3.4. RESIDUOS ADECUADOS PARA LA GASIFICACIÓN POR PLASMA

En teoría, la tecnología de plasma puede ser aplicada para la gasificación de una gran variedad de residuos: urbanos, industriales, biomasa, residuos sanitarios, de desguaces de vehículos, neumáticos, RDF, CSR, plásticos, etc.

Dentro de esta variedad se incluyen residuos con cantidades relativamente importantes de compuestos inorgánicos y con contenidos de humedad elevados, incluso con valores reducidos de PCI, por la posibilidad de aportación energética externa. Esta posibilidad es aprovechada para el tratamiento de residuos peligrosos, aunque el planteamiento económico del tratamiento y la posibilidad de una valorización energética son completamente diferentes al caso de residuos urbanos. Por las mismas razones, también se ha venido utilizando para el tratamiento de residuos peligrosos con características muy especiales como residuos radiactivos y munición.

Las únicas limitaciones a los tipos de residuos están relacionadas con la viabilidad económica del proceso, ya que si el PCI es bajo o la humedad o el contenido de inertes o inorgánicos de los



residuos son altos, las necesidades de energía eléctrica externa aumentarán de forma apreciable mientras que la generación de gas de síntesis, y la generación de energía eléctrica, disminuirán de forma apreciable.

Los residuos sin tratamiento previo, con bajo poder calorífico, no son candidatos adecuados para este tipo de tratamiento por gasificación. En algunos casos, un bajo valor del PCI puede ser mejorado por la adición de combustibles complementarios, como carbón o residuos con alto poder calorífico, (como neumáticos con una adecuada granulometría), aunque la función principal del carbón puede ser diferente de la de aumentar el PCI.

2.3.5. PRODUCTOS DE LA GASIFICACIÓN POR PLASMA

Los dos productos de la tecnología de gasificación de residuos por plasma son

- Un gas con contenido en monóxido de carbono e hidrógeno.

- Una escoria inerte, generalmente vitrificada, aunque esta. vitrificación del residuo sólido no sea una característica inherente al proceso de gasificación. No obstante, esta escoria vitrificada es un el proceso da lugar a un producto útil en algunas aplicaciones.

El gas después de la depuración puede ser usado para la generación de energía, generalmente en motores térmicos.

La calidad del gas de síntesis viene condicionada por los residuos alimentados. Hay que tener en cuenta que el plasma elimina gran parte de los compuestos contaminantes orgánicos pero no elimina los metales pesados que se volatilizan debido a las elevadas temperaturas. Los compuestos simples (ClH, SH2, FH) no son destruidos con el plasma y su presencia en el gas hace que éste no pueda cumplir los requisitos de calidad para su combustión directa en motores y turbinas, siendo necesaria su depuración previa en caso de este aprovechamiento como combustible en estos equipos. Esta depuración del gas de síntesis tiene una influencia importante en los rendimientos energéticos del proceso.

En la tabla 2.5 se muestran las composiciones típicas del gas de síntesis obtenido por plasma a partir de tres tipos de residuos: madera usada, RDF y neumáticos usados.

Como puede observarse, el contenido de CO2 es menor que en las plantas de gasificación autotérmica, por la ausencia de la combustión de los residuos en el proceso. La calidad del gas puede ser mejorada si en lugar de aire se utiliza oxígeno puro en el reactor, reduciendo de esta forma el contenido de nitrógeno y aumentando proporcionalmente el PCI, aunque esto supone un incremento del consumo de energía para obtención de oxígeno que implica una disminución del rendimiento energético de la instalación.

Otras especificaciones, especialmente en relación con aspectos ambientales, dependen del sistema de depuración empleado y condicionarán la calidad de las emisiones a la atmósfera de los gases de combustión de los motores o turbinas de gas.



Tabla 2.5. Composición del gas obtenido a partir de diferentes residuos

Composición del gas (% v/v) Tipos de residuos

Madera RDF Neumáticos.

Hidrógeno 24.5 26.3 30.6

Monóxido de carbono 31.4 27.5 24.0

Dióxido de carbono 3.5 3.2 5.2

Agua 4.9 4.9 4.9

Nitrógeno 35.7 37.8 35.1

Otros, (NOx, SOx, HCl) <0.1 <0.5 <0.5

PCI (MJ/Nm3) 6.16 5.88 5.89

La gasificación por plasma es un caso de gasificación a alta temperatura con un gas producido más energético que en las gasificaciones a temperaturas menores. Los procesos de depuración del gas crudo para ser convertido en gas de síntesis, o la depuración de los gases de combustión del gas generado en el caso de que se realice la misma a continuación de la gasificación, serán semejantes a los de la gasificación y habrán de cumplir, en este último caso, los límites de emisión establecidos en el RD815/2013 en lo relativo a incineración de residuos.

Cuando el objetivo sea la producción de un gas de síntesis y su combustión en máquinas térmicas, los límites de depuración del gas crudo vendrán dados por las condiciones de funcionamiento de estos motores o turbinas y sus límites de emisión. De modo que sea un producto que permita cumplir con esos límites.

Respecto a la calidad de los productos sólidos obtenidos, están en relación directa con los residuos alimentados a la planta pero puede asegurarse que, además de cumplir con las exigencias respecto a lixiviación, el contenido de COT es inferior al establecido por la normativa de emisiones industriales precitada. Hay que considerar la condensación de los metales pesados volatilizados sobre las partículas arrastradas lo que hace que se generen cenizas con gran concentración de metales pesados en los filtros de depuración, estas cenizas pueden ser recirculas junto con las escorias para su vitrificación.

La obtención de subproductos de sólidos, tanto metales como materiales vítreos, es elemento significativo en esta tecnología. En este sentido, se han realizado pruebas para obtención de aluminio metálico a partir de residuos separados de envases tipo brick, utilizando plasmógenos no oxidantes para evitar la oxidación el aluminio fundido. También se han realizado ensayos para valorizar económicamente el material vitrificado obtenido a partir de los inertes inorgánicos del residuo

Sin embargo, hasta ahora estos desarrollos no parecen económicamente interesantes y no justificarían, por sí solos, la aplicación de esta tecnología.



2.3.6. ASPECTOS ENERGÉTICOS DE LA GASIFICACIÓN POR PLASMA

Aunque en principio es aplicable lo señalado para la gasificación autotérmica en relación con el aprovechamiento energético, en el caso del plasma se puede hacer alguna precisión:

- La mayor temperatura de operación en la gasificación por plasma reduce la cantidad de carbono en las escorias y la generación de alquitranes. En consecuencia, las pérdidas de PCI en el gas deben ser menores en las plantas de plasma que en las de gasificación autotérmica. La mayor parte de la energía primaria del residuo estará en forma de energía química (por la composición del gas), o de energía térmica sensible (por la temperatura de los gases)4.

- La menor cantidad de gases producidos, (menor cantidad de CO2 y menor cantidad de nitrógeno), significa una menor pérdida calor sensible. Este efecto es aún más importante cuando se emplea aire enriquecido u oxígeno puro.

- El consumo de energía necesaria para el lavado y acondicionado del gas crudo y su compresión serán menores que en la gasificación convencional, como consecuencia del menor volumen de gases a depurar.

- La utilización de energía eléctrica como fuente energética externa aumenta la disponibilidad de energía interna del gas de síntesis, correspondiente al cambio de composición del mismo. Esta aportación de energía está, en cualquier caso, limitada en función de las características de los residuos.

- La utilización de combustibles complementarios, como coque, aumenta el PCI del gas de síntesis, por su fácil gasificación y aportación de CO, aunque en muchos casos este no es el objetivo fundamental de su adición. Sin embargo, esta adición disminuye la eficiencia energética del proceso.

- La vitrificación, cuando se realiza, supone una pérdida adicional de energía, tanto por la extracción directa de energía del reactor como por la necesidad de mantener temperaturas muy elevadas, que aumentan las pérdidas de la forma ya comentada. Debe tenerse en cuenta que la masa de escoria fundida se corresponde, aproximadamente, con la cantidad de inertes en los residuos alimentados.

Por otra parte, la necesidad de obtener rendimientos energéticos elevados que compensen el uso de una energía externa cara, limitan la aplicación de esta tecnología a residuos que no tengan un precio de tratamiento elevado.

La única experiencia de planta de plasma con capacidad comercial está en Japón donde se tratan 150 t/d de residuos en los que predominan los procedentes de plantas de desguace de automóviles, con un PCI de los residuos de entrada de, hasta, 18 MJ/kg. Esta instalación, como el resto de las plantas japonesas, realiza la valorización energética a través de un ciclo de vapor

4 La pérdida de carbono en los alquitranes puede dependen del tipo de reactor, de la forma de carga de los residuos

en el mismo y de la presencia de compuestos volátiles en los residuos.



convencional, realizando la incineración inmediata del gas crudo en una cámara de combustión, con fusión de las cenizas volantes. Esta situación, semejante a otras plantas de gasificación autotérmica asemeja la planta a una incineradora con recuperación eficiente de la energía convencional.

En todo caso, la utilización del plasma debe justificarse con un alto rendimiento de transformación de la energía de los residuos en energía eléctrica, aunque el retorno económico puede ser muy variable, o cuando las características de los residuos aconsejen para su destrucción este tipo de tratamiento aunque el rendimiento energético no sea elevado.



3. ESTADO DEL ARTE DE LAS OPCIONES TECNOLÓGICAS SELECCIONADAS

3.1. Tecnologías de gasificación

Según las bases de datos JUNIPER de febrero de 2008 existían del orden de 85 tecnologías de gasificación, aunque la mayor parte de ellos sólo se han desarrollado a nivel de plantas de demostración o plantas piloto. Además, muchos de los procesos están dedicados casi exclusivamente a biomasa vegetal, que puede ser un campo de aplicación adecuado, pero completamente diferente de la gasificación de residuos urbanos o de sus fracciones. Posteriormente en la actualización de mayo de 2009 de estas bases de datos las tecnologías de gasificación consideradas se redujeron a unas 30.

La mayor parte de las plantas de gasificación con capacidad significativa, están localizados en Japón, utilizando tecnología japonesa que responde a las exigencias ambientales de este país, que no coinciden necesariamente con los objetivos ambientales europeos. En especial, las instalaciones japonesas prestan una gran atención a la obtención de materiales potencialmente reciclables y a la reducción de la cantidad de residuos destinados a vertido final.

Sólo algunas de las instalaciones japonesas en funcionamiento están orientadas a la producción de gas de síntesis que pueda ser utilizado posteriormente en motores térmicos o en ciclos combinados. La mayor parte de los procesos combinan, de alguna forma, la gasificación y la incineración del gas crudo, antes de su depuración, incluyendo alguna forma de fusión de escorias dentro de los procesos de gasificación.

Esta combinación de los procesos de gasificación y combustión del gas crudo se debe a la dificultad real de alcanzar un adecuado nivel de depuración del gas crudo para la obtención de gas de síntesis, especialmente por la variabilidad de los residuos y por la generación de alquitranes en los procesos de gasificación. Algunos proyectos de demostración han corroborado esta dificultad, debiendo ser abandonados o transformados en otros procesos de combustión directa del gas crudo.

Esta dificultad está muy relacionada con los residuos procesados más que con los procesos y la dificultad de tratamiento aumenta con la capacidad de la instalación.

Del gran número de experiencias europeas orientadas a la producción de gas de síntesis prácticamente no existe ninguna instalación en funcionamiento, con la excepción de Schwarze Pumpe, en Alemania, pero esta instalación solo trata residuos urbanos de forma complementaria.

Algunos proyectos de demostración realizados en España a partir de residuos clasificados, especialmente plásticos seleccionados, tampoco han dado los resultados esperados, generalmente por la generación de alquitranes que impiden el uso posterior del gas con garantía suficiente en máquinas térmicas.



Por otra parte, el desarrollo de turbinas de alta eficiencia ha estado relacionado al uso de gas natural para grandes instalaciones de ciclos combinados gas/vapor. La extrapolación de altos valores de rendimiento a máquinas de capacidad mucho más reducida y utilizando combustibles de inferior calidad no está justificada y puede suponer un riesgo muy importante.

Por esto, prácticamente todas las instalaciones de las distintas tecnologías se orientan a la combustión inmediata del gas crudo, transformando el proceso en una incineración en dos etapas, que puede tener determinados aspectos favorables, especialmente desde el punto de vista energético, porque pueden ajustarse mejor las condiciones de combustión, con menor cantidad de aire.

Como se ha indicado, debe diferenciarse entre las experiencias europeas y las japonesas, por las razones apuntadas de una obligación de valorización de las escorias y otros residuos secundarios; esto hace que las nuevas plantas japonesas de incineración convencional deban incluir sistemas de vitrificación de escorias, ya sea utilizando gas natural o por plasma u otros procedimientos; los procesos descritos más adelantes permiten realizar ambas etapas a la vez.

A continuación se indican las tecnologías de gasificación más desarrolladas y la situación actual de las mismas en relación con la gestión de residuos urbanos.

Thermoselect-JFE:

Comenzó desarrollando una planta de demostración en Fondotoce (Italia), que ha estado operando como instalación semicomercial de 1994 a 1999.

En 1998 comenzó la construcción de una planta de tecnología mixta (pirólisis + gasificación), en Karlsruhe, con una capacidad nominal de 225.000 t/a de capacidad. Esta planta ha tenido problemas técnicos significativos que retrasaron su puesta en marcha, posteriormente surgieron otros problemas de rendimiento que han llevado al cese de las operaciones de la planta a finales de 2004.

Sin embargo en Japón, con distintos partners, especialmente Kawasaki Steel, se han construido diversas plantas siguiendo la tecnología de Thermoselect, con una capacidad, en conjunto, superior a 500.000 t/a de residuos urbanos, que no han presentado problemas de funcionamiento.

En Europa Thermoselect está encontrando grandes dificultades para la implantación de su tecnología y se visto envuelto en algunos asuntos poco claros en relación con los resultados de su tecnología, que están dilucidándose en los tribunales. Por estos motivos la compañía ha dejado de promover la tecnología, dejando esta promoción y desarrollo a los nuevos partners.



Nippon Steel

Utiliza una tecnología de lecho fijo con aportación de oxígeno puro en el gasificador y la adición de un combustible adicional que garantice una alta temperatura en el fondo del reactor de gasificación, para favorecer la fusión de las escorias y su posterior reutilización y reciclado material de los metales.

Tras un desempolvado del gas crudo, éste se quema en una caldera convencional, realizando un aprovechamiento energético en un ciclo de vapor.

Nippon Steel es el procesista que ha construido más plantas de gasificación, todas en Japón, con una capacidad total instalada superior a 1 millón de toneladas/ año.

Ebara - Alstom

Es uno de los principales tecnólogos de gasificación, aunque aplica fundamentalmente su experiencia en el diseño de hornos de lecho fluidizado para plantas de incineración con recuperación eficiente de energía convencional. Este proceso es una combinación de gasificación en lecho fluidizado burbujeante utilizando aire como agente gasificante y fusión de cenizas por combustión del gas a alta temperatura.

Las plantas construidas, once instalaciones de capacidad industrial, están localizadas en Japón y dedicadas, fundamentalmente al tratamiento de residuos urbanos e industriales, (especialmente procedentes de desguaces de automóviles), permitiendo una recuperación intensiva de los materiales y de la energía.

Energos

Tiene referencias en plantas de gasificación, localizadas en Noruega y una en Alemania. En el proceso el residuo se dispone en una parrilla donde se inyecta aire por debajo en condiciones sub-estequiométricas produciéndose un gas que es quemado inmediatamente. Estas plantas son relativamente pequeñas entre 10.000 y 30.000 t/a de capacidad media, aunque existe una planta en Noruega tratando residuos municipales e industriales con una capacidad de 70.000 t/a en dos líneas.

Compact Power

El proceso de Compact Power es un sistema integrado de pirólisis y gasificación en horno rotatorio y posterior combustión del gas generado con recuperación de la energía liberada durante el proceso y el tratamiento de emisiones para cumplir con los límites de emisión en horno rotatorio.

Tiene una única referencia de una planta de 8,000 t/a, de demostración, especialmente dedicada a residuos especiales, farmacéuticos y sanitarios), situada cerca de Bristol, aunque en la misma se han ensayados otros tipos de residuos, especialmente RSU. Tenía previsto un proyecto de



planta para combustible derivado de residuos municipales de 28.000 t/a de capacidad. Recientemente la compañía ha sido adquirida por una empresa de gestión de residuos que se espera continúe con sus actividades.

TPS-Termiska

Se ha desarrollado una planta de gasificación en Greve-in Chianti (Italia) para el tratamiento de CDR en pellets. La planta ha sufrido una serie de alteraciones técnicas desde su puesta en marcha, en 1992 y ha tenido unos resultados no del todo positivos. Con el mismo proceso se ha realizado una planta de demostración para gasificar biomasa residual (astillas de madera), en Varnamo (Suecia).

Foster Wheeler

Foster Wheeler ha desarrollado un proceso de gasificación en lecho fluidizado, a partir del proceso Pyropower, para diferentes tipos de residuos. Cuenta con distintas referencias en Escandinavia para biomasa (madera), también se ha realizado una planta de 100.000 t/a en Ruien (Bélgica). Una planta de 180.000 t/a que trata residuos de madera junto con otros residuos diversos de se ha construido en Lathi (Finlandia) para producir syngas y utilizarlo en una planta de generación eléctrica.

Envirotherm

Basado en un proceso de Lurgi, Envirotherm ha desarrollado, a partir del año 2000, la tecnología de gasificación con un reactor de lecho fluidizado circulante para gasificar distintos tipos de residuos junto con carbón. Posteriormente ha sido adquirida por Allied Environmental para promocionar esta tecnología en los Estados Unidos.

Kobe Steel

Ha desarrollado un proceso de gasificación en lecho fluido con fusión de las cenizas para el mercado japonés. El gas es quemado inmediatamente después de la salida del gasificador. Cuenta con más de diez plantas de referencia, todas en Japón, la mayoría de pequeña y media capacidad y una planta de 175.000 t/a. Las capacidades se consiguen mediante la implementación de diversas líneas.

Enerkem-Garo

Enerkem ha desarrollado una tecnología de gasificación en lecho fluido burbujeante que cuenta con varias plantas piloto en Canadá. El proceso opera con vapor de agua como agente gasificante y aire enriquecido.

El objeto del proceso es la producción de alcoholes para ser utilizados como materias primas o combustibles.



Por otra parte, Enerkem ha firmado un acuerdo con Garo Engineering para la licencia de la tecnología en diversos países de Europa y Latinoamérica. Garo ha desarrollado un proyecto con la tecnología Enerkem para una planta de gasificación de plásticos mezclados con capacidad de 20.000 t/a en la provincia de Castellón. La planta lleva años operando pero ha tenido problemas relacionados con la producción de alquitranes.

Tabla 3.1. Plantas de gasificación de principales tecnólogos

Procesos Planta Descripción Capacidad Residuos

Thermoselect-JFE

Fondotoce,(It)

Karlsruhe (A) Chiba (JP) Mutsu, (JP) Kurashiki (JP) Nagasaki (JP) Tokushima (JP)

Izumi (JP)

Pirólisis + Gasificación

Demostración

225,000 t/a 100.000 t/a 50.000 t/a 200.000 t/a 100.000 t/a 50.000 t/a

40.000 t/a

Residuos urbanos e industriales, CDR

Nippon Steel Kamaishi (JP)

Ibaraki (JP) Ibaraki (JP)

Iizuka (JP)

……….

Gasificación +combustión 30.000 t/a

135.000 t/a 100.000 t/a

60.000 t/a

RSU , lodos

Twin Rec Ebara Fujisawa (JP)

Aomori (JP) Kawaguchi (JP) Sakata (JP) Ube (JP) Hino (JP)

Okinawa (JP)

Hwasung (COR)

….

Gasificación +combustión 10.000 t/a

150.000 t/a 150.000 t/a 60.000 t/a 50.000 t/a 50.000 t/a 95.000 t/a 90.000 t/a

….

RSU, ASR, lodos

Compact Power Avonmouth (UK) Pirólisis, gasificación y oxidación a alta temperatura

8.000 t/a Residuos especiales y hospitalarios

TPS- Termiska Greve-in Chianti, (It)

Varnamo, (SUE)

Gasificación lecho fluidizado

67.000 t/a

6 MWe/9 MWt

CDR en pellets

Biomasa

Foster Wheeler Ruien, (BEL)

Lathi (FIN)


100.000 t/a

180.000 t/a

Residuos de madera

CDR, NFU, Plásticos, madera

Energos/Ener-G Ranheim,(NOR)

Averoy, (NOR) Hurum, (NOR) Sparpsborg, (NOR) Forus (NOR)

Minden (A)

Gasificación +

+ Combustión

10.000 t/a

30.000 t/a 35.000 t/a 70.000 t/a 37.000 t/a

37.000 t/a

Residuos comerciales industriales, urbanos y biomasa

Envirotherm Rudersdorf (A) Gasificación lecho 120.000 t/a Diversos tipos de




fluidizado residuos y carbón

Kobe Steel. Sagamihara, (JP)

Sashima, (JP)

Kawagoe, (JP)

Aki, (JP)

Kazuno, (JP)

Cubu-Kamikita, (JP)

…….


175.000 t/a

68.000 t/a

88.000 t/a

45.000 t/a

20.000 t/a

20.000 t/a

RSU

RSU

RSU

RSU

RSU

RSU

Enerkem/Garo Sherbrooke, (CAN)

Castellón, (ESP)

Edmonton, (CAN)


1.700 t/a

20.000 t/a

80.000 t/a

CDR Demostración

Plásticos

CDR (proyecto)

3.1.1. THERMOSELECT JFE

El proceso Thermoselect HTR (Reciclaje a Alta Temperatura) comenzó a desarrollarse en 1989 con la construcción de una planta de demostración en Fondotoce (Italia) que estuvo en funcionamiento entre 1994 y 1999.

El objetivo de Thermoselect ha sido el tratamiento de los residuos urbanos en plantas de gran escala para competir con la incineración con recuperación eficiente de la energía, con coste competitivo y con residuo cero, ya que propone una recuperación prácticamente completa de los residuos, ya sea en forma de energía o de materiales.

El proceso combina una pirólisis lenta en reactor tubular con una gasificación a alta temperatura, utilizando oxígeno puro y reformado del gas de síntesis, que incluye la fusión de las escorias y la purificación del gas, para que pueda ser utilizado en procesos de valorización energética o para reciclado químico.

El proceso consta de las siguientes etapas:

- Compresión, extracción del aire de los residuos

- Pirólisis lenta

- Gasificación de los productos de pirólisis

- Enfriamiento y depuración del gas crudo

- Aprovechamiento del gas de síntesis



Figura 3.1. Esquema proceso gasificación Thermoselect HTR

Los residuos que llegan al proceso sin tratamiento previo, son compactados en una prensa de alta presión para eliminar el aire y producir la vaporización de la humedad por medio del calor de compresión. De este modo se obtienen briquetas que se introducen en el reactor pirolítico.

En el horno tubular pirolítico, que es calentado con el calor radiante del gasificador, se inicia el secado de los residuos, los residuos aumentan su temperatura desde 100 – 120 ºC en la entrada del reactor hasta más de 500 ºC al final del reactor, el tiempo de permanencia de los residuos en el reactor de pirólisis es suficientemente largo (entre 1 y 3 horas). En estas condiciones los residuos sufren las primeras reacciones de cracking térmico en ausencia de aire (pirólisis), con producción de una fracción de gases, alquitranes y sólidos. Esta degradación termina en el interior del gasificador

La masa de residuos, parcialmente pirolizados, entran en el reactor de gasificación de lecho fijo y flujo de gas ascendente. Las briquetas entran en contacto con vapor de agua, la humedad residual de los residuos, y oxígeno, que se inyectado como agente gasificante. En estas condiciones se producen las reacciones típicas de la gasificación.

Los compuestos orgánicos se transforman en un gas con una composición que depende del equilibrio termodinámico a la temperatura de 1.200 ºC, la que existe en la parte superior del reactor de gasificación. La fase gaseosa tiene un tiempo de residencia de entre 2 y 4 segundos.

En la parte inferior del reactor, a temperaturas de 2.000 ºC, se encuentran los sólidos. A esta temperatura se produce la fusión de las escorias de los residuos y el agotamiento de la fracción orgánica de las mismas.

Residuos

Lavado

Trat. efluentes

Quench escoria

Escoria

Syngas

Oxígeno



Una vez drenadas desde el reactor, las escorias fundidas son recibidas en un baño de agua, donde se separa una fracción rica en componentes metálicos y las escorias minerales inertes, que se separan en forma granular.

El gas crudo de salida del gasificador se enfría desde unos 1200 ºC hasta 70 ºC, mediante un lavado con una cantidad muy importante de agua.

El objetivo del enfriamiento es evitar la posibilidad de reacciones de reformado de dioxinas y furanos a partir de promotores. Por otra parte, este enfriamiento y lavado con agua es necesario para la depuración del gas crudo, por la presencia de partículas sólidas, gases ácidos (y H2S), y vapores de metales pesados volátiles.

Tras el enfriamiento el gas pasa por un scrubber donde se elimina la mayor parte de los gases ácidos HCl, y HF y metales pesados. Para eliminar los ácidos débiles, el gas pasa por un segundo scrubber con NaOH en disolución donde se neutralizan los ácidos residuales y posteriormente se eliminan los polvos contenidos en el gas. Todos los sólidos recogidos son llevados al rector de altas temperaturas

El caudal de gas de síntesis producido es considerablemente menor que el de una planta de incineración con recuperación eficiente de la energía convencional, por la ausencia de inertes, (N2) en los mismos; sin embargo, los procesos de limpieza del gas son considerablemente más complejos y costosos.

Una vez alcanzado el nivel de depuración exigido, el proceso de Thermoselect HTR contempla la valorización del gas de síntesis para valorización energética en turbinas o motores y como materia prima en síntesis de algunos compuestos, como metanol.

Sin embargo, la información disponible indica que tanto en la planta de Fontodoce como en la Karlsruhe el gas de síntesis se quemaba directamente en una caldera, para obtención de vapor, realizando la valorización energética por un ciclo térmico clásico.

La planta de demostración de Fondotoce se sometió a evaluaciones y análisis detallados por entidades independientes, cubriendo suficientemente las expectativas.

La primera planta a escala comercial que se ha construido es la de Karlsruhe (Alemania) en 1999. Después de problemas en la puesta en operación de las tres líneas, la planta entró en operación con una capacidad de tratamiento de 225.000 t/a. No obstante, la entrega de la planta al cliente se retrasó debido a las preocupaciones del cliente sobre algunos aspectos relacionados con los niveles de emisión bajo determinadas condiciones de operación, que han terminado con el cierre de la planta el 31 de diciembre de 2004, por parte del cliente, aunque cubría las previsiones, especialmente de capacidad de tratamiento.

A pesar de la falta de éxito comercial en Europa, Thermoselect vendió su tecnología a la compañía Kawasaki Steel, que tras fusionarse con NKK, opera como JFE. Desde entonces ha venido diseñando, construyendo y operando plantas en Japón desde el año 1999.



JFE ha estado operando una planta piloto en la que el gas crudo, que se produce a medida que se alcanzan alturas superiores en el reactor, se enfría por quench con agua y se somete a diferentes etapas de depuración para la eliminación de alquitranes, antes de su uso, como gas de alimentación a un ciclo combinado.

Los datos divulgados por JFE en relación con esta instalación piloto, (Chiba Recycling Center), indican la producción de un gas de síntesis con una composición es del orden de 30.7% H2, 32.5% en CO, 33.8% CO2 y 2.3% N2, (PCI de 8.9 MJ/Nm3), a partir de residuos urbanos con un PCI medio de 8.5 MJ/kg.

Las instalaciones diseñadas y construidas por JFE en Japón son de capacidades reducidas, inferiores a 100 t/d de residuos por línea. Sólo dos plantas, (Kurashiki y Chiba), tienen capacidades superiores a 150 t/d por línea; todas las plantas destinan el gas de síntesis a la producción de energía en motores térmicos aunque las plantas más recientes queman el gas de síntesis directamente, sin ningún tratamiento previo, para producir vapor.

El factor de servicio de estas instalaciones, trabajando con residuos urbanos y produciendo gas de síntesis, es del orden del 80%, comparado con factores de servicio superiores al 92% en plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía, aunque es previsible que a corto plazo pueda incrementarse la fiabilidad.

La información de JFE no indica eficiencias energéticas porque cada planta puede aprovechar la energía de diferente forma, en función del emplazamiento. La exportación de energía no se realiza, exclusivamente, en forma de electricidad sino que la venta de vapor es usual, lo que mejora el aprovechamiento energético total.

El proceso de gasificación supone unas pérdidas importante, de al menos el 15% del PCI, en las operaciones de enfriamiento y tratamiento del gas de síntesis, al que deben sumarse otros gastos energéticos importantes en la producción de oxígeno y en la manipulación y secado de los residuos antes de ser alimentados al proceso de gasificación.

La ventaja fundamental, que orienta todos los procesos de gasificación, es el mayor rendimiento energético de la transformación del gas de síntesis, que puede acercarse hasta el 40%, al menos teóricamente.

Un aspecto complementario, usual en casi todas las instalaciones japonesas, es el reciclado de las cenizas de calderas y de los sistemas de depuración de gases hacia el horno, para que sean fundidos y abandonen la instalación como escorias; esta forma de tratamiento, que es obligatoria en Japón, no es usual en ninguna de las plantas de incineración europeas.

Entre los residuos procesados se incluyen también una gran variedad de residuos industriales, lodos de depuradora, residuos de desguace de vehículos, etc.

JFE ha desarrollado su propio proceso a partir del descrito, incidiendo en la vitrificación de escorias. El proceso de JFE es un híbrido de gasificación, vitrificación de escorias y cenizas y



combustión del gas crudo producido, especialmente adaptado a las características del mercado japonés, en el que abundan las instalaciones de capacidad media o reducida y en el que uno de los condicionantes importantes es que no se produzcan residuos secundarios, por lo que el reciclado de escorias es una variable importante. Como aplicación del nuevo proceso y debido a las circunstancias particulares del mercado japonés, se está aplicando el proceso al tratamiento de residuos de antiguos vertederos (landfill mining).

3.1.2. EBARA/ALSTOM

Es uno de los principales tecnólogos de gasificación, que aplica su experiencia en el diseño de hornos de lecho fluidizado para plantas de incineración para su aplicación en la tecnología de gasificación.

Las plantas construidas, mas de 20 instalaciones de capacidad industrial, están localizadas en Japón y dedicadas, fundamentalmente al tratamiento de residuos urbanos e industriales, (especialmente procedentes de desguaces de automóviles), permitiendo una recuperación intensiva de los materiales y de la energía.

El proceso de gasificación de Ebara, (TwinRec) es una combinación de un proceso de gasificación en lecho fluidizado burbujeante con doble recirculación interna, desarrollado para las plantas de incineración de residuos urbanos con recuperación eficiente de la energía. La geometría de la zona de distribución de aires propicia una recirculación permanente de los materiales en esta zona, mejorando la calidad de las escorias. Por otra parte, se completa con el proceso de fusión de escorias y cenizas a alta temperatura (proceso Meltox).

El objetivo fundamental del reactor de gasificación es separar los componentes metálicos e inertes de la fracción gasificable y de las partículas finas, que son arrastradas fuera del reactor de gasificación.


- Pretratamiento de los residuos

- Tratamiento térmico, gasificación

- Valorización energética

- Depuración de gases

Los residuos son triturados hasta una granulometría de un tamaño de 300 mm.

A continuación se introducen en el gasificador de lecho fluidizado. Una de las características del horno de lecho fluidizado es la geometría especial de zona de distribución de aire, que propicia una recirculación interna permanente de los materiales en esta zona, mejorando la calidad de las escorias, especialmente reduciendo el contenido de carbón, como ocurre en los hornos de incineración. Sin embargo, en este proceso el horno funciona dentro de los parámetros



normales de gasificación, con temperaturas medias del lecho en torno a 600 ºC. Esta temperatura facilita la recuperación de los metales contenidos en las escorias ya que no se han oxidado ni sinterizado. Esta temperatura hace que las escorias, a diferencia de otros procesos, no sean vitrificadas.

Figura 3.2. Esquema planta proceso Ebara

Selective

Causticsoda

Una de las particularidades del proceso es el diseño del lecho fluidizado de recirculación interna, con la aportación de residuos en la zona de lecho expandido. La inyección de aire se realiza en la parte inferior del horno, con toberas especiales, para producir tanto la gasificación de los residuos como la fluidificación del lecho.

Las escorias del horno, constituidas por los metales y los inertes de mayor tamaño, son extraídas desde el fondo, de forma continua, junto con una parte de la arena del lecho. Tras una adecuada separación externa, la arena e inertes de pequeño tamaño se retornan al lecho mientras que las escorias se valorizan de la forma más adecuada.

El gas producido en el reactor, y las partículas finas arrastradas, se queman en una cámara de combustión anexa al propio lecho fluidizado, a una temperatura entre 1.350 y 1.450 ºC, ajustando la cantidad de aire secundario para alcanzar esta temperatura.

La cámara secundaria de combustión está diseñada para que el gas se queme completamente, formando un vórtice interno, que asegure la homogeneidad de la masa gaseosa y las mejores condiciones de combustión con la menor cantidad de aire posible. El gasificador opera en condiciones atmosféricas y sin necesidad de combustibles adicionales. En estas condiciones, la temperatura es suficientemente alta para producir la fusión de las cenizas volantes arrastradas desde el lecho de gasificación.



Figura 3.3. Gasificador del proceso TwinRec de Ebara

El movimiento circular hace que las cenizas fundidas queden depositadas en las paredes de la cámara de combustión y puedan ser eliminadas en el fondo de la misma. Estas cenizas fundidas son refrigeradas mediante un baño de agua formándose un granulado resistente a la lixiviación.

La cámara de combustión dispone de entrada de aire en diferentes puntos para garantizar la combustión completa y de un sistema de control de temperatura utilizando un combustible auxiliar, para la puesta en marcha, que cumple también las exigencias legislativas.

A partir de la cámara secundaria de combustión, el proceso es casi similar a una planta de incineración convencional: recuperación de calor en una caldera de paredes de agua, seguida de una caldera convencional de haces tubulares y del tratamiento/depuración de los gases de combustión hasta alcanzar las especificaciones de emisión establecidas por la legislación de aplicación. La valorización energética se realiza con un ciclo de vapor convencional.

La alta temperatura de combustión permite garantizar un bajo nivel de dioxinas y otros compuestos orgánicos, que son destruidos en la cámara de combustión de una forma completamente eficiente.

Por otra parte, la alta temperatura puede tener efectos poco favorables en la generación de NOx, aunque los resultados analíticos de las plantas en operación indican valores de emisión bastante reducidos, en el entorno de 40 ppm, pero esto es debido al uso de sistemas de abatimiento de NOx.



Una ventaja importante de este sistema es que el exceso de aire utilizado es muy reducido, lo que permite la utilización de equipos más compactos al tiempo que reduce las pérdidas de calor sensible y puede aumentar el rendimiento térmico. De esta forma se podría compensar parcialmente las pérdidas de energía debidas a la eliminación de las cenizas fundidas.

La superior calidad de las escorias del horno de gasificación es otra de las ventajas, ya que permiten una mejor separación de los metales recuperables, especialmente del aluminio. Esto tiene ventajas específicas para la valorización de algunos tipos de residuos, especialmente los procedentes de desguaces de automóviles.

Aunque las condiciones de operación parecen favorables para una mejor recuperación de los metales también lo son para una mayor pérdida de carbono orgánico (COT), que supondría una pérdida de rendimiento del proceso. Ebara especifica que el contenido de COT en las escorias es inferior al 3%, cumpliendo las especificaciones de la normativa sobre emisiones industriales en lo relativo a la incineración.

En relación con la posible utilización de las escorias del reactor, no parece una ventaja decisiva respecto a otros procesos térmicos, como la incineración, ya que las escorias de los hornos de incineración con recuperación eficiente de la energía también pueden ser aprovechadas en diferentes aplicaciones.

La vitrificación de las cenizas de la cámara de combustión del gas posibilita que las mismas cumplan los estándares de lixiviación, tanto europeos como japoneses y puedan ser utilizadas para determinadas actividades, como rellenos de obra civil, rellenos de asfaltos, etc., por su comportamiento como residuos inertes.

La vitrificación se presenta como una particularidad intrínseca del proceso combinado, justificada por las restrictivas condiciones de vertido establecidas por la legislación japonesa. Una consecuencia complementaria de la combustión a alta temperatura es un potencial mejor rendimiento energético, al disminuir las pérdidas de calor sensible por menor cantidad de gases.

Los residuos que tratan las plantas en funcionamiento se incluyen las harinas de carne y hueso, los lodos de depuradora deshidratados, los residuos de desguaces de vehículos y todos los residuos plásticos. No se le exigen condiciones especiales aparte de que cuanto mayor sea el PCI más interesante resultará la gasificación aunque debe tenerse en cuenta la presencia de inertes, para los residuos con PCI muy elevado puede resultar especialmente ventajosa la gasificación, ya que la combustión parcial de los mismos se ajustara para satisfacer las necesidades energéticas de la transformación. En relación con los residuos de bajo PCI, Ebara indica que para residuos con un PCI del orden de 6-7 MJ/kg se puede mantener un funcionamiento estable sin energía auxiliar.

Algunos tipos de residuos con tendencia a formación de alquitranes son fácilmente tratados en este proceso ya que la presencia de los mismos en la cámara de combustión no presente ningún tipo de problemas.



Al contabilizar el rendimiento energético del proceso TWinRec deben considerarse dos factores opuestos:

- El mayor rendimiento debido a la combustión del gas crudo a alta temperatura, que se alcanza por la reducción del aire de combustión para ajustarlo a las necesidades estequiométricas del gas crudo.

- Las pérdidas de energía debidas a la fusión de las cenizas volantes, que abandonan el proceso como material fundido.

La combustión a alta temperatura presenta la ventaja de que la cantidad de gases es considerablemente inferior, con lo que las pérdidas de calor sensible en la caldera se reducirán proporcionalmente; sin embargo, esta mayor temperatura se traduce en mayores pérdidas en los equipos y en las cenizas fundidas.

Precisamente este último factor puede ser el más importante y puede ser muy variable en función del tipo de residuo y del diseño del horno de lecho fluidizado: si la cantidad de cenizas arrastradas es elevada el consumo energético en la fusión es también muy elevado, afectando al rendimiento energético global.

El aprovechamiento de la energía se realiza mediante ciclos convencionales de vapor; Ebara indica unos valores de recuperación en torno al 17 – 19%, teniendo en cuenta el autoconsumo; este rendimiento es claramente inferior al de las modernas plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía.

3.1.3. NIPPON STEEL

El proceso High Temperature Gasifying and Direct Melting, de Nippon Steel, tiene lugar en un horno vertical, de lecho fijo de flujo ascendente. Este proceso combina una gasificación enérgica con fusión de escorias con una incineración directa del gas crudo producido en el gasificador.

Los residuos triturados se introducen en el reactor, por la parte superior del mismo, junto con una mezcla de carbón y caliza. La cantidad de carbón, (o coque) suele ser del orden del 5% de la cantidad de residuos, aunque varía con la calidad de los mismos. La función de la caliza es básicamente, aportar fundentes para estabilizar la fusión de las escorias, aunque también puede tener algún efecto de neutralización de gases ácidos mientras que el carbón aumenta la cantidad de CO en el gas crudo y sirve también para controlar la porosidad del lecho del reactor, especialmente cuando se tratan residuos finos.

Esta adición de carbón para generar altas temperaturas en el reactor hace que los rendimientos energéticos se vean afectados por la utilización de un combustible adicional.



Figura 3.4. Diagrama proceso Nipón Steel

En la parte superior del reactor se produce el secado del residuo y tienen lugar reacciones de reducción. A medida que el residuo desciende por el reactor tienen lugar las reacciones de combustión parcial y, en el fondo del lecho, las de oxidación total, lo que permite reducir el contenido de COT en las escorias.

El aire, enriquecido con oxígeno puro (aproximadamente 36% O2), se introduce en la parte inferior del horno, donde la combustión del carbón da lugar a la producción de CO2 y CO, alcanzándose temperaturas muy elevadas, entre 1400 ºC y 1600 ºC, que conducen a la fusión de las escorias y permite su extracción el horno mediante colada y la posterior recuperación de las fracciones metálicas y la recogida de la escoria vitrificada en forma de gránulos inertes.

El gas de síntesis, abandona el reactor a una temperatura relativamente reducida, del orden de 500 ºC, arrastrando partículas de polvo y humedad y una proporción elevada de alquitranes

El gas de salida pasa por un sistema de ciclones de alta temperatura, que separan las partículas sólidas arrastradas. Estas partículas, tras su humectación, son introducidas de nuevo en el proceso, junto con los residuos y el carbón, abandonando finalmente el proceso como escorias fundidas por la parte inferior del reactor de gasificación.

El gas desempolvado se introduce en una cámara de combustión convencional, donde tiene lugar la combustión completa del mismo en condiciones muy controladas, a temperaturas en torno a 900 ºC.



Figura 3.5.Reactor de gasificación de Nipón Steel

A partir de la cámara de combustión el proceso es similar al proceso de depuración de otros procesos de tratamiento térmico: enfriamiento de los gases con una recuperación energética de los mismos para producir vapor (típicamente a 40 bar y 450 ºC, que son las condiciones más razonables para estos ciclos térmicos sencillos) y depuración de gases convencional.

La recirculación de las partículas separadas en los ciclones tiene una gran importancia en dos variables importantes: la cantidad de carbón necesaria y las emisiones de dioxinas. Las partículas separadas pueden tener un poder calorífico importante, porque corresponden a alquitranes y compuestos volátiles separados del residuo y que no se han gasificado, por lo que su reintroducción en el reactor tiene una influencia energética significativa, disminuyendo la aportación de combustible en el reactor de gasificación.

La reducción de la emisión de dioxinas está justificada porque estos compuestos pueden estar condensados sobre las partículas sólidas separadas, su reintroducción en la parte más caliente del proceso garantiza un mayor grado de destrucción.

En cualquier caso, tras la combustión del gas crudo la planta se comporta como una planta clásica de incineración, por lo que la gestión de los residuos secundarios, especialmente de la depuración de gases, debe estar sometida a los mismos requisitos y exigencias ambientales que aquellas.

El proceso de Nippon Steel es uno de los más usados en Japón para el tratamiento de residuos urbanos. Actualmente, hay 22 plantas en operación y 5 en proceso de construcción, con capacidades que varían entre 65 y 720 t/d; la capacidad total instalada es superior a 1 millón de toneladas anuales.



Los residuos procesados son, básicamente, residuos urbanos pero también se incluyen una gran variedad de residuos industriales, lodos de depuradora, residuos de desguace de vehículos, etc. También están incorporando residuos de plásticos usados, para sustitución del coque o del carbón usado en el gasificador.

Recientemente están desarrollando el proceso para el tratamiento de residuos estabilizados procedentes de vertederos (landfill mining), de acuerdo con la política ambiental japonesa. De esta manera, se pretende reducir la cantidad de residuos depositados en los vertederos, ampliando la vida útil de los mismos.

El proceso de Nippon Steel es un proceso híbrido de gasificación, estabilización térmica (vitrificación) y combustión de los residuos, especialmente adaptado a las características del mercado japonés, donde la estabilización y el reciclado material y energético tienen una importancia superior a la de los países europeos.

El rendimiento energético del proceso es relativamente peor que el de las plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía convencionales debido a las necesidades de combustible secundario y electricidad. Hay que tener en cuenta las condiciones del mercado japonés, donde el requisito fundamental es el minimizar el vertido y la recuperación máxima de materiales, donde el factor recuperación de energía es secundario.

El coste, tanto de inversión como operación, puede ser superior al de las plantas de incineración.

3.1.4. COMPACT POWER

El proceso de Compact Power es un sistema integrado para tratar diferentes tipos de residuos que consta de una pirólisis en hornos tubulares en paralelo calentados externamente, una etapa gasificación en lecho fijo y, finalmente, una combustión a altas temperaturas. Se incluye en el proceso la recuperación de la energía liberada durante el proceso y el tratamiento de emisiones para cumplir con los límites de emisión.


- Pretratamiento y alimentación de los residuos

- Tratamientos térmicos: pirólisis, gasificación y combustión


- Depuración de los gases

Los residuos son pretratados, para reducir el tamaño por debajo de 75 mm y separar los compuestos metálicos e inertes. Una vez triturados, los residuos son alimentados al pirolizador, que consiste en dos conductos tubulares, que son calentados, externamente, con gases calientes, procedentes de la combustión del gas crudo (a 1200 ºC).



En el pirolizador se alcanzan temperaturas de hasta 800 ºC, esta temperatura es relativamente alta para los procesos de pirólisis, el tiempo de residencia de los residuos es de 30 min. En el pirolizador se forman gases, alquitranes y residuos parcialmente carbonizados. Todos estos productos son descargados en el reactor de gasificación.

Figura 3.6. Esquema de proceso Compact Power

En el gasificador se inyecta aire y vapor de agua para reducir el contenido de carbono en las escorias, favoreciendo la reacción de gasificación del sólido procedente de la pirólisis. El gas producido es una mezcla de hidrógeno, y monóxido de carbono con trazas de vapor de agua, nitrógeno y anhídrido carbónico. El tiempo de residencia de los productos en el interior del gasificador es de unos 30 min.

Los gases producidos, tanto en la fase de pirólisis como en la gasificación, se envían a una cámara de combustión, que cuenta con la posibilidad de combustible de apoyo (fuel-oil), donde se queman con aire en exceso, alcanzándose una temperatura de 1.250 ºC y se produce la combustión completa. El tiempo de residencia de los gases en esta cámara es de, al menos, dos segundos para asegurar la destrucción de los compuestos orgánicos contaminantes.

El aprovechamiento del calor de combustión se realiza en varios sentidos:

- Una parte se aprovecha para calentar la cámara de pirólisis, haciendo pasar los gases de combustión en contracorriente con los residuos.

- Otra parte se destina al calentamiento externo del fondo del reactor de gasificación.



- La energía residual se aprovecha en calderas de recuperación, para producción de vapor de agua, para su uso en turbinas de vapor para la producción de electricidad.

Los gases, tras la combustión y enfriamiento en la caldera, se enfrían hasta temperatura relativamente baja, 200 ºC, antes de someterlos a un proceso de depuración vía seca convencional con adición de bicarbonato sódico para el control de los gases ácidos, filtro de mangas y Reducción Catalítica S con amoníaco para la reducción de las emisiones de NOx.

El sistema descrito es, básicamente, una incineración en dos etapas ya que el gas de síntesis se quema inmediatamente en una cámara de combustión.

Sólo existe una planta de Compact Power en Avonmouth (Reino Unido), de 8.000 t/a, que está en funcionamiento desde 2001, trabajando fundamentalmente con residuos de los sectores farmacéutico y clínico. Se han realizado ensayos con éxito en el tratamiento de RSU, pero no existen referencias de plantas con estos residuos.

En la actualidad está en proceso de autorización una nueva planta, de 60.000 t/a destinada a tratamiento de residuos urbanos, para ser instalada en Cromwell.

3.1.5. ENERGOS

Energos es una compañía noruega, especializada en diferentes tipos de instalaciones energéticas, incluidas la de valorización de residuos basada en la gasificación.

Las plantas de gasificación de residuos urbanos de Energos son modulares, con capacidades reducidas, que varían entre 2,5 y 5 t/h de residuos con PCI variables entre 8 y 18 MJ/kg.

Los residuos antes de entrar en el proceso son triturados y se separan los metales contenidos en ellos.

El proceso de tratamiento térmico consta de dos etapas:

- Gasificación, consta de un gasificador de parrillas donde tiene lugar el secado, la pirólisis y gasificación del residuo en condiciones sub-estequiométricas. El reactor es de parrillas divididas en diversas secciones, a través de las cuales se suministra el aire primario. Los residuos se alimentan, mecánicamente, sobre la parrilla, controlando el espesor de la capa, las escorias se recogen al final de la misma. Energos garantiza que la cantidad de inquemados es inferior al 3%, que es el límite establecido por la Directiva 2000/76/CE.

- Combustión del gas a altas temperaturas, (en torno a 900 ºC, sin alcanzar las temperaturas de fusión de las escorias).



Una vez quemados los gases se produce la recuperación energética en una caldera para generación de vapor situada a la salida de la cámara de combustión. La generación de vapor se realiza a presiones y temperaturas moderadas.

En consecuencia, no se trata de una planta de gasificación para obtener un gas de síntesis sino que se puede considerar como una planta de incineración en dos etapas.

Figura 3.7. Esquema de proceso Energos

La depuración de los gases de combustión suele ser por vía seca, incluyendo una inyección de bicarbonato para eliminación de gases ácidos y otra de carbón activo para moléculas orgánicas. Una particularidad muy importante de este proceso es que, debido a la adecuada regulación de la segunda etapa de combustión, la formación de NOx es muy reducida y no exige una etapa específica de reducción de NOx; (los valores de emisiones, sin reducción, son inferiores a los límites establecidos por la normativa de emisiones industriales para las instalaciones de incineración).

La recuperación energética se realiza mediante un ciclo térmico de vapor, con generación a 22/23 bar y 380 ºC, para producir electricidad o agua caliente para calefacción centralizada. Cuando se realiza exclusivamente la recuperación en forma de electricidad el rendimiento es inferior al 20%, por las condiciones de generación de vapor, aunque los datos deben ser confirmados caso a caso.



Desde 1997, se han construido 7 plantas Energos (5 en Noruega, 1 en Alemania y 1 en Reino Unido), con capacidades que varían entre 10.000 y 70.000 t/a. En la actualidad existen otras tres plantas en construcción en Noruega y Reino Unido, con capacidades en torno a 75,000 t/a de residuos.

El relativo éxito reciente de este proceso en UK se debe, fundamentalmente, a que está considerado como una tecnología avanzada de conversión, por la etapa de gas de síntesis, lo que permite un tratamiento económico especial. Además, se ajusta a las necesidades cercanas, lo que le otorga un mayor favor de la opinión pública, de aquí las ventajas de la modularidad.

3.1.6. FOSTER WHEELER

Foster Wheeler ha desarrollado un proceso para la gasificación de biomasa, y CDR mediante un reactor de lecho fluido circulante.

Los residuos se acondicionan para su homogenización y se introducen en el reactor de gasificación, el lecho del gasificador está constituido por una mezcla de arena de sílice y caliza. En el reactor se alcanza una temperatura de 900 ºC que hace que se produzca la descomposición térmica de los residuos generando un gas rico en hidrocarburos. El gas abandona el reactor por la parte superior y pasa a un ciclón que separa las partículas contenidas en el gas y que están constituidas por elementos del lecho y partículas de carbón no degradado. Leal material recogido en el ciclón es recirculado a la parte baja del reactor.

El gas se enfría a continuación hasta los 400 ºC en un sistema de recuperación de calor y es pasado a través de una serie de filtros cerámicos que eliminan los metales pesados y las restantes partículas del lecho. Los residuos separados contienen carbón y óxido de calcio que se recogen separadamente.

El aprovechamiento energético se realiza mediante la combustión del gas y la generación de vapor a alta presión y temperatura. Una vez limpio, el gas tiene pocos elementos corrosivos pudiendo ser aprovechado su calor residual en una caldera diseñada específicamente para este fin que trabaja a una temperatura de 540 ºC que es superior a la de las calderas convencionales. Esta condición, junto con el calor recuperado en el enfriamiento de los gases a la salida del reactor, supone un buen rendimiento térmico del proceso.

El proceso de depuración del gas consiste en una reducción catalítica para el NOx, filtro de mangas con adición de reactivos para eliminación de ácidos. También se adiciona carbón activo para la eliminación de metales pesados y compuestos orgánicos. El sistema de depuración permite cumplir con los límites establecidos en la normativa de emisiones industriales para las plantas de incineración.

Los residuos sólidos de estos filtros son tratados como residuos peligrosos y las escorias recogidas en el fondo del reactor son enviadas a vertedero.



Figura 3.8. Reactor Foster Wheeler de lecho circulante

La planta construida en Lathi está diseñada para tratar 180.000 t/a de CDR con una producción 50 MWe y 90 MW de vapor para calefacción (Distrit Heating).

3.1.7. TPS TERMISKA PROCESSER

TPS ha estado desarrollando sistemas energéticos desde mediados de los 80’s, trabajando muy especialmente en tecnología de gasificación en lechos fluidizados para aplicaciones energéticas, usando biomasa vegetal (madera, bagazo de caña de azúcar, etc.), pero también lignito, coque, carbón y otros combustibles.

La única experiencia con residuos es la planta de combustible derivado de residuos de Gréve -in-Chianti, cerca de Florencia (Italia), con dos líneas de 15 MWt, construida en 1992 y que, en la actualidad, trabaja fundamentalmente con biomasa.

Los residuos, en forma de briquetas o pellets son alimentados al proceso.

El proceso de gasificación se produce en dos reactores de lecho fluido circulante que operan a una temperatura de 850 ºC. En el primero tiene lugar la gasificación parcial de los residuos y en el segundo reactor se produce el cracking de los alquitranes que no se hayan gasificado en el primero. En este reactor se adiciona también caliza para neutralizar los gases ácidos procedentes de los residuos, esta incorporación es fundamental en el caso de gasificación de biomasa vegetal, por la cantidad de alquitranes producidos.

Cada reactor dispone de un ciclón separador de polvo del gas que está asociado al arrastre de partículas del lecho producido por la velocidad del gasificante en el interior del reactor. Estos polvos son recirculados al reactor correspondiente.



A la salida del segundo reactor el gas es refrigerado y se hace pasar por un filtro de mangas y un scrubber húmedo, con posibilidad de una depuración final para eliminación de H2S.

Figura 3.9. Esquema de proceso TPS-Terminska

La planta de Gréve-in Chianti, consta de dos reactores de lecho fluidizado circulante, con una capacidad de 15 MWt por línea; utilizando hasta 3 t/h de RDF con un PCI entre 16 y 21 MJ/kg.

Aunque el diagrama facilitado muestra un aprovechamiento del gas de síntesis en un ciclo combinado, en la realidad el gas de síntesis generado se quema directamente en una caldera, para producir vapor recalentado y energía eléctrica en un ciclo de vapor convencional, aunque también puede transferirse a una planta industrial, cementera, en las proximidades.

El PCI del gas a la salida del gasificador es del orden de 4.5 a 5.5 MJ/Nm3, aunque la energía total, (incluido el calor sensible), es del orden de 7 a 9 MJ/Nm3.

El gas crudo tiene una composición realmente pobre de gases combustibles, (en torno al 8 % H2, 12 % CO, 8 % CxHy, 13% CO2 y 50% N2), junto a estos componentes mayoritarios, es importante también la presencia de contaminantes, (50 g/Nm3 de polvo, 30 g/Nm3 de alquitranes, 1 g/Nm3 de HCl, 0,8 g/Nm3 de H2S y 1,2 g/Nm3 de NH3).

Debido a esta presencia de contaminantes, el uso más adecuado para el gas es la combustión inmediata, ya que, además de recuperar una cantidad importante de energía, en forma de calor sensible, evita el tratamiento del gas crudo en unas condiciones poco favorables.

Con este proceso se ha construido en Suecia una planta para el tratamiento de biomasa forestal.



Durante los años 90’s TPS desarrolló la parte de gasificación del proyecto de demostración ARBRE de la Comisión Europea que consistió en una instalación de 8 MWe a partir de biomasa vegetal de rápido crecimiento. Este proyecto de demostración se construyó en Eggborough, North Yorkshire en Reino Unido, a finales de los años 90’s pero no se consiguió un estado de funcionamiento permanente por los problemas relacionados con la depuración de gases para su utilización en un ciclo combinado.

3.1.8. ENVIROTHERM – SVZ

Envirotherm ha desarrollado para el complejo de SVZ un proceso de gasificación en lecho fijo, a partir de un desarrollo de Lurgi, con vapor de agua como agente gasificante. El gas producido se depura mediante quench y un sistema de absorción. Parte del gas depurado se utiliza para producir metanol y otra parte para valorización energética mediante una turbina de gas. La planta trata diversos tipos de residuos entre los que se encuentran: lodos, madera, plásticos y residuos urbanos.


- Pretratamiento y alimentación de los residuos

- Gasificación

- Tratamiento del gas crudo


- Tratamiento del gas residual del sistema de tratamiento del gas crudo

Los residuos se tratan previamente a su introducción en el gasificador. El tratamiento dependerá del tipo de residuos las líneas de pretratamiento constan de un molino triturador (granulometría 20 mm.), un separador magnético y un peletizador.

Los residuos acondicionados pasan al gasificador de lecho fijo en contracorriente refrigerado por una camisa de agua. Los residuos son introducidos por la parte superior junto con carbón, para facilitar la gasificación. También se puede adicionar cal que actúa de fundente para las escorias. Por la parte inferior del reactor se introduce oxígeno y vapor de agua.

A distintas alturas del rector se desarrollan diferentes etapas del proceso de gasificación; secado de los residuos (250 – 300 ºC), desgasificación (300 – 600 ºC), desgasificación a alta temperatura (600 – 800 ºC), gasificación (800 – 1000 ºC), oxidación y fusión de escorias (1000 – 1400 ºC). Como la temperatura máxima de trabajo es de 1400 ºC las escorias sufrirían una sinterización pero no una fusión, por ello para conseguir esta fusión se emplea un quemador en el anillo situado en la base del reactor.

El gas crudo producido de refrigera generando vapor, agua y productos sólidos y líquidos que se reintroducen en el reactor. El agua se emplea en el apagado de la escoria.



Los alquitranes que se recogen en el sistema de depuración de gases junto con otros residuos líquidos que trata la planta (aceites usados,…), se tratan en un gasificador secundario de llama. Estos residuos son introducidos por la parte superior del gasificador junto con oxígeno y gas natural, extrayéndose el gas crudo por la parte inferior del reactor.

Figura 3.10. Esquema de proceso Envirotherm-SVZ

Una vez enfriado el gas crudo se depura en una instalación de absorción a baja temperatura que emplea metanol como absorbente. En esta etapa se retiene los hidrocarburos, compuestos de azufre, polvos, y el 95% del CO2 del gas. El metanol es regenerado a continuación por destilación. En esta depuración se genera un gas con un alto contenido en H2S y CO2 que, después de una deserción, puede destinarse a producción de electricidad. También se producen hidrocarburos que se recirculan al gasificador secundario de líquidos. Existe un quemador de emergencia para los gases que no puedan ser tratados.

Parte del gas depurado puede, utilizarse en la producción de energía y en la producción de metanol. En la actualidad la mayor parte del gas se dirige a la producción de metanol.

La producción de energía eléctrica es mediante un ciclo combinado que consta de turbina de gas, caldera de recuperación de calor y turbina de vapor. Este ciclo combinado suministra el vapor de agua necesario para el reactor de gasificación.



3.1.9. ENERKEM - GARO

Enerkem ha desarrollado un proceso de gasificación en lecho fluido para combustible derivado de residuos y otros residuos como plásticos con dos posibilidades de valorización del gas producido, la recuperación en forma de energía y, recientemente, una segunda posibilidad consistente en la producción de combustibles.

El proceso se inicia con el pretratamiento de los residuos para conseguir una granulometría de 50 mm, esto permite homogeneizar el residuo. En caso de ser necesario, se procederá al secado del residuo para tener una humedad final del 20%.

Un vez adecuado el residuo, es introducido en el gasificador de lecho fluidizado que contiene sílice y/o alúmina en el lecho fluidizante.

A través del fondo del reactor se inyecta el agente gasificante aire o aire enriquecido en oxígeno). Esta inyección permite la fluidificación. La cantidad del agente gasificante depende de las características de los residuos y será tal que suponga el 30% de las necesidades estequiométricas. La humedad contenida en los residuos aporta el vapor de agua necesario para las reacciones de gasificación. La temperatura del reactor varía entre 700 ºC y 900 ºC, también dependiente de los residuos y de la composición deseada para el gas de síntesis. Esta temperatura no causa la fusión de las escorias del reactor.

En el reactor se produce la evaporación del agua contenida en los residuos, la descomposición térmica de la materia orgánica produciéndose gases y carbón, y el craqueo de los compuestos intermedios. El gas producido contiene partículas del lecho, y productos intermedios (alquitranes) y otros elementos volatilizados.

El gas obtenido se puede valorizar directamente en una cámara de combustión siguiendo un proceso similar a otros de gasificación con una depuración posterior de los gases de combustión para cumplir con los límites que establece la normativa de emisiones industriales para las plantas de incineración, ya que en este caso el proceso sería semejante a una incineración en dos etapas.

La otra posibilidad sería la depuración del gas para obtener un gas de síntesis utilizable como materia prima para producir combustibles o, también podría utilizarse para producir electricidad mediante turbinas o motores de gas.

La depuración del gas se realiza mediante unos ciclones para la captura de las partículas contenidas en el gas. Posteriormente se enfría y se procede a la depuración del mismo mediante scrubbers.



Figura 3.11. Esquema del proceso de gasificación Enerkem

El aprovechamiento del gas de síntesis para la producción de combustible ha sido objeto de un reciente acuerdo entre Enerkem y la ciudad de Edmonton (CAN) para la construcción de una planta de gasificación de CDR a partir de residuos municipales para la producción de metanol, etanol y otros productos químicos. Para ello, el proceso que se plantea tiene cuatro etapas

- Preparación de los residuos para producir CDR.

- Gasificación en lecho burbujeante.

- Depuración y acondicionamiento del gas para producir syngas.

- Síntesis catalítica para la producción de metanol, etanol y otros productos químicos.

Figura 3.12. Obtención de combustibles Enerkem



Por otra parte, GARO Engineering ha firmado un acuerdo para la promoción del Proceso de Gasificación de Enerkem en varios países. De acuerdo con este proceso construyó y está operando una planta de gasificación de residuos de plásticos mezclados, procedente de la industria cerámica, situada en Ribesalbes, (Castellón) (Proyecto POLIGAS AMBIENTE S. L.)

Esta instalación, tiene una capacidad nominal de tratamiento de 20,000 t/a de plásticos mezclados, con una capacidad de generación de energía de 8,2 MWe; el autoconsumo de la instalación es de unos 800 kW, por lo que la exportación neta puede ser en torno a 7,2 MWe.

La generación eléctrica se produce en motores de gas operados con gas de síntesis, con un PCI medio del orden de 7 MJ/Nm3, obtenido tras un acondicionamiento intenso del gas crudo.

El proyecto lleva unos dos años en operación, aunque GARO ha debido ajustar algunos parámetros de funcionamiento respecto al proyecto inicial. Uno de estos puntos modificados está relacionado con la producción de alquitranes superior a las previsiones iniciales.

En la actualidad estos alquitranes son cedidos, como combustibles alternativos, a plantas cementeras cercanas, aunque GARO ha desarrollado un gasificador específico para esta corriente residual, para completar así la recuperación energética; este gasificador está en fase de pruebas.

GARO dispone también de una planta piloto para ensayos con otros tipos de residuos; en este sentido, han desarrollado ensayos de gasificación con rechazos de Ecoparc y con diferentes mezclas de residuos de origen urbano, biomasa, papeleros, lodos de depuradora, glicerina, etc.

Junto a la gasificación para producción de electricidad, GARO Engineering también tiene previsto el desarrollo de la utilización del gas de síntesis como materia prima para la producción de combustibles.

3.1.10. ALBAIDA RECURSOS NATURALES Y MEDIOAMBIENTE, SA

Albaida Recursos Naturales y Medioambiente ha instalado, en Níjar, (Almería), una planta de producción de energía eléctrica a partir de biomasa constituida por residuos vegetales de invernadero a través de un proceso de gasificación seguido de una combustión directa del gas crudo en una caldera anexa al gasificador.



Figura 3.13. Esquema planta gasificación Albaida

Fuente: Albaida Recursos Naturales y Medioambiente SA

Los residuos de invernadero, que tienen una humedad superior al 50 %, se almacenan para que se sequen de forma natural, hasta que se alcanza un valor del 15 al 20 % de humedad, lo que supone un periodo de almacenamiento de unas tres semanas.

Una vez seco el residuo se conduce a un molino de cuchillas donde es troceado en tamaños de 1 ó 2 cm. y se conduce a una tolva y desde donde se alimenta al gasificador.

El gasificador, de patente Chiptec, es un horno con una capacidad de tratamiento de 2,7 t/h de residuos, con parrilla alternativa sobre la que se introducen los residuos manteniendo un nivel constante.

Las condiciones idóneas para la gasificación se consiguen mediante la introducción por la parte inferior de la parrilla de la cantidad de aire necesario para crear la atmósfera reductora y alcanzar una temperatura de 725 ºC, aproximadamente

Los gases procedentes de la gasificación se queman, con exceso de aire, en la cámara de combustión de una caldera de recuperación, en la que se produce vapor recalentado a 25 bar y 270 ºC, con el que se acciona una turbina de vapor.

A la salida de la caldera los gases pasan por una batería de ciclones para separar las partículas de polvo, que son evacuadas a vertedero junto con las cenizas del hogar.

La instalación no puede ser considerada una gasificación de residuos, ya que en ella se produce una incineración directa, aunque ésta tenga lugar en dos etapas.

Debido a los residuos que trata, agrícolas exclusivamente, la planta no es objeto de la normativa de emisiones industriales en lo referente a incineración de residuos, lo que hace que los



requisitos de depuración no sean un elemento complejo y suponga un incremento de los costes haciendo viable esta forma de valorización energética para estos residuos en particular.

Por las condiciones de los residuos, con humedad muy variable dependiendo de la estación, y de las condiciones de aprovechamiento energético (presión y temperaturas bastante inferiores a las normales para este tipo de aplicaciones), el rendimiento energético de la instalación no es uno de los aspectos más destacables (ni importantes) de la misma. El aspecto más importante está relacionado con la adecuada gestión de cantidades muy importantes de residuos que, de no eliminarse de esta forma, podrían suponer riesgos ambientales y de salud vegetal en el entorno agrícola cercano.

3.1.11. LISTADO DE REFERENCIAS DE GASIFICACIÓN

Tabla 3.2. Relación de tecnólogos de gasificación

Tecnólogo Proceso Residuos5 Observaciones

7 Hills (SUI) Gasificación en lecho fijo en contracorriente

CDR Estado demostración. Basado en el proceso Thermoselect – JFE.

Ahlstrom Pyropower (FIN)

Gasificación en lecho fluidizado

Biomasa, CDR, residuos de envases,

El tecnólogo se ha asociado con Foster Wheeler que es el nuevo promotor.

AHT Pyrogas (ALE) Gasificación en lecho fijo en paralelo

Virutas de madera Cuenta con varias plantas que tuvieron problemas al inicio.

Babcock & Willcox Volund (DIN)

Gasificación en lecho fijo en contracorriente

Madera, Biomasa Cuenta con una planta de referencia.

Biomass Engineering (UK)

Gasificación en lecho fijo en paralelo

Madera Diez gasificadotes de pequeño tamaño funcionando.

Biomass Technology Group (HOL)

Gasificación en gasificador vortex

Biomasa Pequeña planta piloto.

Biosynergi Process (DIN) Gasificación en lecho fijo

Madera Planta de demostración.

Carbona (FIN) Gasificación en lecho fluidizado

Madera Planta piloto.

Chemrec (SUE) Gasificador de flujo arrastrado

Residuos industria papel

Planta demostración.

Chevron Texaco (USA) Gasificador de flujo arrastrado

Carbón, coque de petróleo, residuos

refinería

Existen diversas plantas en funcionamiento para estos tipos de residuos. Se ha intentado aplicar el proceso a otros residuos (plásticos), pero sin desarrollo.

5 Los acrónimos usados para los distintos residuos son los siguientes: RSU: Residuos Sólidos Urbanos, CDR: Combustible derivado de Residuos, CSR: Combustible Sólido Recuperado, NFU: Neumáticos usados




Choren Industries (ALE) Gasificador de lecho arrastrado

Madera, plásticos Planta demostración con residuos de madera para producir combustibles líquidos. Planta piloto del proceso para residuos plásticos.

Condens (FIN) Gasificación en lecho fijo en contracorriente

Madera Planta demostración.

Conoco Phillips

(USA)

Gasificador de flujo arrastrado

Carbón, coque de petróleo

Planta comercial de gasificación de carbón.

Cosmo Powertech (IND) Gasificación en lecho fijo en contracorriente

Biomasa Se tienen referencias de pequeños gasificadores operando en acerías.

DM2 Verwertungstechnoloien (ALE)

Gasificación proceso patentado “Tecnología de reformado en etapas”

Biomasa Tres plantas piloto para aplicación del proceso a pequeña escala.

Dasagren (SUI) Gasificación en lecho fijo en paralelo

Madera Planta de referencia.

Eagle (JP) Gasificación en dos etapas

Carbón Planta demostración.

Ebara (JP) Gasificación en lecho fluidizado

RSU, otros residuos industriales

Varias plantas comerciales.

Ebara/Ube (JP) Gasificación en dos etapas

Residuos plásticos Conversión en amoniaco vía gasificación. Una planta comercial.

Ecologia Informatica (ITA)

Gasificación en horno rotatorio

CDR Una planta en operación.

Emery Recycling (USA) Gasificación en lecho fijo en contracorriente

RSU, madera

NFU troceados

Plantas piloto con NFU y madera. Se intenta ampliar pruebas a RSU.

Energos (NOR) Gasificación + combustión

RSU, CDR Seis plantas comerciales de pequeña y mediana escala (varias líneas).

Enerkem (CAN) Gasificación en lecho fluidizado burbujeante

CDR, residuos plásticos Plantas demostración. Planta comercial para plásticos. Proyecto planta para producción de etanol a partir del syngas.

Enerwaste (USA) Gasificación + combustión

RSU Pequeñas plantas de demostración.

Entech (AUS) Gasificación pirolítica + combustión

CDR Plantas de referencia tratando CDR con combustión en dos etapas.

Envirotherm (ALE) Gasificación en contracorriente

Gasificación en

CDR, plásticos, lodos + carbón

Madera, CDR, residuos

Basado en el proceso Lurgi. Dos plantas piloto.

Planta comercial operando




lecho fluidizado circulante

diversos + lignito conjuntamente con una cementera.

EPI (USA) Gasificación en lecho fluidizado

Biorresiduos, residuos industriales

CDR

Lodos y Madera

Una planta de referencia.

Planta piloto en pruebas.

No se tiene referencias para estos residuos.

Eqtec Iberia (ESP) Gasificación en lecho fluidizado

Biorresiduo industrial Planta comercial para cáscara de almendra.

Fluidyne (NZ) Gasificación en lecho fijo en paralelo

Madera Plantas comerciales para biomasa a pequeña escala.

Foster Wheeler (FIN) Gasificación en lecho fluidizado

Madera, NFU, plásticos, biomasa

Tiene referencias sobre todo para biomasa.

General Electric (USA) Gasificador de flujo arrastrado


refinería

Ha adquirido y comercializa el proceso Chevron Texaco.

Global Energy (USA) Gasificador de flujo arrastrado

Carbón, coque de petróleo, otros residuos

Basado en el proceso Conoco Philips intenta ampliar el campo de aplicación. Planta piloto.

Hitachi (JP) Gasificación en lecho fluidizado

RSU Plantas de referencia de tamaño mediano.

HOST (HOL) Gasificación en lecho fijo

Madera, biomasa Referencias en pequeñas plantas de gasificación de biomasa.

IGT-U-Gas (USA) Gasificación en lecho fluidizado

Carbón Planta piloto operando. Varias plantas de demostración.

IET Energy (UK) Gasificación pirolítica + combustión

CDR Comercializa la tecnología Entech en UK, sin referencias.

Interstate Waste Technologies (USA)

Gasificación alta temperatura

RSU Basado en el proceso Thermoselect. Sin referencias.

ITI Energy (UK) Gasificación en lecho fijo en paralelo

CDR, Madera Plantas piloto y demostración para tratamiento de biomasa, pero menos experiencias con RSU y CDR.

JFE (JP) Gasificación en contracorriente

Gasificación alta temperatura

RSU

RSU

Existen plantas comerciales con esta tecnología.

Proceso Thermoselect modificado con varias plantas de referencia.

Kawasaki Heavy Industries (JP)


Gasificación en contracorriente

RSU

RSU

Dos plantas comerciales.

Nuevo desarrollo. Pequeña planta de demostración.

Kawasaki – Giken (JP) Gasificación en contracorriente

RSU Cinco pequeñas plantas de referencia con fusión de de




escorias.

KRW (USA) Gasificación en lecho fluidizado

Carbón Una planta comercial que ha presentado problemas. No existen expectativas de nuevas plantas.

Kobe Steel (JP) Gasificación en lecho fluidizado

RSU Seis plantas comerciales con fusión de cenizas.

Krupp Uhde (ALE) Gasificador de flujo arrastrado


Carbón

RSU

Una planta comercial para carbón.

Sin plantas de referencia.

Kuntschar Energieerzeugung (ALE)


Madera Varias plantas pequeñas de referencia.

Lurgi (ALE) Gasificación en lecho fluidizado circulante


Madera, biomasa

Carbón

Cuenta con varias plantas de referencia. El proceso esta siendo comercializado por Envirotherm.

Diversa plantas de comerciales de referencia.

Martezo Renewable Energy (FRA)


Madera Diversas plantas de referencia de pequeño tamaño.

Mitshubishi Heavy Industries (JP)


RSU Planta de demostración que incorpora fusión de cenizas.

Mothermic (ALE) Gasificación en lecho fijo

Madera Pequeñas plantas de referencia.

Nipón Steel Engineering (JP)

Gasificación en contracorriente

RSU Tecnólogo con el mayor número de plantas comerciales de referencia.

NKK (JP) Gasificación en contracorriente

RSU, plásticos,

Residuos fragmentación

Ocho plantas comerciales de referencia.

Novera (UK) Gasificación en lecho fluidizado

CDR, CSR Tiene licencia del proceso Enerkem. No existen referencias.

Planet Advantage (UK) Gasificación + combustión

RSU, CDR Planta de tamaño medio con combustión directa del gas generado.

PRM Energy System (USA)


Biomasa Varias plantas de referencia gasificando biomasa (cáscara arroz y madera principalmente).

Primenergy (USA) Gasificación en lecho fijo en contracorriente

Biomasa, CDR Comercializadores proceso PRM. Planta piloto para CDR, sin experiencias en este campo.

Propone (SUI) Gasificación en lecho fijo en paralelo

Madera, residuos comerciales e industriales

Dos plantas piloto una se está adaptando para pruebas con residuos comerciales e industriales.




Puhdas/Absolute Energy (FIN)


Madera Tres plantas de referencia a pequeña escala.

Pyroforce (SUI) Gasificación en lecho fijo

Biomasa Planta piloto

Pyromex (SUI) Gasificación a alta temperatura

Lodos, RSU Planta de pruebas. Planta pequeña capacidad para lodos. Sin experiencias con RSU.

Radhe (IND) Gasificación lecho fijo

Biomasa, briquetas Informan de varias plantas de referencia.

Repotec (Austria) Gasificación en lecho fluidizado

Madera Planta demostración.

Rheinbraun (ALE) Gasificación en lecho fluidizado

Lignito, lodos, plásticos Varias plantas que tratan mezclas de estos materiales.

Shell Global Solutions (HOL)

Gasificador de flujo arrastrado


refinería

Planta demostración y varias referencias comerciales.

Siemens (ALE) Gasificador de flujo arrastrado

Carbón Con tecnología Noell. Tiene una planta en construcción.

SilvaGAs (USA) Gasificación en lecho fluidizado circulante

Madera, RSU Planta demostración para madera que presentó problemas operacionales. Sin referencias para RSU.

Sumitomo Heavy Industries (JP)


RSU Planta demostración.

Texaco (USA) Gasificador de flujo arrastrado


refinería

Diversas plantas en funcionamiento para estos tipos de residuos.

Termogenics (USA) Gasificación en lecho fijo en contracorriente

NFU, CDR Dos plantas, una parada y la otra con operación intermitente.

TPS (Termiiska) (SUE) Gasificación en lecho fluidizado en dos etapas

CDR, biomasa Planta de demostración para CDR. Planta comercial tratando madera.

VER (ALE) Gasificación en lecho fluidizado

Biomasa Planta piloto.

Vista Internacional (USA)

Gasificación+ Combustión

RSU Planta operando intermitentemente.

Waste-to-Energy (UK) Gasificación en lecho fijo en paralelo

Lodos, otros residuos Dos plantas piloto, ahora paradas.

Waterwide (NZ) Gasificación en parrillas + combustión

Madera, biomasa Varias plantas de pequeña escala de referencia.

Wellman Process Gasificación en Madera Planta piloto.




Engineering (UK) lecho fijo en contracorriente

Xylowatt (BEL) Gasificación en lecho fijo en paralelo

Madera Varias plantas de referencia a pequeña escala.

3.2. Tecnologías de pirólisis

De acuerdo con las bases de datos JUNIPER de febrero 2008 sobre procesos de pirólisis gasificación convencional y gasificación por plasma había recogidas en torno a 25 referencias de empresas de pirólisis de distintos tipos de residuos, en actualización de mayo de 2009 este número se redujo considerablemente. Estas tecnologías tienen muy diferente grado de desarrollo desde fase conceptual, pasando por estados de planta piloto o planta de demostración, siendo muy pocas las que han llegado a la fase comercial. Por otra parte, la pirólisis suele ir acompañada de una gasificación de los productos y de una combustión en la propia instalación de los gases, semejando el proceso a una incineración en dos etapas. La situación de diferentes tecnologías de pirólisis más relevantes y su implantación actual se resume a continuación.

Compact Power

Esta tecnología es una combinación de pirólisis lenta y gasificación de la totalidad de los productos de la pirólisis por lo que se ha desarrollado en el apartado de gasificación.

Mitsui R-21

Utiliza el proceso de Siemens, que esta compañía decidió abandonar al no ser capaz de comercializarlo con garantía. Mitsui lo ha desarrollado en Japón, donde ha construido seis plantas desde el año 2000, con capacidades que varían entre 50,000 t/a y 120,000 t/a de residuos urbanos.

Thide Environment

Ha construido una planta de 50.000 t/a en Arras, Francia, para tratar RSU, aunque un 20% de la capacidad está destinado a residuos de carácter industrial y lodos. No existen otras referencias en Europa. Sin embargo, el proceso está siendo comercializado en Japón, donde existen varias plantas con capacidades entre 10,000 y 70.000 t/a.

WasteGen

Tiene la planta de pirólisis Burgau, Alemania con una capacidad de aproximadamente 50.000 t/a funcionando desde 1984. Como consecuencia de las experiencias recogidas se ha realizado una nueva planta en Hamm, Alemania, con su capacidad de 100.000 t/a que ha de servir de



referencia para plantas de una capacidad elevada de tratamiento, esta planta se alimenta con CDR realizado a partir de lo que queda del tratamiento de la fracción resto tras un tratamiento mecánico biológico.

Tabla 3.3. Plantas de pirólisis de principales tecnólogos


Compact Power Avonmouth. UK Pirólisis, gasificación y oxidación a alta temperatura

8.000 t/a Residuos especiales y hospitalarios

Mitsui Babcock

Yame Seibu,

Toyohashi,

Ebetsu

Koga

Nishi Iburi

Kyouhoku

Hamamtasu

Yangiu City

Pirólisis + Combustión

70.000 t/a

120.000 t/a

50.000 t/a

70.000 t/a

70.000 t/a

50.000 t/a

135.000 t/a

60.000 t/a

RSU

Thide Environment

Arras, Francia

Izumo, Japón

Itoigawa,

Nakaminato,

Pirólisis/termólisis

50.000 t/a

70.000 t/a

25.000 t/a

8.000 t/a

RSU, residuos industriales y lodos

WasteGen/ Techtrade

Burgau,

Hamm,

Pirólisis

Pirólisis 48.000 t/a 100.000 t/a

RSU, lodos CDR, lodos

3.2.1. MITSUI R-21 BABCOCK

El proceso Mitsui R-21 desarrollado por Siemens es una combinación de pirólisis y un sistema de combustión con fusión de escorias. Siemens construyó una planta en Fürth, pero experimentó muchos problemas técnicos y no se logró poner en marcha este proceso, retirándose de este mercado.

Sin embargo, Mitsui logró poner en marcha y hacer funcionar el proceso con éxito, en Japón.

Los residuos pasan por la etapa de pretratamiento donde, después de la clasificación manual para recuperar el material reciclable, los residuos son triturados a un tamaño máximo de partícula de 200 mm. Los residuos son transportados mediante tornillo al horno rotativo. Esta etapa fue causa de numerosos problemas en la planta de Fürth debido a la heterogeneidad de los residuos.

Los residuos triturados entran en un horno rotativo, calentado indirectamente, hasta una temperatura de 450 ºC, operado con presión negativa, sin aportación de aire. El tiempo de residencia dentro del tambor es aproximadamente 1 hora y los vapores combustibles son



conducidos directamente a la cámara de combustión de alta temperatura, que funciona a 1,300 ºC.

Figura 3.14. Esquema del proceso Mitsui

La fracción sólida entra en un enfriador y de la misma se recuperan los metales ferrosos y no ferrosos y se separa el material inerte. El sólido que queda, constituido por la fracción combustible, carbón, se tritura hasta un tamaño de partícula de 1 mm, se mezcla con polvo procedente de la limpieza de gases y se inyecta, directamente, a la cámara de combustión, donde se quema con el gas procedente de la pirólisis.

El diseño de la cámara de combustión permite el funcionamiento a una temperatura elevada, del orden de 1.300 ºC, para reducir la potencial formación de dioxinas y de NOx. Al mismo tiempo, todos los sólidos alimentados a la cámara son fundidos.

La energía térmica de los gases de combustión se valoriza energéticamente mediante un ciclo de vapor convencional para generar electricidad

Los gases de combustión proporcionan la calefacción indirecta necesaria para el reactor de pirólisis y el resto de la energía se utiliza en una caldera que genera el vapor para alimentar una turbina y producir electricidad que cubre las necesidades internas y el excedente se exporta a la red exterior.

Los gases de combustión son depurados en dos filtros de mangas en serie. En esta etapa se contempla la recuperación de yeso y HCl.



Como se ha comentado, los sólidos procedentes de los filtros de mangas y las cenizas volantes de las calderas son retornados al proceso, junto con el carbón pirolítico, de forma que las únicas salidas de sólidos de la instalación son las escorias fundidas de la cámara de combustión y los residuos de los tratamientos de los gases ácidos.

Los resultados de las emisiones medidas en la planta de Toyohashi se muestran en la tabla 3.4.

Tabla 3.4. Resultados emisiones Planta Toyohashi

Elemento Unidad Resultado emisión

Polvo mg/Nm3 < 1

SO2 mg/Nm3 56.2

HCl mg/Nm3 35,8

NOx mg/Nm3 45.9

Dioxinas Ng/Nm3 I-TEQ 0.0032

Con 12% O2 en base seca

Mitsui ha construido, desde el año 2000, ocho plantas siguiendo el mismo proceso, destinadas al tratamiento de residuos urbanos.

La planta Toyohashi se hizo totalmente operacional en marzo de 2002 después de un período de unos cuatro años de puesta en servicio y construcción, es una de las plantas de tratamiento de RSU más grandes en Japón con dos líneas de proceso que juntas alcanzan 400 t/d.

La planta recibe residuos con un PCI del orden de 8,4 MJ/kg, que supone una energía primaria de 2,33 MWh/t, la cual es convertida en una producción energética media de 330 a 360 kWh/t.

La producción contrastada de electricidad de la planta se estima en 8,7 MWe

Aún cuando los datos del balance energético detallado de la planta de Toyohashi no han sido suministrados por Mitsui, puede obtenerse esta información de plantas similares utilizando el mismo proceso, (Planta de Seibu, Fukuoka)

El balance de energía en la planta es como se indica en la tabla 3.5.

Los residuos tratados son de origen urbano, comercial, e industrial, excluyendo los residuos peligrosos y los residuos hospitalarios.

Por cada tonelada de residuos alimentados en esta planta, se obtienen 28 kg de metales ferrosos y 4 kg de metales no ferrosos, de 17-20 kg de HCl, de 6-9 kg de yeso y 140 kg de escoria.



El proceso Mitsui R-21 es una de las tecnologías más comercializadas para el tratamiento térmico de residuos en Japón, aunque el proceso no se ha desarrollado en otros países distintos al Japón.

Tabla 3.5. Estimación de balance energía Planta Toyohashi

Entradas de energía % Salidas de energía %

Residuos 100.0 Gases de chimenea 12.2

Agua de calderas 15.9 Recirculación de gas a pirol. 2.8

Recirculación de gas caliente 1.9 Residuos de APC 0.08

Recirculación de cenizas 0.05 Vapor generado 85.8

Aire de combustión 0.14 Enfriador de carbón pirolisis 3.0

Quemador de emergencia 0.85 Escorias fundidas 1.0

Perdidas de calor 9.1

3.2.2. THIDE

El proceso desarrollado por Thide, EDDITh®, fue el resultado de la colaboración entre Thide Environment, el IFP (Instituto Francés del Petróleo) y CEA (Comisariado Francés de la Energía Atómica). Consiste en la pirólisis en horno rotatorio con una cámara de combustión de alta temperatura con quemador de NOx y depuración de los gases de combustión y del residuo sólido generado en el horno de pirólisis. Las investigaciones se reflejaron en la construcción en 1992 de la planta piloto de Vernouillet en Francia.

El objetivo fundamental del proceso es el tratamiento de los residuos urbanos para obtener un producto sólido combustible que pueda ser utilizado como combustible alternativo en instalaciones térmicas convencionales (especialmente en cementeras).

El proceso EDDITh® consta de las siguientes etapas:


- Tratamiento térmico, pirólisis y combustión.

- Depuración de los gases de combustión y acondicionamiento del combustible sólido obtenido

El pretratamiento de los residuos pretende eliminar los componentes inertes y metales y son triturados para conseguir la granulometría y homogeneidad adecuadas antes de la alimentación en el reactor. La parte final de este pretratamiento consiste en el secado de los residuos para reducir su humedad hasta valores cercanos al 10 – 15 %, utilizando parte de la energía residual del proceso de combustión del gas de de síntesis. El aire emplead en el secado se introduce en un ciclón que recoge las partículas que han podido ser arrastradas.



Los residuos secos, sin metales y con el tamaño de partícula adecuado, entran en el reactor de pirólisis constituido por un horno rotatorio con una camisa exterior por la que circulan gases calientes. La temperatura del reactor varía entre 450 ºC y 700 ºC, dependiendo del tipo de residuos, con atmósfera libre de oxígeno, durante un tiempo de residencia de los residuos en el horno es de unos 45 a 60 minutos.

Del reactor de pirólisis se obtienen dos fracciones: un producto sólido carbonoso y una mezcla de gases y alquitranes.

- El gas producido se mantiene a temperatura de 400 ºC y es quemado en una cámara de combustión a 1.200 ºC como un combustible gaseoso convencional. Parte del gas quemado se utiliza para calentar exteriormente el reactor de pirólisis señalado anteriormente y para secar el residuo y el subproducto sólido obtenido. El resto de la energía se aprovecha energéticamente.

- El sólido carbonoso es lavado y sometido a una separación para retirar los elementos metálicos que pueda llevar y los inertes. Las sales solubles son separadas por cristalización del agua de lavado. Una vez acondicionado, este producto carbonoso es denominado Carbor®.

El Carbor® se almacena y, en su mayor parte, es transportado y utilizado como combustible en otras instalaciones, como por ejemplo, en cementeras.

Este subproducto, que supone casi el 25% de la alimentación total de residuo, contiene hasta un 35 % de carbón.

Los efluentes líquidos procedentes del lavado del sólido carbonoso se llevan a una planta de tratamiento de aguas residuales, para separar la carga contaminante, sales y metales pesados.

A la temperatura de operación en la etapa de pirólisis, los metales pesados volátiles acompañan a la corriente gaseosa. Tras la combustión de los gases, estos metales pesados son retenidos en el tratamiento de los gases.

Aquellos metales pesados que no han sido volatilizados quedan contenidos en el Carbor® y que no han sido eliminados mediante el lavado del producto pueden condicionar el uso del mismo, especialmente porque aparecerán en las cenizas de combustión.



Figura 3.15. Diagrama del proceso EDDITh®

Al trabajar en la cámara de combustión a temperaturas de 1.200 ºC, se destruyen las emisiones de dioxinas/furanos. Sin embargo, en las posteriores etapas de enfriamiento de los gases, para calentamiento del horno de pirolisis o para secado de los gases, será posible la formación de los contaminantes, por tanto, las garantías de emisiones dependen de los sistemas de tratamiento de los gases de combustión.

La temperatura del horno de pirólisis no es suficientemente alta para asegurar la destrucción de las dioxinas ni para asegurar la ausencia de las mismas en el residuo carbonoso, por lo que la combustión del Carbor® debe hacerse en determinadas condiciones e instalaciones.

En cuanto a los NOx, la baja temperatura y la ausencia de oxígeno hacen que en el reactor de pirólisis no se formen estos compuestos. Sin embargo, la posterior combustión del gas produce NOx cuyo valor medio en la planta piloto está en torno a los 470 mg/Nm3, valor alto que se justifica por las condiciones no optimizadas en que trabaja el quemador.

El proceso puede tratar la mayor parte de las fracciones de residuos urbanos y residuos industriales, comerciales, residuos de desguace de vehículos, plásticos, papel, neumáticos, residuos electrónicos, lodos de aguas residuales deshidratados, chips de residuos de madera etc. Se ha señalado que existe una limitación respecto al contenido de humedad, que se limita al 10 % del peso de los residuos alimentados.

El Carbor® producido combina las ventajas de un combustible sólido (facilidad de transporte y almacenamiento) con la calidad ajustable según su uso final. Se puede garantizar las



características de calidad del subproducto del combustible sólido crudo que puede ser usado en hornos de cemento o, previa pulverización, como combustible en centrales térmicas convencionales, aunque en este caso deberá prestarse atención a la posible presencia de contaminantes, metálicos y orgánicos, en el combustible.

La planta de Arras, única en operación en Europa, comenzó su funcionamiento en junio de 2004, con una capacidad estimada de 50.000 t/a de residuos urbanos sin separación previa y de lodos de depuradora y con una flexibilidad de operación entre el 60% y el 110 % del valor nominal.

En la actualidad existen instaladas varias plantas en Japón de este proceso. Una en la región Nakaminato, y otra en la región Itoigawa, con capacidades en 10,000 t/a. y 20.000 t/a, respectivamente, en colaboración con Hitachi. Posteriormente se construyeron una planta en Izumo de 70,000 t/a y otra en Itoigawa de 25,000 t/a.

3.2.3. WASTEGEN

El proceso WasteGen denominado Materials and Energy Recovery Plants (MERPS), está integrado dentro de un centro de tratamiento de residuos, consiste en una pirólisis realizada en un horno tubular calentado externamente, a continuación hay una cámara de combustión al altas temperaturas.

El proceso está constituido por las siguientes etapas


- Tratamiento térmico, pirólisis y combustión.

- Recuperación energética

- Depuración de los gases de combustión

Los residuos se conducen a unos trituradores donde se reduce su tamaño a un máximo de 300 mm. Una vez triturados son conducidos al horno de pirólisis.

El horno es un horno rotatorio con una camisa metálica por la que circulan los gases de combustión procedentes de la cámara de combustión. La temperatura de entrad de los gases en la camisa es de 1.200 ºC y la de salida de 650 ºC lo que permite tener en el interior del horno una temperatura de 550 ºC. A esta temperatura, en ausencia de oxígeno, se produce la pirólisis de los residuos generando un gas pirolítico y un residuo sólido que se extrae del horno para su tratamiento posterior. En el reactor suele incorporarse algún producto alcalino, (caliza), para prevenir la formación de gases ácidos. El tiempo de residencia de los residuos es de 1 hora, variará en función de los residuos a tratar.

La diferencia fundamental con otros procesos de pirólisis es que no se produce una condensación de aceites pirolíticos sino que solo se produce una fracción gaseosa, que arrastra los alquitranes,



El gas de pirólisis pasa a través de un ciclón de alta temperatura donde se elimina la mayor parte del polvo presente en el gas. A continuación el gas se introduce en una cámara de combustión con exceso de aire y se quema a una temperatura de 1.250 ºC. En esta etapa se producen los gases de combustión de los cuales, una parte se recirculan para calentar el horno y otra se emplean para generar vapor. Una parte de este vapor se utiliza en una turbina de vapor para generar electricidad y la otra parte se emplea en un invernadero.

Los gases de combustión son depurados mediante un sistema vía seca con inyección de bicarbonato de sodio y carbón activo para después pasar por unos filtros de mangas, este sistema permite cumplir con los límites de emisión. Los residuos sólidos del tratamiento son depositados en una mina de sal.

El residuo sólido se introduce en un baño de agua para su enfriamiento, Está compuesto por carbón, inertes, vidrio y metales, debido a que no se realiza selección alguna a la entrada de la planta. Se realiza una separación magnética recuperando los metales férricos. El resto se envía a monovertedero.

Con este proceso existen dos plantas. La primera, en Burgau, se alimenta con 36,000 t/a de residuos urbanos, y lodos de depuradora previamente secos. El contenido de humedad es el orden del 25% en peso y el porcentaje de residuos inorgánicos es cercano al 30%. El PCI medio de los residuos es de 8,5 MJ/kg, con oscilaciones entre 5 MJ/kg y 14 MJ/kg.

Figura 3.16. Diagrama de la planta WasteGen en Burgau

La planta dispone de dos hornos rotativos de 3 t/h de capacidad nominal, de 2,2 m de diámetro y 22 m de longitud, calentados exteriormente con el gas procedente de la combustión del gas de pirólisis.



El residuo sólido del horno de pirólisis también se aprovecha para recuperación de materiales. WasteGen no indica ningún tratamiento especial para este residuo secundario, que contiene hasta un 26 % de carbono. La cantidad de residuo secundario es de 0,3 t/t de residuo que se procesa, (lo que indica que la recuperación material es más nominal que real).

3.2.4. CONRAD INDUSTRIES

Aunque inicialmente el proceso de Conrad Industries consideraba los residuos urbanos para su proceso, el desarrollo posterior ha orientado el mismo a la valorización de plásticos, neumáticos y residuos industriales. Éste tipo de residuos puede dar lugar a una mayor fracción líquida de alquitranes, que al separarse a la salida del horno de pirólisis, podrán ser condensados y utilizados como fracción líquida.

El proceso de pirólisis desarrollado por Conrad, ART, está especialmente aplicado a despolimerización de plásticos. En el esquema no se incluye el sistema de combustión de los gases de pirólisis, que forman parte ineludible de la planta ya que sirven para el calentamiento del reactor de pirólisis.

Figura 3.17. Esquema proceso ART

Los residuos son triturados para lograr el tamaño adecuado y se introducen en el reactor que es un horno rotatorio en atmósfera de nitrógeno y calentado exteriormente con parte del gas de pirólisis procedente del propio residuo.

Los factores principales que determinan la capacidad de la planta y los productos que resultan después del tratamiento son el tipo de residuo, la temperatura, la transferencia de calor y tiempo de residencia.



La fracción incondensable, constituida por hidrocarburos sencillos, se destina al calentamiento del horno de pirólisis y al secado de los residuos, si resultara necesario ya que la humedad es otro de los parámetros limitantes del proceso. En este caso, los gases se queman en una cámara de combustión que, como otras instalaciones pirolíticas donde se actúa de forma semejante, está sujeta a los requisitos normativos de las plantas de incineración.

Los sólidos separados en el sistema de depuración de gases pueden tener metales pesados, y deben ser encapsulados o inertizados antes de su vertido.

Los productos del proceso son:

- Aceites pirolíticos, que pueden usarse como combustibles alternativos, (pero cuya carga de contaminantes puede limitar el uso de los mismos).

- Carbón, que puede tener un uso en cementeras; sin embargo, en la información no se hace mención a ningún uso específico de este subproducto/residuo.

La proporción de cada una de las corrientes del proceso depende de los tipos de residuos alimentados; en todos los casos debe destacarse el gran rendimiento en aceites de pirólisis y bajo contenido en carbón pirolítico para los plásticos.

Tabla 3.6. Rendimientos del proceso ART con diferentes residuos

Gases Aceites Carbón Otros

Neumáticos 21 36 32 8 % acero; 3% agua

Poliestireno 7 90 3

Polipropileno 42 55 3

Polietileno 37 60 3

La aportación fundamental de este proceso es su experiencia, relativa, en la pirolisis de plásticos y neumáticos. Actualmente, Conrad Industries tiene una planta piloto de 24 t/día y otra de 3 t/h en funcionamiento en Chehalis (EEUU).

3.2.5. DYNAMOTIVE

Dynamotive comercializa un proceso de pirólisis rápida para el tratamiento de biomasa, residuos forestales y agrícolas para obtención de aceites de pirólisis y carbón.

Los residuos son triturados y acondicionados hasta tener un tamaño de partícula de 2 mm. y un 10% de humedad. Una vez acondicionados son introducidos en un reactor de lecho fluidizado burbujeante calentado indirectamente por los gases resultantes de la combustión de los productos incondensables. Los gases se limpian en un precipitador electrostático antes de introducirlos de nuevo en el reactor de lecho fluidizado.



La temperatura del proceso oscila entre 450 y 500 ºC, que es inferior a la temperatura habitual de los procesos pirolíticos convencionales. Esto es debido a las características de los residuos alimentados y se traduce en una menor formación de gases incondensables y un mayor rendimiento en los productos valorizados.

Los productos obtenidos del proceso, partiendo de residuos forestales, son aceites pirolíticos, bio oil, (65 %), carbón (15 %) y gases combustibles, (20 %).

Figura 3.18. Esquema proceso Dynamotive

Dynamotive ha llevado a cabo ensayos varios tipos de biomasa residual, pero, finalmente, se ha concentrado en los residuos de madera y bagazo de caña de azúcar, que tienen ambos una gran cantidad de celulosa.



3.2.6. LISTADO DE REFERENCIAS DE PIRÓLISIS

Tabla 3.7. Relación de tecnólogos de pirólisis


Balboa Pacific (USA) Pirólisis + combustión

RSU Se produce la combustión inmediata de los productos del proceso. Hay referencias de dos plantas en construcción.

Brightstar Environmental (AUS)

Pirólisis + gasificación

RSU Planta comercial de tamaño medio. Problemas con la gasificación del char han hecho que pare la planta.

Compact Power (UK) Pirólisis + gasificación + combustión

Residuos médicos/farmacéuticos

RSU, CDR

Planta comercial para residuos médicos. Se han realizado pruebas para otros residuos. Comprada por Ethos Recycling.

Conrad Industries (USA) Pirólisis en horno rotatorio

RSU, NFU, plásticos Varias plantas de referencia

Dynamotive Pirólisis rápida Biomasa Varias plantas de referencia

EarthFirst Technologies (USA)

Pirólisis + combustión

NFU troceados Planta piloto

GEM (UK) Pirólisis rápida RSU, biorresiduo En teoría producen syngas para su aprovechamiento energético. Existe planta piloto sin el aprovechamiento energético.

Lemar Environmental (NZ)

Pirólisis + combustión + vitrificación

Lodos EDAR Planta de demostración con problemas de funcionamiento que han parado el desarrollo.

Mitsui – R21 (JP) Pirólisis + combustión + fusión

RSU A partir del proceso Siemens modificado, existen seis plantas comerciales de referencia.

Nexus (FRA) Pirólisis al vacío RSU, CDR Planta piloto.

Okadora (JP) Pirólisis NFU Planta demostración.

PKA (ALE) Pirólisis + combustión + fusión

RSU, CDR, RCD

Lodos EDAR

Dos plantas piloto para lodos y dos pequeñas plantas para los otros residuos. Se ceden las licencias a Toshiba.

Prestige Termal Equipment (RSA)

Pirólisis rápida RSU Está desarrollando el acoplamiento del proceso a la valorización del syngas en motores. Sin referencias.

Siemens (ALE) Pirólisis + Cpmbustión

RSU, RCD La planta comercial en Europa tuvo problemas en las pruebas y se cerró. El proceso se ha licenciado a Mitsui.

6 Los acrónimos usados para los distintos residuos son los siguientes: RSU: Residuos Sólidos Urbanos, CDR: Combustible derivado de Residuos, NFU: Neumáticos usados, Lodos EDAR, Lodos Estación Depuradora de Aguas Residuales, RCD: Residuos Construcción y Demolición




Takuma (JP) Pirólisis en horno rotatorio + fusión

RSU, residuos de fragmentación

automóvil

Basada en tecnología Mitsui. Tres plantas de pequeña escala.

TechTrade (ALE) Pirólisis en horno rotatorio

RSU, lodos EDAR Planta piloto.

Thermoselect (SUI) Pirólisis + gasificación + fusión

RSU Planta demostración. La planta comercial en Europa tuvo que cerrar. El proceso está licenciado en Japón donde hay varias plantas comerciales.

Thide Environment (FRA)

Pirólisis en horno rotatorio

RSU, residuos industriales

El objetivo del proceso es la obtención de combustible sólido. Referencias de varias plantas comerciales.

Toshiba (JP) Pirólisis + gasificación + fusión

Residuos de fragmentación de

automóvil

Sin referencias.

Traidec (FRA) Pirólisis + combustión

NFU, residuos industriales, lodos EDAR

Planta piloto para NFU, actualmente parada.

UTA Valley Energy (USA)

Pirólisis NFU, residuos diversos Sin referencias de plantas.

Von Roll (SUI) Pirólisis + combustión en lecho fluidizado + fusión cenizas

RSU Se hizo un rediseño para planta de incineración, pero no ha habido nuevas referencias.

Waste Gas Technology (UK)

Pirólisis rápida Biomasa, lodos EDAR El objeto del proceso es la producción de syngas para su utilización en motores. Planta demostración.

WasteGen (UK) Pirólisis en horno rotatorio

RSU Sin referencias.

Ze-gen (USA) Pirólisis + fusión RCD Planta piloto.

3.3. Tecnologías de gasificación por plasma

Como en las otras tecnologías, las bases de datos obtenidas de la bibliografía tenían identificadas en el año 2008 en torno a 25 tecnologías de gasificación mediante plasma; en la actualidad quedan reducidas a 8. Estas tecnologías, con diferentes grados de desarrollo, se han venido usando en el tratamiento de residuos peligrosos y residuos hospitalarios; sin embargo, apenas se han aplicado para el caso de los residuos urbanos, por lo que las experiencias para éstos se reducen a plantas piloto o de demostración.



La mayor planta de gasificación con plasma que trata residuos urbanos en conjunto con otros residuos está en Japón, cuyos condicionantes de gestión de residuos, ambientales y económicos son diferentes a los existentes en Europa.

A continuación se reseñan las tecnologías de gasificación por plasma más relevantes y su situación.

Westinghouse

El proceso es una combinación de un gasificador en lecho móvil con antorchas de plasma en el fondo. Cuenta con planta piloto para pruebas y validación. Westinghouse ha llegado a acuerdos con diversos tecnólogos que son los que comercializan procesos basados en esta tecnología.

Hitachi Metals

A partir de la tecnología Westinghouse, Hitachi ha construido una planta comercial para el tratamiento de residuos urbanos y residuos de la fragmentación de automóviles (ASR). La planta ha sido desarrollada después de comprobar el funcionamiento adecuado de la unidad de demostración de Yoshii, durante 1999-2000. Esta planta de demostración tenía una capacidad 24 t/día de RSU.

La antorcha plasma y el generador de gas fueron desarrollados por Westinghouse Plasma Corporation. El resto de la planta fue construido por la Hitachi Metals Corporation. El gas de síntesis producido en el reactor se quema inmediatamente en una cámara de combustión a alta temperatura, que permite la fusión de las cenizas y la recuperación de metales. Posteriormente el calor de combustión se recupera en un ciclo térmico de vapor.

La planta ha estado funcionando desde el año 2002, pero se ha informado que ha tenido algunos problemas técnicos de funcionamiento.

Integrated Environmental Technologies

El proceso, denominado Plasma Enhaced Melter, utiliza, como reactor de gasificación, una cámara de fusión por antorcha de plasma de arco transferido.

Tiene tres plantas de referencia. Las plantas existentes son de pequeña capacidad y tratando residuos peligrosos y hospitalarios, esta última planta ha tenido algunos problemas de operación. No tiene referencias con residuos urbanos. El proceso está orientado a la vitrificación de las escorias (conteniendo los elementos peligrosos) y no tanto a la valorización energética de los residuos vía gasificación.

Europlasma

Europlasma es una compañía especializada en la aplicación del plasma en usos industriales, metalurgia, en el campo de los residuos en la destrucción de residuos peligrosos (vitrificación).



El proceso de de Europlasma permite el tratamiento para distintos tipos de residuos peligrosos mediante antorcha de plasma en arco no transferido y vitrificación de cenizas.

La tecnología de vitrificación se está utilizando en Japón para las cenizas de incineración. En Europa, existe un proyecto de planta para tratamiento de residuos peligrosos y otro de más capacidad para residuos industriales y biomasa.

Plasco/HERA

Plasco promociona la gasificación mediante plasma para el tratamiento de mezclas de residuos industriales, urbanos, hospitalarios, de fragmentación, etc. En un comienzo, operó una planta piloto de plasma con una capacidad de tratamiento de 5 t/h de residuos, que, en su momento, fue autorizada para el tratamiento de PCB.

En el año 2007, Plasco puso en marcha una planta de demostración, de 85 t/ día de capacidad, para analizar la viabilidad técnica y económica de la tecnología para el tratamiento de los residuos municipales del área metropolitana de Ottawa. No se señala las características de los mismos, aunque está contemplada la exclusión de residuos inertes. Sí está prevista la utilización de cantidades apreciables de residuos con elevado PCI (plásticos y neumáticos usados). Durante su periodo de pruebas la planta tuvo diversos problemas de malfuncionamiento. Está prevista la renovación del contrato para una ampliación de la planta hasta 405 t/día, pero por diferentes motivos no se ha concretado este desarrollo.

Plasco ha llegado a un acuerdo con el HERA para el mercado europeo. Desde 2004, se dispone de una segunda planta piloto de plasma situada en Castellgalí (Barcelona), en la que están ensayando el tratamiento de diferentes tipos de residuos, entre ellos rechazos de los tratamientos de los Ecoparques y de plantas de clasificación de residuos, contrastando los modelos teóricos.

Solena Group

Solena es un grupo muy activo en la promoción de esta tecnología para los residuos urbanos, pero aunque ha presentado varios proyectos, ninguno se ha desarrollado.

El proceso seguido por Solena se realiza en un reactor esbelto, con un funcionamiento que recuerda a un gasificador de lecho fijo y flujo de gas ascendente. Este gasificador ha sido desarrollado a partir del Westinghouse.

Los proyectos presentados por Solena están orientados a la valorización energética con producción de energía eléctrica mediante ciclos combinados. No existen otras propuestas relacionadas con utilización material del gas de síntesis.

Solena tiene un acuerdo con Acciona para el desarrollo exclusivo de proyectos en el ámbito español.



Startech Environmental

La tecnología de Startech es la convencional de reactores de plasma de pequeña capacidad, con plantas construidas de hasta 10 t/d de residuos.

Las aplicaciones indicadas en las referencias están más vinculadas al tratamiento de residuos peligrosos que de residuos urbanos. Con esta tecnología existe una planta en Mihama, con una capacidad de 5 t/día para el tratamiento de PCB y residuos contaminados con PCB. También se indica como referencia, una planta suministrada al Departamento de Defensa de EEUU, en Maryland, para la destrucción de munición y armamento militar obsoleto.

Es estas plantas la valorización energética es considerablemente menos importante, ya que el objetivo fundamental es el tratamiento de residuos peligrosos.

Tabla 3.8. Plantas con tecnología de gasificación por plasma


Hitachi Metals Utashinai. (JP) Gasificación por plasma 150 t/día RSU + ASR

Plasco/HERA Ottawa, (CAN)

Castellgalí, (ESP)

Gasificación por plasma


85 t/día

5 t/día

RSU+NFU+Plásticos

Rechazos Ecoparque

Europlasma Morcenx (FRA) Gasificación por plasma 137 t/día Residuos industriales

Startech Mihama, (JP) Gasificación por plasma 5 t/día Residuos peligrosos, PCB

InEnTec Honolulu, (USA)

Izuka (JP) Gasificación por plasma

3 t/día

10 t/día

Residuos Hospitalarios

Residuos industriales y plásticos

3.3.1. HITACHI METALS

Hitachi ha construido en 2003, la planta de gasificación a escala comercial más grande del mundo a partir del proceso Westinghouse en la localidad de Utashinai, Japón.

La antorcha plasma y el generador de gas fueron desarrollados por Westinghouse con experiencia en el campo del plasma y el resto de la planta fue desarrollado y construido por la Hitachi Metals Corporation.

La planta trata un conjunto de residuos constituido por residuos urbanos y residuos de fragmentación de automóvil.

La planta de Utashinai, cuenta con dos líneas de gasificación de 150 t/día de capacidad, fue desarrollada después de comprobar el funcionamiento adecuado de la unidad de demostración de Yoshii, Japón, durante 1999-2000. Esta planta de demostración tenía una capacidad 24 t/día de RSU.



El reactor y el proceso son bastante similares a reactor de gasificación de lecho fijo con flujo ascendente, con la carga de residuos por la parte superior, de esta forma, los residuos son secados, pirolizados y finalmente gasificados en su trayecto descendente hacia el fondo del reactor, donde están situadas las antorchas de plasma.

El proceso requiere la adición continua de coque, (4 ÷ 7 % de la cantidad de residuos, para el caso de RSU), este coque tiene como función principal el mantenimiento de las características fluidodinámicas del lecho, aunque también es importante su aportación de PCI.

También se añade cal a la masa de residuos alimentados (< 1% en peso), que actúa como fundente y facilita a eliminación de las escorias desde la parte inferior del horno, al tiempo que produce una cierta inertización de los gases ácidos que pudieran producirse en el reactor.

Cuando la corriente de alimentación se mueve hacia abajo por el reactor, el coque ayuda a mantener la porosidad del lecho y asegura la distribución uniforme de los gases calientes ascendentes desde la zona de las antorchas y que producen la reacción de pirólisis y de secado en la parte superior del lecho.

El reactor plasma, que funciona en 1.500 ºC – 5.500 ºC en la parte inferior del reactor, convierte la materia prima en principalmente monóxido de carbono e hidrógeno, que es usado para la generación de energía.

En la figura se muestra un esquema del reactor de plasma, con indicación de las diferentes zonas de reacción:

Figura 3.19. Reactor Westinghouse/Hitachi

La instalación tiene dos líneas de proceso con 2 antorchas de plasma de 300 kW cada una.



Como en la mayor parte de las instalaciones japonesas, el gas de síntesis producido en el reactor se quema inmediatamente en una cámara de combustión a alta temperatura, que permite la fusión de las cenizas y la recuperación de metales. Posteriormente el calor de combustión se recupera en un ciclo térmico de vapor.

Tras la recuperación energética, los gases de combustión se someten a depuración, siguiendo un proceso convencional.

La refrigeración rápida de la corriente fundida por inmersión en un baño de agua hace que el material vitrificado se fracture en partículas parecidas a la arena mientras los metales residuales forman nódulos que pueden ser separados del residuo vitrificado para el reciclaje

La información referida a la tecnología de recuperación de energía no está disponible, excepto la que indica que la planta produce aproximadamente 8 MWe de la energía eléctrica, de la cual 4.3 MWe son exportados a la red exterior.

La planta de Utashinai fue diseñada para el tratamiento de RSU en una mezcla del 50 % con residuos de desguace de vehículos, para una capacidad de 200 t/día. En la actualidad trata principalmente los residuos de desguace de vehículos (ASR).

Diferentes pruebas distintos tipos de residuos han demostrado que pueden utilizarse mezclas muy distintas: desde un RSU de bajo valor calorífico (6,5 MJ/kg), hasta residuos procedentes de desguaces de automóviles (ASR), con un PCI elevado, (18 MJ/kg).

Además de esta planta se cuenta con otras referencias consistentes en plantas de capacidad reducida, instaladas en Japón; dos de ellas, (Yoshii con una capacidad de 24 t/d de RSU en funcionamiento desde 1999 y Mihama-Mikata con una capacidad de 17 t/d de RSU y lodos de EDAR desecados, en funcionamiento desde diciembre 2002), pueden ser consideradas como plantas de demostración pero la tercera (Utashinai) es una aplicación industrial clara.

3.3.2. EUROPLASMA

Europlasma es una compañía especializada en la aplicación del plasma en usos industriales, metalurgia, en el campo de los residuos en la destrucción de residuos peligrosos (vitrificación).

Europlasma ha comercializado plantas de fusión de ceniza su vitrificación para instalaciones de incineración de residuos urbanos en Francia y Japón. También han construido y operar una planta de destrucción de residuos de amianto en Morcenx, Francia. Actualmente, la compañía está expandiendo su negocio en energía a partir de residuos y ha desarrollado el proceso de CHO -Power.

El proceso de De Europlasma comprende una etapa de gasificación primaria sobre la base de un sistema de parrilla móvil donde se produce la gasificación. El gas producido pasa a través de un reactor de afino mediante plasma donde la alta temperatura y en condiciones de ausencia de



oxígeno se produce el craqueo de las moléculas de mayor peso molecular y de los hidrocarburos líquidos presentes para producir un gas de síntesis compuesto por CO, H2 y trazas de CH4.

Se puede incorporar un segundo reactor de plasma para fundir los residuos (inorgánicos) del gasificador y producir una escoria vitrificada que puede ser utilizada en construcción e ingeniería civil. Este elemento es el que se está aplicando en las plantas de incineración para la fusión de las escorias.

El gas de síntesis limpio se valoriza energéticamente en motores de gas para producción de electricidad.

Figura 3.20. Proceso Europlasma

Europlasma ha construido su primera planta comercial en Morcenx, Francia. La instalación está diseñada para tratar anualmente 37.000 toneladas de residuos industriales y 15.000 toneladas de astillas de madera. Las previsiones de valorización son la producción de 12 MW de energía eléctrica para exportación a la red y de 18 MWt de calor que realizará el secado de las astillas secas. La planta cumplirá con la normativa aplicable a plantas de incineración con recuperación eficiente de la energía de la UE.

El proceso todavía no ha tenido un funcionamiento continuo prolongado a escala comercial, por lo que no hay datos de sus rendimientos por el momento.

Como se ha señalado, Europlasma ha suministrado su sistema de fusión de plasma de escorias y cenizas a una serie de plantas de incineración en Japón para las tareas de fusión de cenizas de

fondo.



3.3.3. PLASCO/HERA

Plasco tiene veinte años de experiencia en la aplicación de la tecnología plasma a los residuos sólidos y la recuperación energética, habiendo operado una planta piloto desde 1986.

El proceso para el tratamiento de residuos utiliza antorchas de plasma para limpiar el gas de síntesis producido y otra antorcha de plasma para fundir los residuos inorgánicos.

El proceso consta de dos etapas esenciales; el tratamiento de los residuos y tratamiento/refino del gas y la generación de energía.

Los residuos son triturados y entran en la cámara de tratamiento donde se gasifican y se convierten en un gas crudo usando el calor reciclado de los tratamientos de plasma (gasificación de baja temperatura). La temperatura en esta etapa es de 700 ºC.

El gas crudo producido fluye a la cámara de refinamiento donde se usan antorchas de plasma para refinar el gas, también se produce el craqueo de los alquitranes formados en la gasificación de los residuos, y transformarlo en gas de síntesis. La temperatura alcanzada es de 1.200 ºC. El gas de síntesis se envía a través de una unidad de depuración para eliminar los elementos contaminantes: azufre, partículas, gases ácidos y metales pesados.

Figura 3.21. Esquema del proceso Plasco

El residuo sólido de la cámara de tratamiento se envía a un receptáculo de recuperación de carbono a alta temperatura separada que está equipado con una antorcha de plasma en donde se funden los sólidos. El calor del plasma se utiliza para estabilizar (fundir) los sólidos y convertir cualquiera de los compuestos volátiles restantes y el carbono fijo en un nuevo gas de síntesis crudo. Este gas de síntesis crudo adicional se devuelve a la cámara de tratamiento de los



residuos. Cualquier resto de sólidos quedan fundidos en forma de escoria líquida y se enfrían en pequeñas bolas de escoria. Los gránulos de escoria son un residuo vitrificado inerte, no se produce lixiviación, y se puede vender como agregado para construcción.

El aprovechamiento energético consiste en que el gas de síntesis se utiliza para alimentar los motores de gas que generan electricidad directamente con una eficiencia superior a la del ciclo de vapor convencional. El calor residual recuperado de los motores se combina con el calor residual recuperado de enfriamiento del gas de síntesis en una caldera de recuperación de calor residual para producir vapor. Este vapor puede ser utilizado para generar electricidad adicional utilizando una turbina (ciclo combinado), o puede ser utilizado para su uso en procesos industriales o para calefacción local (Distrit heating). Se estima que el motor genera el 70 % de la energía mientras que la turbina de vapor produce el 30%.

Mediante un acuerdo con entre Plasco y HERA, desde 2004, se ha desarrollado una instalación piloto de referencia, situada en Castellgalí (Barcelona), en la que están ensayando el tratamiento de diferentes tipos de residuos, contrastando los modelos teóricos y permitiendo el diseño de instalaciones de mayor capacidad, tanto en España como en el exterior.

En el año 2007, en Ottawa, Plasco comenzó un periodo de pruebas de una de una planta de demostración, de 85 t/d de capacidad, ampliable hasta 200 t/d, para analizar la viabilidad técnica y económica de la tecnología para el tratamiento de los residuos municipales del área metropolitana de Ottawa.

La información disponible de la instalación no indica si los residuos urbanos deben ser sometidos a algún tipo de pretratamiento ni se señalan las características de los mismos, aunque está contemplada la exclusión de residuos inertes. Sí está prevista la utilización de cantidades apreciables de residuos con elevado PCI, (plásticos y neumáticos usados, hasta un 10 % de la masa total de residuos alimentados).

En octubre de 2008 la planta comenzó a aportar energía a la red. Durante su periodo de pruebas la planta tuvo diversos problemas de de funcionamiento. En diciembre de 2012 se firmó un contrato entre la ciudad de Ottawa y PLASCO para la construcción de un planta para tratar 405 t/día de residuos municipales, con una producción de 0,9 MWhe netos por cada tonelada de residuo tratado. Debido a problemas con la financiación el inicio de la construcción de la planta ha sufrido retrasos. Y la empresa tiene hasta finales de 2014 para encontrar esta financiación.

Respecto la planta piloto de Castelgalí, las partes más significativas son las siguientes:

- Sistema de alimentación de residuos. Constituido por un sistema de doble tolva que permite la dosificación simultánea y controlada de distintos tipos de residuos. La alimentación al reactor se realiza por medio de tornillos sinfín.



- Sistema de reacción por tratamiento térmico por plasma. Consiste en un reactor cilíndrico con recubrimiento interior de material refractario adecuado para las altas temperaturas de funcionamiento, como se indica en la figura.

Figura 3.22. Reactor Plasco/HERA planta piloto Castelgalí

Posición dela antorcha

salida de gas crudo

Entrada de residuos

Drenaje escoria

- Una antorcha de plasma, de arco no transferido, con una potencia de 200 kW está colocada en el techo del reactor y tiene capacidad de movimiento automático, que permite el acercamiento y orientación de la pluma de la misma sobre el lecho de residuos incandescentes.

El reactor tiene una carga inicial de escoria (residuos inertes), que se calienta hasta una temperatura del orden de 900 ºC antes de poner en marcha la antorcha de plasma.

El gas crudo producido en el reactor pasa a una etapa de tratamiento. La primera etapa es la separación de partículas sólidas mediante de un ciclón. Las partículas sólidas son recirculadas al reactor, mezcladas con la alimentación de residuos. Posteriormente, el gas es enfriado por una inyección de agua en el de la corriente de gas. Una vez enfriado, el gas se lava en contracorriente en un scrubber para eliminar los gases ácidos producidos en el reactor y los metales pesados, de manera que se permita la utilización del gas de síntesis en las etapas posteriores de aprovechamiento.

El gas tratado y saturado de agua se alimentará al motor al que está acoplado un generador, aunque antes debe eliminase el exceso de humedad. Este secado no es necesario si el gas se destina a combustión pero deben respetarse las exigencias del fabricante del motor en caso de usarlo como combustible.

En la planta de Castelgalí se han realizado ensayos con mezclas sintéticas de rechazos del Ecoparc 1 de Barcelona y rechazos de reciclado de materiales plásticos, aunque también se han realizado anteriormente otros ensayos con los rechazos de clasificación reciclado de bricks.



3.3.4. SOLENA GROUP

Solena ha desarrollado un proceso de tratamiento de plasma integrado (SPGV) que consiste en:

- La producción de gas de síntesis por gasificación para su utilización integrada dentro de un ciclo combinado para la producción de energía eléctrica.

- La vitrificación de residuos especiales que, en algún caso, puede combinarse con la gasificación de los mismos, si sus características lo permiten.

La etapa de producción de gas (IPGCC) puede ser implementada de manera independiente.

El proceso de Solena tiene un funcionamiento semejante al que se produce en un gasificador esbelto de lecho fijo y flujo de gas ascendente.

Solena desarrollo su proceso a partir del reactor de Westinghouse y uno de los aspectos más significativos consiste en la utilización de carbón, en cantidades variables según el tipo de residuos.

Esta utilización se realiza fundamentalmente para poder disponer de un lecho de gasificación de características adecuadas, de forma que el lecho de carbón actúa como soporte activo (por su elevada temperatura) de la masa de residuos alimentada. Esto permite una gran homogeneización de temperatura dentro de la masa de reacción y favorece unas condiciones uniformes de reacción, favoreciendo la transformación de los residuos en gas crudo.

El carbón sufre también las reacciones de gasificación (y en consecuencia contribuye a la generación de gas de síntesis) aunque la velocidad de gasificación (consumo de carbón) es inferior a la de los residuos. Para mantener las características del lecho es necesaria una aportación continua que depende de los residuos alimentados. En el caso de los residuos urbanos la aportación es relativamente baja, del orden del 3% en peso, en relación con los residuos alimentados

Otro aspecto del proceso es la utilización de cal, esta adición está muy relacionada con la etapa de vitrificación, ya que la cal actúa como fundente de las escorias, mejorando las propiedades de colada de las mismas. También debe considerarse el efecto neutralizante en los gases ácidos que pudieran producirse en el reactor a partir de compuestos halogenados.

También es usual la alimentación de oxígeno puro o de aire enriquecido con oxígeno en el reactor. El objetivo de esta adición es reducir la cantidad de inertes (nitrógeno) en el gas de síntesis, aumentando así su poder calorífico del mismo y reduciendo las pérdidas energéticas en el enfriamiento rápido del gas crudo. El uso de oxígeno supone un incremento de coste (o de autoconsumo de energía) que debe ser adecuadamente valorado.



Los proyectos analizados por Solena y sus propuestas están orientados a la valorización energética con producción de energía eléctrica. No existen otras propuestas relacionadas con utilización material del gas de síntesis.

La forma de valorización propuesta por Solena es por medio de ciclos combinados de gas y vapor. Dependiendo del tamaño de la instalación podrá ser posible la instalación de sistemas de turbinas de gas y vapor, aunque para tamaños de planta reducidos se seleccionan motores térmicos con aprovechamiento de la energía residual.

El proceso IPGCC consta de cuatro etapas:

- Pretratamiento de los residuos. Para adecuarlo a los requisitos exigidos por el proceso, se retiran los metales y vidrio para su reciclado y el resto se seca y tritura

- Gasificación y vitrificación por plasma. En el reactor (SPGV) se encuentran tres antorchas de plasma situadas en la parte inferior del gasificador. Esta situación supone unas necesidades energéticas menores que en el rector Westinghouse. Se dispone de un lecho a base de carbón y el aire de gasificación está enriquecido con oxígeno que mejora la gasificación en la zona superior a las antorchas. Los materiales con cadenas de carbono se gasifican y los materiales inorgánicos de los residuos se vitrifican simultáneamente en forma de una escoria vítrea inerte, esto los hace adecuado para su uso como materiales de construcción.

- Enfriamiento y depuración del gas. Se procede a la eliminación de los gases ácidos, metales pesados y partículas, una vez enfriado, del gas crudo.

- Aprovechamiento energético, mediante ciclo combinado de motores o turbinas de gas y turbinas de vapor (para los gases de bajo poder calorífico.

En la figura 3.23 se muestra un reactor típico del proceso Solena, que recuerda los reactores de gasificación autotérmica de lecho fijo y flujo de gas ascendente.

La alimentación de residuos, junto con las cantidades adecuadas de carbón y cal, se produce por la parte superior del reactor mientras que a distintas altura puede inyectarse también aire u oxígeno, para favorecer las reacciones de gasificación.

La posición de las antorchas de plasma en la parte inferior del reactor permite también, como objetivo complementario, la fusión de las escorias y su extracción por medio de una colada. La temperatura en la zona de las antorchas puede ser muy elevada, 4.000 ºC.

Como todas las escorias están obligadas a pasar por la zona de máxima temperatura y a fundirse, las antorchas de plasma actúan como filtros de carbono, evitando que se pierdan cantidades significativas de carbono en las escorias, generalmente sin necesidad de utilizar vapor de agua. De esta forma se puede garantizar fácilmente la calidad de las escorias. La temperatura de las mismas suele ser, generalmente, por encima de 1200 ºC.



El gas de síntesis sale por la parte superior del reactor, a una temperatura elevada, superior a 900 ºC y a veces tan alta como 1200 ºC. En estas condiciones debe esperarse una completa gasificación de los compuestos orgánicos y una destrucción completa de los precursores de compuestos peligrosos. Por ello, el proceso debería conducir a un gas crudo prácticamente exento de alquitranes y polvo de carbón.

Figura 3.23. Reactor Solena (SPGV)

El gas debe ser enfriado rápidamente para evitar reacciones reformación de compuestos orgánicos y, también, porque esta temperatura representa un límite tecnológico importante, especialmente si se tiene en cuenta el carácter reductor de los gases y la presencia de proporciones importantes de hidrógeno y monóxido de carbono.

En la depuración del gas crudo se utilizan tecnologías convencionales, que deben ser adaptadas a la naturaleza del gas y al estado químico de algunos contaminantes, como el azufre.

El proceso SPGV es capaz de aceptar coque de petróleo, carbón, residuos de carbón y biomasa, así como RSU de composición y tamaños variados, con un contenido en humedad variable. Sin embargo, hasta la fecha no tienen referencias de plantas, más allá de las plantas de demostración.

El proceso es térmicamente más eficiente que el de una planta de incineración, por la diferencia de rendimiento entre los ciclos termodinámicos de vapor y de gas.

Sin embargo, como ya se ha indicado al tratar la recuperación energética en las plantas de plasma, estos rendimientos elevados están escasamente contrastados al no haber en



instalaciones en funcionamiento, siendo precisamente este extremo el que causa más incertidumbre en todos los procesos de plasma.

Otra de las posibilidades de aprovechamiento del gas en un futuro que está valorando Solena es la utilización del gas de síntesis como materia prima para producir metanol, diesel u otros combustibles líquidos.

El Grupo Solena es muy activo en la implantación de esta tecnología, aunque hasta ahora no ha desarrollado ninguna planta industrial.

Como se ha señalado, tras la participación de ACCIONA en Solena se están promoviendo nuevos proyectos, en España y en otros países, que podrían ser anunciados en breve, con capacidades de tratamiento razonablemente elevadas.

3.3.5. STARTECH ENVIRONMENTAL

La tecnología de Startech es la convencional de reactores de plasma de pequeña capacidad, con plantas construidas de hasta 10 t/d de residuos.

El proceso de Startech consta de

- Preparación de los residuos. Los residuos son triturados hasta alcanzar el tamaño adecuado.

- Reactor. Los residuos triturados son introducidos en el reactor por la parte superior. La antorcha de plasma se encuentra también en la parte superior del reactor. La elevada temperatura (superior a 10.000 ºC) hace que todos los residuos se descompongan en sus constituyentes elementales. En el reactor se producen dos productos; un gas y un producto vitrificado fundido compuesto por los elementos inorgánicos e inertes, este material no lixivia y puede ser utilizado como material de construcción.

- Depuración del gas. Eliminación de gases ácidos, metales pesados volátiles, partículas.

- Conversión del gas en combustible (hidrógeno o metanol).

La cámara de conversión por plasma consiste en un reactor cilíndrico de acero inoxidable, recubierto de material refractario adecuado para las temperaturas de trabajo.

La antorcha está situada en el techo del reactor, con dispositivos para la orientación y el correcto posicionamiento la misma; la alimentación de residuos también se realiza por la parte superior del reactor.

La cámara de plasma está equipada con puertas de inspección para control y para salida de las escorias.



Las cámaras más pequeñas se diseñan de forma que el material fundido se puede extraer periódicamente mediante un mecanismo automático de vuelco pudiendo permanecer o no la antorcha en funcionamiento durante esta descarga.

Figura 3.24. Esquema del proceso Startech

El sistema de depuración de gases está precedido por un enfriamiento súbito y directo, desde casi 1000 ºC hasta una temperatura inferior a 600 ºC, y posteriormente un lavado hasta 120 ºC.

Debido a las altas temperaturas en el reactor, las aplicaciones indicadas en las referencias están más vinculadas al tratamiento de residuos peligrosos que de residuos urbanos. En este sentido, se indica la existencia de una planta en Mihama, en Kobe, (Japón), con una capacidad de 5 t/día para el tratamiento de PCB y residuos contaminados con PCB. También se indica como referencia, una planta suministrada al Departamento de Defensa de EEUU, en Maryland, para la destrucción de munición y armamento militar obsoleto. En la misma línea está la planta anunciada en China.

En estas plantas la valorización energética mediante la producción de vapor o electricidad es considerablemente menos importante, ya que el objetivo fundamental es el tratamiento de residuos peligrosos.

No obstante, el proceso Startech tiene como objetivo la producción de combustibles a partir del gas de síntesis. En este sentido, ha realizado proyectos con la US-EPA y con el Departamento de Energía para la producción de hidrógeno a partir de residuos mediante tecnología de plasma.

3.3.6. INTEGRATED ENVIRONMENTAL TECHNOLOGIES

El proceso, denominado Plasma Enhaced Melter, utiliza, como reactor de gasificación, una cámara de fusión por antorcha de plasma mediante arco transferido y con electrodos de grafito.

El proceso parece más orientado a la vitrificación de las escorias que a la valorización energética de residuos vía gasificación.

El tratamiento de los residuos se realiza en dos etapas y en dos zonas claramente diferenciadas.; un pre-gasificador y un reactor de gasificación con las escorias fundidas.



El pre-gasificador, a una temperatura de 700 ºC, actúa como zona de tratamiento "preliminar" en el que una mayoría (aproximadamente el 80%) de los compuestos orgánicos de los residuos se convierte en gas de síntesis. El resto de los residuos, que consiste en materiales inorgánicos (inertes, vidrio y de metal), y el resto compuestos orgánicos sin procesar pasa a través de la salida en la parte inferior de la pre-gasificador y cae al reactor. En esta zona se inyecta vapor de agua en el reactor para reformar los gases producidos y facilitar la reacción de los materiales carbonizados.

En el reactor existe una masa vítrea fundida cerca de la zona de arco de plasma donde caen los residuos. El arco de plasma proporciona la energía intensa necesaria para gasificar rápidamente los materiales orgánicos restantes, en esta zona la temperatura es muy elevada, por encima de los 3.000 ºC, y se produce su conversión a gas, que sale del reactor y se dirige a una cámara, que está diseñada para proporcionar un tiempo de residencia adicional a una temperatura lo suficientemente alta para terminar de procesar completamente todos los materiales orgánicos restantes presentes en el gas de síntesis y permitir que la reacción de gasificación alcance el equilibrio. Los electrodos son reemplazados (prolongados) in situ a medida que se van agotando.

Una de las características del proceso es la utilización de dos fuentes energéticas externas, (ambas eléctricas):

- Una de corriente continua para el arco de plasma, para producir el calentamiento de la masa de residuos necesario para la gasificación, incluyendo la fusión de las escorias.

- Otra de corriente eléctrica alterna para el mantenimiento del baño líquido y para permitir la colada del mismo. Esta energía se suministra directamente a la masa fundida mediante electrodos introducidos en la misma.

Esta doble aportación térmica está pensada para reforzar la potencia de transferencia de calor, por lo que son previsibles fenómenos de pirólisis súbita en el reactor. De esta manera se independiza la potencia del arco de plasma de gasificación del proceso de fundición de escorias. Ambas formas de suministro de energía son regulables independientemente, en función del tipo de residuos alimentados.

Según Integrated Environmental Technologies, se han comercializado algunas instalaciones, aunque las referencias son muy escasas y referidas a plantas modulares de capacidad muy reducida, entre 4 y 10 t/día Otra característica es que los residuos objeto de tratamiento están siendo residuos industriales peligrosos, hospitalarios, PCB’s, residuos radiactivos, etc., por lo que quizá plantas piloto o plantas de demostración, por lo que no puede ser considerada una referencia adecuada para plantas de tratamiento de residuos urbanos.



Figura 3.25. Proceso InEnTec

3.3.7. LISTADO DE REFERENCIAS DE GASIFICACIÓN POR PLASMA

Tabla 3.9. Relación de tecnólogos de gasificación por plasma


Advanced Plasma Power (UK)

Combinación de gasificación por lecho fluido y plasma

CDR Planta piloto

AlterNRG (CAN) Gasificación por plasma


Comercializa proceso Westinghouse. Sin referencias

Bio Arc Technologies (USA)


RSU Sin referencias

EER (Environmental Energy Resources) (ISR)

Gasificación en contracorriente asistida por plasma

RSU, CDR Basado en tecnología Radon. Planta demostración

Encore Environmental solutions (USA)


Residuos peligrosos Planta de demostración

Enersol Technologies (USA)


Residuos radiactivos, munición, residuos

diversos

Comercializa el sistema VRI . Diseño conceptual para tratamiento de residuos diversos

Enviroarc Technologies Gasificación en lecho fijo en

Residuos peligrosos Existe una planta de oca capacidad

7 Los acrónimos usados para los distintos residuos son los siguientes: RSU: Residuos Sólidos Urbanos, CDR: Combustible derivado de Residuos, PCB: Pliclorobifenilos




(NOR) contracorriente con plasma

para residuos de curtido.

Europlasma (FRA) Gasificación por plasma + vitrificación

RSU, Residuo industrial La compañía esta intentando aplicar su proceso de plasma al tratamiento de residuos.

General Electric (USA) Gasificación por plasma

RSU, CDR Está desarrollando un proceso para el tratamiento de residuos pero sin referencias por ahora.

Geoplasma (USA) Gasificación por plasma

RSU Basado en el proceso Westinghouse. Sin referencias.

Global Olivine (UK) Gasificación por plasma

Todo tipo de residuos (RSU hasta peligrosos)

Propone un concepto de planta integrada para todo tipo de residuos. Sin referencias.

Hawkings Industries (USA)


Residuos médicos/farmacéuticos,

residuos peligrosos

Basado en el proceso PEAT. Sin plantas de referencia.

Hitachi Metals (JP) Gasificación por plasma

RSU, residuos fragmentación

automóvil

Basado en el proceso Westinghouse. Planta piloto y dos plantas pequeñas que tratan mezcla de residuos, se han detectado problemas de funcionamiento.

IET - Integrated Environmental Technologies (USA)


Residuos médicos, residuos peligrosos

Planta para residuos médicos. Ha tenido problemas. Existen pequeñas plantas de demostración.

Kawasaki Heavy Industries (JP)


PCB, asbestos Basado en proceso IET. Planta de demostración.

PEAT (USA) Gasificación por plasma

Residuos peligrosos, RSU

Plantas demostración a pequeña escala para residuos peligrosos. Se pretende ampliar a RSU, pero no hay referencias.

Plasco (CAN) Gasificación por plasma

RSU Planta piloto y planta demostración semicomercial, ha tenido problemas de funcionamiento.

Plasma Environmental Technologies (CAN)


RSU Planta piloto.

Plasma Pirólisis Systems (USA)


RSU, residuos hospitalarios

Sin referencias.

Plasma Renewable Energy (MAL)


RSU No tiene referencias.

Pyrogenesis (CAN) Gasificación por plasma


Planta piloto.

Radon (RUS) Gasificación asistida por plasma en contracorriente

Residuos peligrosos y radiactivos de baja

intensidad

Planta de demostración. Se ha escalado para planta comercial.




Solena (USA) Gasificación por plasma

RSU Sin referencias de plantas construidas.

Startech Environmental (USA)


RSU, biomasa Planta demostración. El proceso está diseñado para producir hidrogeno y etanol.

Tetronics (UK) Gasificación por plasma

Residuos industriales Experiencias en plasma en procesos metalúrgicos. Sin experiencias ni referencias en tratamiento de residuos.

VRI - Vanguard Research (USA)


Residuos radiactivos Planta demostración.

Westinghouse (USA) Gasificación por plasma

RSU, residuos fragmentación

automóvil

Referencias a través de compañías licenciadas, Hitachi.



4. EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS EMERGENTES

Las tecnologías emergentes son procesos poco probados y de los que existen pocas referencias a escala comercial trabajando con residuos. Por ello, es difícil tener datos y poder estudiar con detalle las referencias de plantas análogas operativas con residuos similares a los que se desea valorizar. Este estudio es algo fundamental en el mundo de los residuos y la base para la garantía de la prestación de un servicio público.

La evaluación del estado de desarrollo de cada nueva tecnología debe fundamentarse, a título meramente enunciativo, en una serie de puntos clave. En efecto, la evaluación de un proceso que tenga como objeto el tratamiento de cualquier fracción contenida en los residuos urbanos o de éstos como un todo uno debe comprender como mínimo:

- Las experiencias. Ya sea a nivel de laboratorio o a nivel piloto industrial, cualquier tecnología aplicable a los residuos urbanos debe basarse en alguna prueba con este tipo de residuos. Es imposible modelar, mediante medios informáticos, un tratamiento de residuo urbano dada su heterogeneidad en forma, tamaño y otras propiedades físicas y químicas.

- Las características y condiciones de los residuos a tratar. No todas las tecnologías son aplicables a todos los tipos de residuos o a la mezcla de ellos. En muchos casos, los residuos deben ser preparados para sustraer aquellos elementos nocivos para el sistema. Esto sucede tanto en las tecnologías de mercado como en las tecnologías emergentes, por eso es imprescindible contestar a esta cuestión.

- Las características de los productos, subproductos y residuos generados. Conocer las propiedades físicas y químicas, así como el comportamiento de estos elementos frente a los agentes atmosféricos es necesario para conocer el destino final: utilización como sustitutivo de otro material, reciclaje como materia prima para un proceso de manufactura o, en el peor de los casos, la eliminación mediante depósito en vertedero, sea del tipo que fuere.

- Los balances de masas, agua y energía. Estos balances son imprescindibles para conocer las cantidades que puede tratar el sistema en cuestión, los contaminantes que se emiten, así como las cantidades de productos y subproductos y su posible destino. Estos balances deben reflejar los consumos de materias primas y recursos escasos como el agua o la energía, fundamentales en el mundo actual, y necesarios para realizar un análisis de ciclo de vida del tratamiento.

- Las condiciones geográficas e impacto visual. Si mediante los balances de masas y las características de las salidas del proceso se conocen la afección al aire, el agua o la tierra, no hay que olvidar otro aspecto del impacto ambiental: la afección al medio circundante. Para abordar este tema, se deben conocer las principales características de una instalación modelo, planos, secciones, cargas,…



- La vida útil de las instalaciones. Aunque no es un parámetro definitorio, es necesario conocer la perdurabilidad de las instalaciones y la necesidad de reposición de las mismas ya que este aspecto también debe contar a la hora de realizar un análisis de ciclo de vida del sistema.

- La robustez de la tecnología. La fiabilidad de las instalaciones existentes, cantidad de horas de funcionamiento continuado sin problemas, la adaptabilidad de la tecnología a los cambios en la composición de los residuos de entrada, …

A continuación, se presenta un sencillo análisis DAFO de cada una de las tecnologías emergentes. Evidentemente, éste se aborda desde una visión general como tecnología, por lo que deberá ser matizado si se aplicara a un caso concreto.

Tabla 4.1. Análisis DAFO de las tecnologías emergentes

Análisis DAFO de la gasificación (sin contar la tecnología de plasma) Debilidades Fortalezas

1. Tecnología sólo demostrada a pequeña escala debido a la dificultad de operación del sistema en el caso de residuos mezclados. Las experiencias más importantes se refieren al tratamiento de residuos de índole monomaterial.

2. Rendimientos energéticos peores que la tecnología de combustión (incineración), si no hay aprovechamiento del gas de síntesis en un ciclo combinado.

3. Gas de síntesis pobre en contenido energético.

4. Inexistencia de un sistema de limpieza adaptado para el gas de síntesis.

1. Menor producción de determinados contaminantes.

Amenazas Oportunidades 1. Incumplimiento de las fórmulas de eficiencia

energética.

1. Utilización de ciclos de producción de energía más eficientes que el ciclo de vapor.

2. Uso del gas de síntesis como materia prima para usos industriales.



Análisis DAFO de la pirólisis Debilidades Fortalezas

1. Carencia de experiencias válidas con RSU. 2. Tecnología aplicada a nivel de laboratorio

sólo a parte de los residuos. 3. Los productos obtenidos contienen una

mezcla muy heterogénea de compuestos que dificultan su uso como materia prima.

4. Consumo necesario de energía para realizar el proceso.

1. Variedad de productos obtenidos (sólidos, líquidos y, en menor medida, gaseosos) y su amplio rango de aplicaciones.

2. Facilidad de gestión de esos productos debido al estado en el que se encuentran, sólido y líquido principalmente.

3. Consumo de pocos recursos, aparte de la energía.

Amenazas Oportunidades

1. Altos costes de preparación del material de entrada a proceso.

2. Obtención de subproductos de difícil gestión.

3. Generación de compuestos indeseados como dioxinas.

4. Adecuación de infraestructuras para el aprovechamiento de los productos generados.

1. Tratamientos a pequeña escala y localizados cerca de los focos de producción.

2. Aprovechamiento de determinada infraestructura existente.

3. Sustitución de combustibles y materias primas importadas.

Análisis DAFO de la gasificación por tecnología de plasma Debilidades Fortalezas

1. Tecnología sólo demostrada a nivel de laboratorio.

2. Rendimientos energéticos peores que la tecnología de combustión, si no hay aprovechamiento del gas de síntesis en un ciclo combinado.


4. Inexistencia de un sistema de limpieza del gas de síntesis.


2. Generación de subproductos inertes.


1. Incumplimiento de las fórmulas de eficiencia energética.

2. Elevado número de proveedores sin experiencias reales, ni siquiera a nivel de laboratorio.

3. Operación y mantenimiento de equipos muy delicados, antorchas de plasma, en un entorno muy agresivo.

4. Interacción de elementos químicos contenidos en los RSU que afecten a la estabilidad del sistema.

1. Menor impacto visual, si se consiguiese limpiar el gas de síntesis.

2. Utilización de ciclos de producción de energía más eficientes que el ciclo de vapor, si se consiguiese limpiar el gas de síntesis.

3. Uso del gas de síntesis como materia prima para usos industriales, si se consiguiese limpiar el gas de síntesis.

4. Recuperación de metales distintos a los habituales, acero y aluminio.

A continuación se realiza un resumen, en forma de tabla comparativa con la incineración con recuperación eficiente de la energía de las tecnologías emergentes en relación con distintos aspectos.



Tabla 4.2. Comparativa de las tecnologías emergentes para tratamiento de residuos urbanos respecto la incineración con recuperación ef. de energía

COMBUSTIÓN - INCINERACIÓN

GASIFICACIÓN

PIRÓLISIS Parrilla Lecho Fluidizado Antorcha de plasma

CV CC CV CC CV CC

Grado de desarrollo

Referencias > 700 < 10 No existen < 10 No existen < 50 No existen No Existen

Máxima capacidad demostrada 40 t/h 6 t/h No hay datos 10 t/h No hay datos 14 t/h No hay datos No hay datos

Disponibilidad > 8.000 h/a ↓ No hay datos ↓ No hay datos ↓ No hay datos No hay datos

Ámbito geográfico Mundial Europeo N/A Japonés N/A Japonés N/A N/A

Entradas Proceso

Residuos alimentados Cualquier residuo Residuo triturado

No hay datos Residuo

triturado No hay datos

Residuo Pelletizado

No hay datos

No hay datos

Granulometría Cualquiera < 100 mm. No hay datos Triturado No hay datos Pelletizado No hay datos No hay datos

Humedad Cualquiera Cualquiera No hay datos Cualquiera No hay datos Baja No hay datos No hay datos

Componentes limitantes No existen No existen No hay datos Contenido en

inertes No hay datos PCI bajo No hay datos No hay datos

Consumos

Energía ≈ 10% energía

producida ←→ No hay datos ←→ No hay datos ↑↑ No hay datos No hay datos

Combustible auxiliar < 2% PCI ←→ No hay datos ←→ No hay datos ↑↑ No hay datos No hay datos

Reactivos ≈ 5% materia

tratada ↓ No hay datos ↓ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Otros N/A N/A No hay datos N/A No hay datos N/A No hay datos No hay datos




GASIFICACIÓN


CV CC CV CC CV CC

Salidas Proceso Energía eléctrica

y/o calor Energía eléctrica

y/o calor No hay datos

Energía eléctrica y/o

calor No hay datos

Energía eléctrica y/o calor

No hay datos No hay datos

Energía 28% PCI ↓ No hay datos ←→ No hay datos ↓↓ No hay datos No hay datos

Residuos sólidos no peligrosos 15% - 20% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ↔ No hay datos No hay datos

Residuos sólidos peligrosos 3% - 5% ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay No hay datos No hay datos

Efluentes líquidos No hay No hay No hay datos No hay No hay datos No hay No hay datos No hay datos

Emisiones gaseosas

Partículas totales < 10 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

HCl < 10 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

HF < 1 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

NOx < 200 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Metales < 0,05 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Dioxinas y furanos < 0,1 nanog/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

SO2 < 50 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

COT < 10 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

CO < 50 mg/Nm3 ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

CO2 9% - 12% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos




GASIFICACIÓN


CV CC CV CC CV CC

COSTES

Inversión ≈ 600 €/tm ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Costes operación Alta variabilidad ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Financieros 45% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Personal 11% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Mantenimiento 17% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Consumos 7% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Gestión outputs 14% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Seguros / impuestos 6% ←→ No hay datos ←→ No hay datos ←→ No hay datos No hay datos

Símbolos y siglas utilizados CV = Solo turbina de vapor para producir electricidad. CC = Ciclo combinado de producción eléctrica turbina de gas + turbina de vapor "↑" indica que el valor es mayor en ese caso que en el de referencia, la combustión. "↓" indica que el valor es menor en ese caso que en el de referencia, la combustión. "←→" indica que el valor es similar al del caso de referencia, la combustión. [2] NOTA: Se produce un residuo sólido que, en teoría, podría servir de combustible, pero no hay mercado para el mismo. [3] NOTA: Estos contaminantes no se emiten porque la entrada de estos elementos está limitada a porcentajes casi nulos. [4] NOTA: No se tienen datos fiables de estos parámetros.



5. CONCLUSIONES

Las tecnologías térmicas emergentes de valorización energética —gasificación, pirólisis y plasma—, están teóricamente bien establecidas, aunque el número de instalaciones dedicadas al tratamiento de residuos urbanos o de la fracción resto de los mismos es muy reducido frente a la incineración con recuperación eficiente de la energía. El interés por estas tecnologías se basa, por una parte, en que son pretendidamente alternativas a la incineración con recuperación eficiente de la energía convencional y, por otra, en que se pueden obtener interesantes rendimientos energéticos a partir de un gas de síntesis, o de unos aceites combustibles o de un sólido combustible, dependiendo de la tecnología. También se considera que los residuos sólidos —escorias—, tienen mejor calidad que las de la incineración. Sin embargo, todas estas pretendidas ventajas no han podido ser acreditadas normalmente en la confrontación con la realidad.

Como se ha comentado, bases de datos sobre estas tecnologías consultadas identificaron en torno a 140 tecnologías, con muy distinto grado de desarrollo entre las mismas y aplicadas a una gran diversidad de residuos —normalmente no urbanos—, que son los que presentan mayores problemas de aplicación para estas nuevas tecnologías. La gasificación autotérmica es el proceso mayoritario, siendo la pirólisis y el plasma los menos desarrollados (en torno a las 25 referencias cada una). En la actualización de las mismas bases de datos para el año 2009 y 2013 se constató una reducción significativa de estas tecnologías. Esto indica que la aplicación de estas tecnologías al campo de los residuos en general, debido a los problemas que surgen por las características de los mismos, es complicada y necesita más desarrollo.

De las tecnologías emergentes, la gasificación es la más difundida, aunque su aplicación al campo de los residuos urbanos no es muy amplia. Todas las tecnologías requieren unas condiciones estrictas de homogeneidad, calidad y estabilidad a lo largo del tiempo para los residuos entrantes, siendo su aplicación más conveniente para flujos de residuos seleccionados (plásticos, NFU, madera, etc.).

Por otra parte, en los procesos de gasificación es necesario el tratamiento del producto gaseoso (gas crudo), para su posterior utilización como producto (gas de síntesis, syngas). A día de hoy, esta etapa no está completamente resuelta, por lo que el modo más común de valorización energética es la combustión del gas crudo producido para generar vapor y electricidad, de forma inmediata, a continuación de su generación. Este modo de operación supone, en la práctica, una incineración en dos etapas, con unos rendimientos similares o peores que los de la incineración con recuperación eficiente de la energía.

Respecto al gas de síntesis, cuando se puede producir, hay que señalar que es distinto (composición diferente), al biogás generado en los procesos de digestión anaerobia ya que se genera de diferente forma y, por tanto, aunque una parte proviene de carbono biogénico, no se considera renovable al cien por cien como lo es el biogás.



La mayor parte de las plantas con estas tecnologías son de pequeña escala. A gran escala, para residuos urbanos, sólo existen referencias verdaderamente significativas en Japón, que tiene unos condicionantes diferentes a los europeos, muy centrados en el vertido mínimo y el aprovechamiento de los materiales, lo que conlleva la vitrificación de las escorias y supone unos rendimientos energéticos bajos con costes muy elevados. Cuando se ha intentado en Europa aplicar estas tecnologías a residuos urbanos, éstos han sido pretratados y mezclados con otros residuos para mejorar sus características. Sin embargo, las plantas han tenido problemas de distinta índole —técnica, ambiental y económica—, que no han permitido lograr los resultados esperados, ni trabajar de una forma estable y continua.

Las causas principales fueron: la dificultad de traspasar una tecnología de gasificación de un producto monomaterial al campo de los residuos sin tener en cuenta la heterogeneidad de estos; complicaciones en el cambio de escala de los laboratorios y plantas piloto a las plantas industriales; dificultades en el control de los reactores debido a la complejidad de las reacciones que entrañan los procesos de pirólisis/gasificación. También se ha de tener en cuenta las dificultades que surgen en la depuración del gas crudo para producir gas de síntesis. Otro aspecto que presenta considerables dificultades para la producción del gas crudo es la eliminación de los alquitranes que se generan en el proceso y están presentes en el gas crudo. Además, está la dificultad en alcanzar los rendimientos energéticos teóricos debido a la calidad del gas generado y su bajo PCI comparado con el gas natural.

Los tecnólogos, normalmente, tienen desarrollados los procesos a escalas pequeñas o medianas. Cuando se necesitan instalaciones de gran capacidad, estas incorporan varios módulos lo que conlleva un incremento de los costes de inversión y la pérdida del beneficio que representa la economía de escala.

La pirólisis suponía la obtención de productos líquidos o sólidos pero la realidad es que, en muchos casos, se ha quedado como un paso previo a la gasificación con la combustión final del gas generado. Este es el modo de trabajo de las plantas que operan a escala industrial. Como en el caso de la gasificación, las referencias principales están en Japón con los mismos condicionantes que en aquélla.

En el caso de la gasificación con plasma, las referencias existentes son en su mayoría para residuos peligrosos y en instalaciones de pequeña capacidad donde la valorización energética es un aspecto secundario y el precio del tratamiento compensa la ineficacia energética. En el campo de los residuos urbanos no existen referencias comerciales. Las referencias que hay con residuos urbanos son cuando están mezclados con otros residuos y en plantas de demostración o de pequeña capacidad. Las expectativas levantadas hace unos años por un par de tecnólogos de la obtención de extraordinarios rendimientos energéticos como contrapartida a los altísimos costes de operación, han resultado un fiasco notable, por lo que ello ha supuesto su práctica desaparición del escenario.

Una circunstancia que dificulta el desarrollo de estas tecnologías, en el campo de los residuos, es el tamaño de la empresa. En la mayoría de los casos se trata de empresas pequeñas con



dificultades para el desarrollo de los procesos y objeto de absorciones por otras con cambio de objetivos o actividad o, simplemente, cese de la actividad.

Tabla 5.1. Análisis DAFO de las tecnologías emergentes Análisis DAFO de la pirólisis

Debilidades Fortalezas

1. Carencia de experiencias válidas con RSU. 2. Tecnología aplicada a nivel de laboratorio

sólo a parte de los residuos. 3. Los productos obtenidos contienen una

mezcla muy heterogénea de compuestos que dificultan su uso como materia prima.

4. Consumo necesario de energía para realizar el proceso.

1. Variedad de productos obtenidos (sólidos, líquidos y, en menor medida, gaseosos) y su amplio rango de aplicaciones.

2. Facilidad de gestión de esos productos debido al estado en el que se encuentran, sólido y líquido principalmente.

3. Consumo de pocos recursos, aparte de la energía.


1. Altos costes de preparación del material de entrada a proceso.

2. Obtención de subproductos de difícil gestión. 3. Generación de compuestos indeseados como

dioxinas. 4. Adecuación de infraestructuras para el

aprovechamiento de los productos generados.

1. Tratamientos a pequeña escala y localizados cerca de los focos de producción.

2. Aprovechamiento de determinada infraestructura existente.

3. Sustitución de combustibles y materias primas importadas.

Análisis DAFO de la gasificación (sin contar la tecnología de plasma)

Debilidades Fortalezas 1. Tecnología sólo demostrada a pequeña escala

debido a la dificultad de operación del sistema en el caso de residuos mezclados. Las experiencias más importantes se refieren al tratamiento de residuos de índole monomaterial.






1. Incumplimiento de las fórmulas de eficiencia energética.

1. Utilización de ciclos de producción de energía más eficientes que el ciclo de vapor.

2. Uso del gas de síntesis como materia prima para usos industriales.



Análisis DAFO de la gasificación por tecnología de plasma

Debilidades Fortalezas

1. Tecnología sólo demostrada a nivel de laboratorio.





2. Generación de subproductos inertes.

Amenazas Oportunidades 1. Incumplimiento de las fórmulas de eficiencia

energética. 2. Elevado número de proveedores sin

experiencias reales, ni siquiera a nivel de laboratorio.

3. Operación y mantenimiento de equipos muy delicados, antorchas de plasma, en un entorno muy agresivo.

4. Interacción de elementos químicos contenidos en los RSU que afecten a la estabilidad del sistema.

1. Menor impacto visual, si se consiguiese limpiar el gas de síntesis.

2. Utilización de ciclos de producción de energía más eficientes que el ciclo de vapor, si se consiguiese limpiar el gas de síntesis.

3. Uso del gas de síntesis como materia prima para usos industriales, si se consiguiese limpiar el gas de síntesis.

4. Recuperación de metales distintos a los habituales, acero y aluminio.

Todo ello hace que en los momentos actuales, las tecnologías emergentes no supongan una alternativa válida y fiable frente a la incineración con recuperación eficiente de la energía (por distintos motivos), para la valorización energética de los residuos urbanos en el marco europeo.

Desde un punto de vista estratégico el uso de este tipo de tecnologías emergentes analizadas presenta varios aspectos fundamentales que no deben ser obviados.

Por una parte, la inexistencia de plantas análogas a escala industrial para el tratamiento de residuos idénticos convierte al promotor municipal en “un conejillo de indias”. Todos los tecnólogos buscan desesperadamente encontrar una administración europea que se convierta en su referencia y en el destino de las visitas de todos sus clientes potenciales. Pero la falta de experiencia hace que cada problema, por pequeño que sea, se convierta en el primero y así el mantenimiento de las plantas posee una incertidumbre muy notable, además de cara.

Los costosos costes de operación de este tipo de instalaciones son pretendidamente compensados por las expectativas que los tecnólogos afirman tener en relación con los



rendimientos económicos de la energía recuperada, en cualquiera de sus formulaciones. Sin embargo, una vez más, la falta de numerosas referencias de comparación hace que estas expectativas no suelan compadecerse bien con los resultados obtenidos incluso a nivel semi-industrial. En numerosas ocasiones se ha pedido a los tecnólogos que garanticen precios y rendimientos, a riesgo suyo, y esto indefectiblemente concluye en la ruptura de negociaciones.

Estas incertidumbres clásicas aconsejan a cualquier administración que quiera asumir el riesgo de una tecnología no probada blindarse ante toda suerte de vicisitudes como las ya citadas o las horas de funcionamiento mediante garantías económicas y penalizaciones muy precisas.



6. APLICACIÓN DE LA NORMATIVA DE INCINERACIÓN A LAS TECNOLOGÍAS TÉRMICAS EMERGENTES

La regulación de las normas de funcionamiento y emisiones de las instalaciones de incineración y coincineración de residuos, se establece en el ámbito de la Unión Europea a partir de la publicación de la Directiva 2000/76/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 4 de diciembre de 2000, relativa a la incineración de residuos. Esta Directiva fue transpuesta al ordenamiento jurídico español a través del Real Decreto 653/2003, de 30 de mayo, sobre incineración de residuos. A su vez, este RD ha sido sustituido y derogado por el Real Decreto 815/2013, de 18 de octubre, por el que se aprueba el Reglamento de emisiones industriales y de desarrollo de la Ley 16/2002, de 1 de julio, de prevención y control integrados de la contaminación.

En el primer RD se consideraban dentro de su ámbito de aplicación todas las tecnologías de gasificación, pirólisis o plasma que trataban residuos. Pero, al no diferenciar el funcionamiento de las mismas en relación con los procesos de combustión propios de las plantas comerciales de incineración de residuos, su aplicación presentaba grandes lagunas siendo de muy difícil utilización por parte de las autoridades autorizantes; esto es, de las administraciones competentes a la hora de otorgar los permisos.

Los preceptos de dicho RD se referían a condiciones para procesos de combustión y, al evaluar un eventual permiso para otro tipo de instalaciones con procesos diferentes, las administraciones tenían que asimilar realidades que técnicamente no eran asimilables. Esto suponía una inseguridad jurídica para los promotores de las instalaciones y un problema de difícil solución para las administraciones autorizantes.

Hay que tener en cuenta que en determinadas configuraciones de funcionamiento de alguna de estas tecnologías, el objetivo perseguido es la obtención de unos productos que son utilizados en otros procesos fuera de la planta de tratamiento de residuos y no la producción de vapor y electricidad en la planta de tratamiento. En estos casos el problema no era que estas instalaciones de nuevo cuño no cumplieran la normativa, sino que las exigencias que debían cumplir carecían de sentido físico.

Cuando se produce algún tipo de valorización energética en plantas de estas tecnologías por la combustión de todos o parte de los diferentes productos que se generan, la aplicación de la antigua normativa de incineración es posible, puesto que lo que se realiza es asimilable a una incineración en dos etapas donde se obtienen unos productos energéticos a partir de los residuos que son combustionados inmediatamente en la propia planta sin adecuación previa.

La situación anterior ha sido corregida en la revisión de la normativa de incineración. Así, el Real Decreto 815/2013, de 18 de octubre, por el que se aprueba el Reglamento de emisiones industriales y de desarrollo de la Ley 16/2002, de prevención y control integrados de la contaminación, deroga el antiguo RD 653/2003 y cuyo Capítulo IV Disposiciones especiales para



las instalaciones de incineración y coincineración de residuos, corresponde a lo regulado por el RD653/2003 que deroga.

En efecto, el Capítulo IV del Reglamento incorpora, en transposición de la Directiva IED, las disposiciones especiales para las instalaciones de incineración y coincineración de residuos, regulando: su ámbito de aplicación; el régimen y el procedimiento de la autorización a que se someten este tipo de instalaciones; cómo debe realizarse la entrega y recepción de residuos: los requisitos que deben cumplir el diseño, equipamiento, construcción y explotación de estas instalaciones: la autorización necesaria para cambiar las condiciones de la explotación; los valores límite de emisión a la atmósfera y el agua; las condiciones de funcionamiento; la verificación del valor de eficiencia energética de las instalaciones de incineración de residuos domésticos; y los deberes de presentación de informes y de información al público en este tipo de instalaciones.

El anejo 2 establece, por su parte, las disposiciones técnicas aplicables para la determinación de los valores límite de emisión de estas instalaciones.

En este Real decreto, hay una nueva definición de instalaciones de incineración de residuos que quedan recogidas en el art. 2.17 como:

«17. «Instalación de incineración de residuos»: cualquier unidad técnica o equipo, fijo o móvil, dedicado al tratamiento térmico de residuos con o sin recuperación del calor producido por la combustión; mediante la incineración por oxidación de residuos, así como otros procesos de tratamiento térmico, si las sustancias resultantes del tratamiento se incineran a continuación, tales como pirólisis, gasificación y proceso de plasma.

18. «Instalación de incineración de residuos existente»: cualquiera de las siguientes instalaciones de incineración de residuos:

a) Las que estaban en funcionamiento y contaban con una autorización de conformidad con la legislación comunitaria aplicable antes del 28 de diciembre de 2002; b) las que estaban autorizadas o registradas a efectos de incineración de residuos y contaban con una autorización concedida antes del 28 de diciembre de 2002 de conformidad con la legislación comunitaria aplicable, siempre y cuando la instalación se hubiera puesto en funcionamiento a más tardar el 28 de diciembre de 2003, y c) las que, a juicio del órgano competente, hubieran presentado la solicitud completa de autorización antes del 28 de diciembre de 2002, siempre y cuando la instalación se hubiera puesto en funcionamiento a más tardar el 28 de diciembre de 2004.»

En el Capítulo IV, desarrolla los aspectos relativos a las plantas de tratamiento térmico de residuos. En primer lugar, distingue a aquellas plantas de tecnologías en las que no se realiza la combustión de ninguno de los diferentes productos que se generan y las excluye del ámbito de aplicación del Real Decreto. En concreto en su art. 26 Ámbito de aplicación, apartado 2 señala:



«2. Este capítulo no se aplicará a las instalaciones de gasificación o pirólisis si los gases resultantes de este tratamiento térmico son purificados en tal medida que dejen de ser residuos antes de su incineración y que puedan causar emisiones no superiores a las resultantes de la quema de gas natural. A estos efectos estas instalaciones realizarán las mediciones correspondientes que así lo demuestren y lo pondrán en conocimiento del órgano competente de la comunidad autónoma.»

El hecho de que las instalaciones donde los gases producidos se depuran queden fuera del ámbito de aplicación del RD es una novedad frente al antiguo RD y supone que las plantas donde el gas crudo es depurado para su empleo en otra instalación no tienen que cumplir los requisitos de las plantas de incineración, como sucedía anteriormente.

Se exige una condición a la depuración del gas crudo para ser considerado un producto. Ésta consiste en el hecho de que las emisiones producidas por la combustión del gas depurado (gas de síntesis) generado en los procesos térmicos, no suponga una emisión superior a la que resultara de la quema del gas natural. En definitiva, la calidad del gas de síntesis deberá corresponderse con el lugar donde se produzca el aprovechamiento y garantizar que no se sobrepasen dichas emisiones. Esto se ha de hacer caso a caso y las características del producto deben estar reflejadas en la autorización ambiental correspondiente de la planta.

Este estudio caso por caso indudablemente da una respuesta a cada pregunta sobre si el proceso cumple la normativa. Pero es evidente, a la vez, la gran complicación que supone para la administración correspondiente tener que realizar un traje a medida para cada circunstancia donde, además, la evaluación no admite interpretaciones únicas al analizar los parámetros del proceso estudiado.

Existe una dificultad al establecerse un binomio indisoluble entre planta de tratamiento e instalación de aprovechamiento. Esto quiere decir que el mismo gas de síntesis obtenido en una planta puede cumplir la norma en una instalación de aprovechamiento y no hacerlo en otra. Sin embargo, la administración autorizante tendrá que emitir su dictamen analizando las condiciones de otra instalación que no necesariamente está dentro de su ámbito territorial. Esto no es de imposible ejecución pero sin duda es un proceso largo y complicado.

Por otra parte, aquellas instalaciones donde se produzca la combustión de alguno de los productos de forma inmediata se consideran instalaciones de incineración y están dentro del ámbito del Capítulo IV, En este caso se corrigen deficiencias habidas en el anterior RD ya que el art. 26.4 señala que:

«4. En caso de aplicarse procedimientos distintos de la oxidación, como la pirólisis, la gasificación y el proceso de plasma, para el tratamiento térmico de los residuos, la instalación de incineración o de coincineración de residuos incluirá tanto el procedimiento de tratamiento térmico como el de incineración subsiguiente.»



Este apartado establece una distinción entre las plantas de nuevas tecnologías y las plantas de incineración convencional. Para las primeras distingue las etapas de tratamiento de los residuos que comprendería los reactores donde se gasifican o pirolizan los residuos y la de combustión del gas crudo. Esto hace que se puedan aplicar condiciones de funcionamiento diferenciadas para cada una de las etapas.

Las condiciones establecidas para el diseño, equipamiento, construcción y explotación de las plantas son establecidas de forma general en el artículo 31.

Sin embargo, las diferencias conceptuales de los procesos, también son tenidas en cuenta por el Real Decreto ya que en el artículo 32, ‘Autorización para cambiar las condiciones de explotación’, en sus distintos apartados se van realizando consideraciones que tienen en cuenta estas diferencias:

«1. Para algunos tipos de residuos o para algunos procesos térmicos, el órgano competente, podrá permitir condiciones distintas de las establecidas en el artículo 31.1.a), en relación con el contenido de COT, así como de las establecidas en el artículo 31.1.b), c) y d) y artículo 31.2 y 3, en relación con las temperaturas mínimas de operación, especificándolas en la autorización, siempre y cuando se cumplan el resto de exigencias establecidas en este capítulo.

2. Por lo que respecta a las instalaciones de incineración, el cambio en las condiciones de explotación no podrá generar mayor cantidad de residuos o residuos con mayor contenido de contaminantes orgánicos que los previsibles si se mantuvieran las condiciones establecidas en el artículo 31.1.

4. En lo referente a la temperatura de operación, la autorización de condiciones distintas se supeditará al cumplimiento de los siguientes requisitos, cuyo cumplimiento se deberá comprobar mediante una prueba de funcionamiento real, con una duración fijada por el órgano competente y que sea suficiente para poder obtener muestras representativas:

a) Que el contenido de cloro orgánico en los residuos sea inferior al 0,1 % en peso, tanto para plantas de incineración como de coincineración. b) Que las emisiones de CO y COT sean inferiores a los límites establecidos en el anejo 2, parte 5, tanto para instalaciones de incineración como de coincineración. c) Que, en el caso de instalaciones de coincineración, la temperatura de funcionamiento solicitada no sea inferior a la que se registraría en el proceso principal si no se alimentaran residuos.»

Esto considera las diferencias entre los nuevos tratamientos térmicos y las plantas de incineración convencionales. En el caso de los productos sólidos de la pirólisis no hace sino tener en cuenta lo que se recogía en la Lista Europea de Residuos.

Las exigencias del art. 31 de temperatura y residencia en las cámaras de combustión, así como la del quemador auxiliar, etc., se han de aplicar en el caso de las tecnologías emergentes a las cámaras donde se realiza la quema de los productos, gas crudo, aceites o sólidos, y no a los



reactores donde se produce la degradación de los residuos que tiene otros requisitos técnicos diferentes a la de destrucción de elementos contaminantes, cosa que se ha de lograr en la combustión de los productos de los procesos.



7. ANÁLISIS DE LA FÓRMULA DE EFICIENCIA R1

La Ley 22/2011, de 28 de julio, que transpone de la Directiva 2008/98/CE de Residuos y Suelos Contaminados, define como «valorización» cualquier operación cuyo resultado principal sea que el residuo sirva a una finalidad útil, bien por sustituir a otros materiales que de otro modo se habrían utilizado para cumplir una función particular, bien porque el residuo sea preparado para cumplir esa función en la instalación o en la economía en general.

Esta normativa permite clasificar la valorización energética dentro del concepto de valorización, correspondiéndose con las operaciones de valorización tipo R1 en las que el residuo se utiliza principalmente como combustible o para cualquier otro modo de producción de energía. Esta operación incluye la gasificación y la pirolisis.

Resulta importante no confundir la operación de valorización energética (R1) con la operación de eliminación por incineración (D10), así como enfatizar que no todo aprovechamiento energético de un residuo debe ser calificado de valorización energética.

La Directiva 2008/98/CE exige, a través de una fórmula (R1), una eficiencia energética superior a unos límites concretos para que el tratamiento térmico de residuos urbanos pueda considerarse valorización energética. Dicha fórmula ha sido muy controvertida por el contenido de sus factores. Sin embargo, ha tenido una gran virtualidad: ha terminado con el estéril debate de si la incineración con aprovechamiento de energía es valorización o eliminación. Si se cumple la fórmula es una cosa, y si no se cumple es otra.

En la trasposición de la directiva, la ley 22/2011 impone la siguiente fórmula para evaluar la eficiencia energética de una instalación:

Eficiencia energética = [Ep – (Ef + Ei)] / [0,97 × (Ew + Ef)]

Las instalaciones de incineración cuya eficiencia energética sea igual o superior a los siguientes coeficientes, serán destinadas al tratamiento de residuos mediante la operación de valorización energética tipo R1:

0,60 tratándose de instalaciones en funcionamiento y autorizadas conforme a la legislación comunitaria aplicable desde antes del 1 de enero de 2009;

0,65 tratándose de instalaciones autorizadas después del 31 de diciembre de 2008.

En el cálculo de la eficiencia energética intervienen los siguientes parámetros:

Ep es la energía anual producida como calor o electricidad, que se calcula multiplicando la energía en forma de electricidad por 2,6 y el calor producido para usos comerciales por 1,1 (GJ/año).



Ef es la aportación anual de energía al sistema a partir de los combustibles que contribuyen a la producción de vapor (GJ/año).

Ew es la energía anual contenida en los residuos tratados, calculada utilizando el poder calorífico neto de los residuos (GJ/año).

Ei es la energía anual importada excluyendo Ew y Ef (GJ/año).

0,97 es un factor que representa las pérdidas de energía debidas a las cenizas de fondo y la radiación.

Esta fórmula se aplicará de conformidad con el documento de referencia sobre mejores técnicas disponibles para la incineración de residuos.

La eficiencia energética, puede verse afectada por una serie de aspectos, entre ellos:

- El tipo de recuperación energética

- El tamaño de la instalación

- La localización geográfica de la planta de tratamiento de residuos

Dicha influencia quedó demostrada a través de un estudio realizado por CEWEP, basado en el análisis de datos de 231 instalaciones de incineración de residuos urbanos europeas. En la figura 7.1 se representa cómo varía el factor de eficiencia R1, en función del tipo de recuperación energética, el tamaño de la instalación y la localización geográfica de la misma.

Figura 7.1. Variación del factor de eficiencia R1

1) R1 calculation in accordance to the Directive 2008/98/EC (WFD) 20/10/2008, ANNEX II, with equivalence factors: for electricity produced and imported 1 MWhel=2.6 MWhel equ; for heat produced and commercial used 1 MWhth=1.1 MWhth equ and according to BREF WI for imported fuel 1 MWh fuel=1.0 MWhfuel equ and taking into account as heat used to treat the waste 100% energy for boilerwater heating up from an average temperature basis of 70°C to the boilerwater temperature and 100% for heating up of combustion air; because the possibility to take local conditions e.g. climate, market for heat etc. as mentioned in Directive 2008/98/EC – Interpretation and adaptation to technical progress, Article 38, 1. para. 2 of 19 November 2008 is up to now not yet worked out, it therefore could not be taken into account.

0.98

1.29

1.41

1.20

1.41

1.31

1.12

1.29

1.41

0.64

0.72

0.84

0.68

0.77

0.85

0.61

0.74

1.10

0.12

0.04

0.30

0.04

0.12

0.47

0.12

0.04

0.88

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

R1

effi

cien

cy f

acto

r [-

]

max 0.98 1.29 1.41 1.20 1.41 1.31 1.12 1.29 1.41

average 0.64 0.72 0.84 0.68 0.77 0.85 0.61 0.74 1.10

min 0.12 0.04 0.30 0.04 0.12 0.47 0.12 0.04 0.88

electricity only heat only CHP < 100.000 100.000-250.000 > 250.000South-West

EuropeMiddle Europe

North Europe

average of 231 investigated WtE plants 0,75 [-]



Para calcular la R1, a nivel de la Unión Europea se ha desarrollado una guía metodológica y un estudio para introducir un factor corrector en la fórmula que tenga en cuenta las diferencias tan significativas que se dan entre el Norte y el Sur de Europa.

En efecto. La fórmula de la eficiencia energética no considera las importantes variaciones entre las condiciones locales de cada área geográfica. En los países cálidos europeos la demanda de calor por parte del sector residencial (district heating) es más baja que en los países fríos europeos. Por otro lado, la eficiencia en la producción de electricidad en climas cálidos es también menor.

Todo esto conduce a que las incineradoras del norte de Europa alcanzan con mayor facilidad el umbral de 0,65 del coeficiente de eficiencia energética.

Este hecho queda recogido en el Artículo 38 de Interpretación y adaptación a los avances técnicos de la Directiva 2008/98/CE, donde se puntualiza que habrá que considerar las condiciones climáticas locales tales como la intensidad del frío y la necesidad de calefacción en la medida en que repercutan sobre las cantidades de energía que puedan utilizarse o producirse en forma de electricidad, calefacción, refrigeración o vapor (artículo 38).

Sería por ello preciso introducir en el cálculo de la eficiencia energética el coeficiente corrector que tenga en cuenta los HDD (Heating Degree Days), que cuantifica la cantidad de calor que las edificaciones de un lugar concreto necesitan en un periodo de tiempo. Ampliando este concepto, los HDD (en español, los Grados día de calefacción) es un indicador del grado de rigurosidad climática de un sitio ya que relaciona la temperatura media con una cierta temperatura de confort para calefacción8.

8 En las normativas europeas se definen los grados día en base ( ) como la suma, a lo largo de un periodo determinado de las diferencias de temperatura entre un valor base, a, y la temperatura media diaria, cuando esa temperatura es inferior a otro valor, b. Es decir:

donde:

a es la base de temperatura de calefacción b es la base de temperatura exterior media diaria, por encima de la cual, se supone no hace falta calefacción. n es el número de días del periodo sobre el que se toman las mediciones; habitualmente, un mes o un año

entero. Tmd,i temperatura media diaria para el día i

En la normativa española se toma esta temperatura, sobre las medidas tomadas cada tres horas, para cada día, en un periodo de cinco años.

Xc es un coeficiente lógico que valdrá 1 cuando la temperatura media diaria, Tmd, sea menor que b y cero cuando sea mayor.

Restando de n el número de veces que, en ese periodo, el coeficiente Xc es igual a 0, se tienen los llamados días de calefacción del periodo.

En España, los datos se toman en base 15/15, en Alemania sobre base 18/18. Si bien la definición toma dos bases, a y b, teóricamente diferentes, como se ve, estas normativas toman las dos iguales. Una definición más correcta debería aproximar la base a la temperatura de uso de la calefacción (entre 18 y 21 ºC), mientras que la base b sería variable, dependiendo del clima de la localidad. En aquéllas de clima continental, en que las diferencias entre el día y la noche son apreciables, un día con temperaturas medias de 15 ºC no requeriría calefacción, pero si los contrastes son menos acusados, ese valor debería aproximarse a unos 18 ºC. Este valor proporciona un índice del rigor climático de una localidad o una zona. Muchos piensan que un lugar es muy frío cuando se dan alguna vez al año temperaturas muy bajas, y eso es correcto solo a medias, porque puede que estas temperaturas se den muy pocos días al año. Los grados día, en cambio proporcionan un índice muy adecuado para



La variación entre países es tan notable que en España este coeficiente tiene un valor de 1856 mientras que la media de la Unión Europea se sitúa en 3386.

A través del tratamiento de residuos mediante la operación de valorización energética tipo R1, las instalaciones de incineración pueden generar energía en forma de calor, en forma de electricidad o pueden generar simultáneamente calor y electricidad (cogeneración).

Generación de calor

El sistema más utilizado consiste en la cesión del calor de los gases al agua, que a su vez eleva su temperatura pasando a vapor saturado, según las condiciones de presión y temperatura. A su vez el vapor puede utilizarse directamente en procesos industriales con un alto grado de eficiencia, hasta su condensación y volver o no de nuevo a la caldera.

Generación de electricidad

El vapor saturado puede ser enviado a una turbina de vapor, que conectada a un alternador, transforma la energía calorífica del vapor en energía mecánica durante la expansión en la turbina y a su vez en energía eléctrica en el alternador. De este modo se llega a producir electricidad.

En las instalaciones de incineración siempre se genera un calor residual que no se puede aprovechar para generar más electricidad. Si este calor se utiliza para calentar agua o proporcionar calefacción, la eficiencia es más alta que la generación de electricidad únicamente. De esta manera, las plantas de cogeneración (CHP - combined heat and power) son más eficientes en el aprovechamiento de la energía, entregando a su salida tanto electricidad como calor. Sin embargo, se necesita una infraestructura que dé salida comercial al calor producido en dichas plantas, las cuales deben estar localizadas en zonas urbanas, con acceso a redes de distribución de calor de distrito (district-heating), o junto a polígonos industriales con una demanda alta y sostenida de calor.

En el año 2012, ESWET realizó un estudio para la Comisión Europea en el que contempla dos opciones:

A. Corrección del impacto sobre la electricidad, únicamente, mediante un factor eléctrico (factor termodinámico): KClimateElectric. Este es un factor que multiplica en la fórmula de cálculo de la R1

saber el frío que hace en un lugar. Por ejemplo, supongamos dos localidades, en las que una tenga una temperatura mínima de cálculo de calefacción muy baja y, la otra, una temperatura mayor pero un mayor número de grados día año; dos edificios idénticos situados en ellos, tendrán como diferencia: en el de la primera localidad será necesario que el sistema de calefacción sea más potente, aunque funcionará menos tiempo que el de la segunda localidad, menos potente, pero eso sí, en esta segunda, consumirá más combustible a lo largo de la temporada. La potencia máxima de calefacción depende de la temperatura mínima de cálculo; el consumo de los grados día. Por esta razón, los grados-día han servido tradicionalmente para evaluar las necesidades de energía de un edificio a lo largo de un mes o de un año, y para dimensionar, en su caso, el depósito de combustible.



KClimateElectric = 1 si HDD > 3350

KClimateElectric = 1,1105 – 32,97 10-6 x HDD si HDD < 3350

Es decir, el umbral del HDD se sitúa en 3350. Si es inferior a este valor umbral, significa alta temperatura ambiente y pobre refrigeración del vapor con reducción de la producción eléctrica.

B. La segunda opción contempla un factor KClimateHeat&Electric de corrección por el impacto de la producción de electricidad más la demanda de calor (combinación de factor termodinámico y el de mercado). En este caso, también se utilizan los umbrales de los HDD para calor y electricidad. Asimismo, este factor de corrección se introduciría en la fórmula multiplicando.

KClimateHeat&Electric = 1 si HDD > 3350

KClimateHeat&Electric = 1,382 si HDD <2150

Y KClimateHeat&Electric es proporcional en el intervalo, por ejemplo:

KClimateHeat&Electric = - (0,382/1200) x HDD + 2,0665 cuando 2150 < HDD < 3350

Últimamente han aparecido otras opciones que están en discusión, y que representan otros valores para los coeficientes correctores.

- Para la opción A: 1,1105

- Para la opción B se han presentado 3 valores para ese factor de corrección KClimateHeat&Electric:

1,38. Esta opción es respaldada por los Estados miembros del Sur de Europa

1,12

1,66 (Esta opción es poco probable que salga adelante)

Sobre este aspecto aún no hay nada decidido y el debate sigue abierto.



8. PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS A PARTIR DE RESIDUOS URBANOS MEDIANTE PROCESOS NO TÉRMICOS

8.1. Introducción

Una de las formas de la valorización energética para residuos urbanos donde el reciclado mecánico no es una opción viable desde el punto de vista técnico, económico o ambiental, es la producción de combustibles. Dichos combustibles pueden presentarse como:

Combustibles sólidos recuperados (CSR) Combustibles gaseosos: mediante biometanización o producción de syngas. Combustibles líquidos, en forma de hidrocarburos análogos a los combustibles

convencionales (gasolina, gasoil, etc.) o como mezcla de éstos. La utilización de los residuos para la producción de combustibles implica la transformación de éstos en un producto con valor de mercado y permite la diversificación de las materias primas para su obtención.

En la actualidad, la producción de combustibles líquidos a partir de residuos es posible realizarla sin un tratamiento térmico. Estas tecnologías se basan en procesos químicos o biológicos que son muy específicos y requieren un residuo con unas características muy determinadas. Deben ser muy homogéneos y de composición estable en el tiempo, de modo que se puedan ajustar correctamente los parámetros de las reacciones. Las variaciones de composición y calidad en la corriente de residuos disminuyen los rendimientos y pueden paralizar las reacciones. Por ello, en el caso de residuos urbanos que tienen una gran heterogeneidad en su composición y variabilidad en el tiempo, es necesario someterlos a ciertos tratamientos previos, incluso mezclarlos con otras corrientes de residuos, para lograr una mejora de sus características y homogeneidad.

En los siguientes apartados se abordará, en primer lugar, el análisis de los procesos químicos que permiten obtener diesel sintético, haciendo referencia al proceso de Griñó Ecologic; y en segundo lugar, se analizarán los procesos biológicos con los que se obtiene etanol y bioetanol. En este último caso se considerarán los procesos de Waste to Biofuels (Abengoa) e IMECAL.

8.2. Procesos químicos de producción de combustibles líquidos

8.2.1. INTRODUCCIÓN

La despolimerización es un proceso por el cual las moléculas orgánicas complejas se reducen a hidrocarburos ligeros con longitudes de cadena, en torno a 18 carbonos. Este proceso puede ser realizado de dos maneras: térmicamente o catalíticamente. Éste último será el que se examinará seguidamente.



En los procesos químicos se produce la descomposición de los compuestos complejos en presencia de catalizadores por lo que los residuos se tratan a temperaturas en torno a los 300ºC – 400ºC, menores que en los tratamientos térmicos. La adecuada selección de los catalizadores permite controlar los productos que se obtienen. Una posibilidad que se genera es la obtención de productos combustibles como gasoil, gasolina, etc.

Esta posibilidad permite ampliar el campo de la valorización a corrientes de residuos cuyo reciclado no es posible por distintos motivos (contaminación, mezcla….).

8.2.2. LA PRODUCCIÓN DE DIESEL SINTÉTICO: EL PROCESO DE GRIÑÓ ECOLOGIC

Desde el año 2008 se ha estado desarrollando una propuesta de valorización energética para la fracción no reciclable de los residuos urbanos, domésticos y similares, consistente en su transformación en combustible líquido asimilable a un gasoil convencional9. El proyecto, promovido por un gestor de residuos, Griñó Ecologic, junto con la Universidad Rovira i Virgili, consiste en la construcción de una planta piloto para la producción de diesel sintético mediante la tecnología de despolimerización catalítica de la biomasa y otros materiales orgánicos de fracciones no reciclables de residuos. La planta es el resultado del acuerdo alcanzado en 2008 entre Griñó y Alphakat GMBH, propietaria de la patente de la tecnología KDV.

Descripción del proceso

El esquema del proceso se representa en la figura siguiente.

Figura 8.1. Diagrama de proceso de producción de diesel sintético

Fuente: Griñó Ecologic.

Una característica significativa del proceso es que la planta piloto no trata directamente residuo urbano o fracciones del mismo como puede ser la fracción resto, sino que trata CSR (Combustible Sólido Recuperado).

9 20 años de gestión de residuos en Cataluña. Agencia de Residuos de Cataluña. 2013



Este CSR es producido en una instalación del gestor dentro del mismo Centro de Tratamiento de Residuos (CTR), donde se encuentra la planta piloto para la producción de diesel. Para la producción de este CSR (constituido principalmente por plásticos, papel, textiles,…) se emplean:

1. rechazos de plantas de tratamiento de residuos urbanos procedentes de plantas TMB de fracción resto (ecoparques), plantas de clasificación de envases y plantas de compostaje (38%);

2. residuo municipal seleccionado (30%),

3. residuo industrial banal (32%).

Este CSR debe cumplir con los parámetros de CEN/TS 15359, tiene un poder calorífico de 18.900 kJ/kg, una presencia de cloro inferior a 0,7% y la granulometría está entre 25 –35 mm.

El CSR resultante se almacena en un búnker que alimenta la planta piloto de producción de diesel sintético.

El proceso de despolimerización catalítica KDV

La producción de diesel se realiza mediante el proceso de despolimerización catalítica KDV que se pasa a describir a continuación.

Debido a que el proceso de despolimerización se realiza a una temperatura relativamente baja (en torno a los 270 ºC), a presión reducida (0,9 bar), y en ausencia de oxígeno, se precisa la presencia de un catalizador para que las reacciones se lleven a cabo y permitir la ruptura de las moléculas de los hidrocarburos complejos. La temperatura siempre permanece por debajo de los 350 ºC lo que evita la formación de compuestos orgánicos persistentes como las dioxinas y furanos.

Para conseguir romper las cadenas de hidrocarburos y recombinarlas en cadenas de la longitud adecuada se precisa que el catalizador sea selectivo de modo que cumpla una doble función.

- Catalizar la reacción, facilitando la formación de productos con valor.

- Como intercambiador de iones de modo que retenga los contaminantes como los halógenos, fósforo, nitrógeno y metales pesados presentes en los residuos, transformándolos en sales inorgánicas.

El catalizador patentado por el tecnólogo es una combinación de silicatos de calcio y aluminio y cristales de sodio. La regeneración del mismo mediante la adición de cal permite la captación de los elementos contaminantes en forma de sales. El catalizador una vez regenerado se recircula al proceso.



La reacción se produce a una temperatura entre los 250 ºC y los 285 ºC, con una conversión de los hidrocarburos presentes en el material de entrada, alrededor del 80 %. Como se ha indicado, en el proceso no se superan los 350 ºC en ningún momento. La presión de trabajo es de 0,9 bar.

Figura 8.2. Diagrama de planta de producción de Diesel sintético

Fuente: Griñó Ecologic

En el proceso, el material de entrada, CSR, compuesto por una mezcla de materiales biodegradables (papel, celulosa, grasas, madera y otros restos orgánicos), junto con otros compuestos no degradables (plásticos, etc.), se mezcla con el soporte de la reacción (aceite y catalizador), pasando a ser un lodo.

Durante el proceso se produce la adsorción del catalizador por el material de entrada. Las reacciones que tiene lugar son de dos tipos:

- Extracción de CO2, que reduce el contenido de oxígeno en los compuestos orgánicos y supone un excedente de hidrógeno que mejora la relación H:C del producto.

- Despolimerización: supone la rotura de las moléculas hasta alcanzar cadenas lo suficientemente cortas tales que permiten su evaporación a la temperatura de la reacción.

Los vapores resultantes pasan a una columna de destilación y condensación donde se produce el diesel. Este diesel es comparable al gasoil comercial y cumple con la EN590, en caso de que las características del material de entrada hagan que el contenido en azufre supere el límite de la norma se puede añadir al proceso un módulo de desulfuración para el diesel producido.



Descripción de la planta de Griñó

La planta piloto de producción de diesel tiene una capacidad prevista para tratar 40.000 t/año de CSR y producir 15.000 t/año de diesel sintético que cumpla con la norma EN590. Teóricamente, se podrían obtener 450 l de combustible diesel por cada tonelada de CSR tratada (densidad del diesel 0,830 kg/l). Por otra parte, los residuos inorgánicos generados en el proceso representan una cantidad de 3.000 t/año que se han de gestionar como residuo no peligroso.

La planta está compuesta por diversos módulos:

- Módulo de pretratamiento químico. Donde se prepara la materia prima, CSR, para su procesamiento. Consiste en el secado (eliminación de la humedad) del CSR y en su homogeneización y mezcla el soporte de la reacción pasando a ser un lodo.

- Módulo de despolimerización. Tras entrar en contacto con el catalizador se somete al conjunto a un calentamiento y se produce la reacción química de despolimerización, rotura y formación de nuevos enlaces.

- Módulo de tratamiento de inertes donde se procede a la separación y secado de los materiales sólidos, consistentes en la fracción inorgánica pesada.

El proceso trabaja en ligera depresión, 0,9 bar, en ausencia de oxígeno y con una temperatura máxima de 350 ºC.

Como opción se puede añadir un módulo de desulfuración del diesel generado. Este módulo podría ser necesario en caso de que, por las características de la materia prima, se produzca un combustible con un contenido en azufre elevado y haya que reducirlo para poder cumplir con las normas de combustibles.

Los materiales de salida del proceso pretenden ser:

- Combustible líquido. Diesel sintético acorde a la norma EN590, con una calidad semejante a un gasoil convencional sin presencia de sustancias viscosas.

Hay que tener en cuenta que el diesel generado no se puede considerar biocombustible ya que parte de los materiales empleados para su producción (plásticos,…), no son de origen biogénico.

Con independencia de que la calidad que se consiga sea la que se pretende, la gran incertidumbre de este producto es su eventual mercado. El hecho de no poder ser considerado un biocombustible es un problema importante, pero no lo es menos la falta de actitud positiva por parte de los fabricantes de potenciales usuarios. Incluso muchas marcas de automóviles advierten a sus clientes que perderán la garantía si utilizan este tipo de combustible.



- Gases ligeros no condensables (Hidrocarburos C1-C5, CO2, CO). Con alto poder calorífico y que pueden ser recuperados y usados para generar energía para el propio proceso.

- Residuo sólido, de carácter inerte con destino final eliminación en vertedero, que supone aproximadamente un 10% de la cantidad tratada.

- Agua de proceso proveniente de la humedad presente en el material de entrada, que ha de ser tratada, principalmente para reducir su DQO.

La planta de Griñó se encuentra actualmente en fase de ajuste del proceso. Ha tenido problemas técnicos en el módulo de despolimerización que le han impedido trabajar de forma continua y en las cantidades previstas en el proyecto, lo que ha ralentizado su evolución.

A causa de la fase de desarrollo actual, los promotores no facilitan los datos relativos al proceso, por lo que una evaluación por tercera parte independiente no es posible en la actualidad, limitándose la información a datos sin contrastar.

8.3. Procesos biológicos de producción de combustibles líquidos

8.3.1. INTRODUCCIÓN

Otra posibilidad de producir combustibles a partir de residuos es mediante el tratamiento biológico de los compuestos orgánicos putrescibles presentes en los residuos. En el caso de los residuos urbanos, la fracción biodegradable está compuesta por papel-cartón, vegetales, alimentos y madera, esta composición la hace similar a un material lignocelulósico que es empleado para la producción de biocaburantes.

El tratamiento de estos componentes de los residuos supone su degradación empleando enzimas y microorganismos para producir celulosa y hemicelulosa y a partir de estas, azúcares y posteriormente tras una fermentación y destilación obtener etanol.

En este proceso, a diferencia de lo que sucede en los procesos químicos, sí se considera que el producto, por el origen del material degradado, es un biocombustible (en este caso de segunda generación ya que procede de una fuente no alimentaria).

En estos procesos el pretratamiento de la biomasa es un aspecto fundamental. Se necesita que el material orgánico esté presente en un porcentaje importante, libre de elementos inhibidores y lo suficientemente disgregado para que los microorganismos puedan acceder a las células y degradarlas de forma efectiva. Esto implica no solo una separación muy efectiva de la biomasa sino, también, un tratamiento posterior de la misma para permitir la actuación de los microorganismos sobre ésta. En estos procesos, al producir biocombustibles de segunda generación, la biomasa residual a tratar está compuesta por la materia orgánica de los residuos y por otras fracciones que contienen celulosa como el papel-cartón, residuos de celulosa y madera.



Figura 8.3. Proceso de Sacarificación y Fermentación Simultáneas para producción de bioetanol

El bioetanol puede tener distintas aplicaciones: aditivo para la gasolina, aumentando su octanaje; combustible para automóviles; materia prima en la industria química y farmacéutica e incluso como producto intermedio en la producción de combustibles de aviación (‘jet fuel’).

En la actualidad, el proceso más desarrollado en España es una planta piloto para la producción de bioetanol a partir de residuos urbanos de ABENGOA, situada en la provincia de Salamanca. Asimismo, también se analizará el proceso desarrollado por IMECAL para la producción de bioetanol de segunda generación a partir de la fracción biodegradable de los residuos urbanos.

8.3.2. EL PROCESO ‘WASTE TO BIOFUELS’

La empresa Abengoa Bioenergía, ha desarrollado el proceso ‘Waste to Biofuels’ (W2B) que procesa fracciones de residuos sólidos urbanos para convertirlos en biocombustible de segunda generación. La tecnología W2B consiste en un tratamiento de fermentación e hidrólisis enzimática que transforman la materia orgánica, rica en celulosa, en azúcares simples que posteriormente son fermentados a etanol mediante levaduras. Este proceso ha sido desarrollado para residuos agrícolas conteniendo celulosa (paja de cereales, residuos de maíz) y se ha construido en 2013 la primera planta industrial para la producción de bioetanol de segunda generación a partir de residuos de maíz en Estados Unidos.

Con esta tecnología se ha realizado una planta piloto en Babilafuente (Salamanca). La planta tiene capacidad para procesar 25.000 toneladas de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos. Está previsto obtener 1.500.000 l de bioetanol, apto como combustible, a partir de esta cantidad de residuos. El rendimiento de la producción de bioetanol es de 185 l de bioetanol por tonelada de biomasa en base seca. La planta está desarrollada a partir de la planta piloto que sirvió para el desarrollo de la planta industrial de producción de bioetanol a partir de residuos agrícolas y utiliza parte de los equipos de ésta.

La planta ha estado trabajando con fracción resto, y distintas fracciones separadas en plantas de residuos urbanos mediante tratamientos mecánicos.

La planta piloto para residuos urbanos incluye un proceso de separación y pretratamiento de residuos antes de entrar en la hidrólisis mucho más severo y con un rendimiento más alto en



separación de fibra orgánica que uno convencional de RSU, recuperando una cantidad mayor de materiales (plásticos, metales, etc.). En este pretratamiento se reciben los residuos urbanos, mezclados y son sometidos a un proceso en el que se trituran e higienizan mediante un tratamiento con vapor de agua a presión y temperatura. Posteriormente, se clasifican para obtener metales, plásticos (material reciclable) y biomasa (materia orgánica, papel-cartón y celulosa); ésta tiene una presencia de impropios menor del 5% y está lo suficientemente disgregada.

La biomasa es sometida a diferentes tratamientos para obtener la fibra orgánica, rica en celulosa y hemicelulosa. En este momento se pasa a la hidrólisis enzimática con producción de azúcares libres, que por acción de las levaduras en la fase de fermentación, y en ausencia de oxígeno, se transforman en etanol.

Una vez obtenido el etanol al 43%, en la fermentación, se pasa a la etapa de destilación de la planta existente, donde se utiliza la paja como materia prima. Esta etapa consta de cuatro columnas, las dos primeras de separación liquido/sólido, la tercera de destilación de alcoholes ligeros y la cuarta de rectificación. El producto obtenido se sobrecalienta y se pasa por dos tamices para su deshidratación. El alcohol deshidratado tiene una pureza del 99,5%.

Figura 8.4. Proceso de tratamiento ‘Waste to Biofuels’ de la biomasa para producción de bioetanol

Fuente: ABENGOA

En el desarrollo industrial se tiene previsto realizar esta primera etapa de diferente manera, separando en primer lugar los biorresiduos que son fácilmente degradables y el resto someterlos al tratamiento de higienización para posteriormente separar el resto de biomasa, (constituido por el papel-cartón y celulosa), los productos reciclables, obtener CDR y un rechazo



inerte. Los biorresiduos y el resto de biomasa se unirían y pasarían a la etapa de producción de bioetanol.

En la planta industrial, el rechazo sólido compuesto principalmente por lignina y azúcares no fermentados, se combustionará y aprovechará para la producción de vapor y energía eléctrica para satisfacer necesidades de la planta y el resto se exportará.

La planta piloto para residuos urbanos está trabajando desde abril de 2013 en modo de pruebas para evaluar las etapas específicas para los residuos urbanos y las diferentes configuraciones. Esto ha supuesto el funcionamiento intermitente de la planta (un mes de trabajo en continuo y parada para analizar resultados).

Las estimaciones teóricas del tecnólogo para la planta industrial de residuos urbanos es la separación de un 55% como biomasa para la producción de bioetanol, 6% de materiales reciclables (metales férricos y no férricos, plástico PET, PEAD, mixto), 31% CDR (gomas, caucho, textiles, cueros y plásticos no reciclables) y un 8% de rechazo inerte destinado a vertedero. Estas cantidades dependen de la composición de los residuos y de las condiciones de mercado de los productos reciclables.

Figura 8.5. Esquema planta de tratamiento residuos urbanos con producción de bioetanol

Fuente: ABENGOA

Es muy importante tener en cuenta que el proceso de producción de etanol utiliza

exclusivamente la parte biodegradable de la fracción resto, por lo que en sentido estricto es una

alternativa a la producción de material bioestabilizado, como ocurre en las diferentes

instalaciones de tratamiento mecánico-biológico.



8.3.3. EL PROCESO DE IMECAL

El proceso, que consiste en la producción de bioetanol de segunda generación a partir de la fracción biodegradable de los residuos urbanos, ha sido desarrollado por IMECAL en colaboración con el CIEMAT10 y organismos y entidades de la Comunidad Valenciana. El tecnólogo se encuentra en la fase final piloto del proceso y, posteriormente, pretende iniciar la comercialización del mismo.

Se cuenta con una planta piloto que se construyó en 2007. La planta ha estado funcionando, en un turno de ocho horas, durante varios meses en distintos periodos de pruebas con la fracción orgánica separada de residuos urbanos en instalaciones de tratamiento de residuos urbanos cercanas y con bioestabilizado procedente de los tratamientos aerobios de estas mismas instalaciones. La planta tenía una capacidad de tratamiento de 4 t/d de materia biodegradable de residuos urbanos. En la actualidad se ha incrementado esta capacidad y se está en disposición de tratar hasta las 70 t/día de esta fracción orgánica en tres turnos.

En esta planta piloto se han tenido unos rendimientos de producción de bioetanol de 160 l de bioetanol por tonelada de materia prima seca (biomasa o bioestabilizado). Se pretende llegar en la planta piloto a tener un rendimiento del proceso de 220 litros de bioetanol por tonelada de materia prima seca tratada.

Las etapas del proceso son:


- Sacarificación y fermentación (SSF)

- Destilación

- Afino del etanol

La biomasa procedente de plantas de tratamiento de residuos urbanos ha de estar triturada (<2 mm.), y libre de impropios tales como metales, plásticos vidrio, e inertes. En caso contrario, habría que realizar esta etapa en la propia planta. Una vez recibida se somete a un pretratamiento fisicoquímico (con ácidos diluidos) a temperatura moderada (entre 120-140 ºC), donde se prepara una suspensión. El objetivo es romper o despolimerizar parcialmente las cadenas cristalinas de celulosa, facilitando posteriormente el acceso de las enzimas.

10 CIEMAT: Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas



Figura 8.6. Proceso de producción de bioetanol IMECAL

Fuente: IMECAL

La mezcla, neutralizada, se lleva a otro tanque que contiene enzimas y levaduras con sus nutrientes adecuados donde se produce la Sacarificación y Fermentación Simultáneas (SSF). Las enzimas hidrolizan la celulosa y hemicelulosa a azúcares monoméricos, y en un mecanismo simultáneo las levaduras van tomando estos azúcares, fermentándolos y generando etanol, evitando así la inhibición del producto final. Este proceso se realiza a una temperatura de 42 ºC y a un pH entre 4,8 y 5,5.

La mezcla alcohólica pasa a la etapa de destilación que se lleva a cabo en dos fases, primero en una torre de rectificación donde se obtiene un primer concentrado de etanol en agua al 66%. La corriente de cabeza va a otra torre de destilación azeotrópica, donde finalmente se obtiene etanol al 96%.

Este etanol pasa a la etapa de afino. Para ello, el etanol se lleva a un tanque de deshidratación con tamices moleculares, donde se obtiene etanol de pureza mayor al 99.5%, que es apto para uso en motores de automoción.

En el diseño de la planta industrial, se contempla la reutilización del agua de proceso. Para ello, se dispone de un sistema de purificación, donde se separa el agua de los lodos, mediante un sistema de evaporación flash. El agua se somete a un tratamiento biológico antes de su reciclado al proceso. La fase sólida, constituida mayoritariamente por lignina, es otro potencial combustible. Este combustible (biomasa), se puede emplear para cogenerar energía térmica y



eléctrica, que pueden ser empleados en el proceso, suministrando parte importante del consumo energético de la planta.

El tecnólogo, debido al estado de desarrollo del proceso, no suministra datos relativos a rendimientos y costes del proceso. En consecuencia es imposible una evaluación objetiva por parte de tercera parte independiente.

8.4. Conclusiones

La producción de combustibles mediante procesos no térmicos a partir de los residuos urbanos pretende ser, en la actualidad, una opción para la valorización de fracciones concretas de la fracción resto de los residuos de origen urbano.

Existen dos tipos de procesos. Los procesos biológicos, en los que a partir de la fracción biodegradable de los residuos urbanos (materia orgánica, papel-cartón, celulosa) producen biocombustibles (bioetanol) de segunda generación; y los procesos químicos que producen los combustibles a partir de estas fracciones más otras fracciones orgánicas no biodegradables como son los plásticos.

En definitiva, los procesos químicos están destinados al tratamiento de un CSR obtenido a partir de la fracción resto de los residuos de origen urbano mezclado con otros de origen industrial. Este origen implica que el combustible obtenido (diesel) no pueda considerarse como un biocombustible de segunda generación, debido a que los materiales empleados para su producción (plásticos,…), no son de origen biogénico.

Análogamente, los procesos biológicos sólo dan respuesta a la fracción orgánica del residuo urbano, pero el resto de los residuos necesita otro tratamiento para su correcta gestión. En este caso, el combustible obtenido (bioetanol) sí se considera un biocombustible de segunda generación.

Sin embargo, estos procesos biológicos están basados en la existencia de una fracción resto compuesta por basura mezclada con una gran cantidad de materia orgánica. Por consiguiente, hay que tener muy en cuenta cómo se calculan las capacidades de estas instalaciones y las necesarias para su preparación previa (higienización), porque según se avance en la recogida separada de los biorresiduos, esta fracción resto se convertirá en no adecuada para una gestión de este tipo. Además, no se debe olvidar que según los criterios de la actual Directiva europea, acentuados por las revisiones previstas para los próximos años, el reciclado es preferible a la valorización energética. En este caso, el uso del compost es preferible a la producción de combustible.

El grado de desarrollo de ambos procesos aún no es industrial, no existiendo plantas comerciales de referencia. Existen instalaciones piloto que sirven para poner a punto las diferentes etapas de los procesos, cuyo desarrollo no ha concluido. Además, estas plantas al funcionar en modo de pruebas no tienen prolongadas referencias de producción en continuo.



Desde el punto de vista económico, a la hora de establecer los costes de estos procesos, necesariamente deberán incorporarse a su formulación aquellos de los tratamientos preliminares imprescindibles, así como los de las fracciones no valorizadas. Es importante no perder de vista este hecho ya que, por la propia esencia de una planta piloto, no suele tenerse en cuenta.

En estos momentos, las tecnologías no térmicas de producción de combustibles, consiguen unos productos energéticos con un amplio número de potenciales usuarios. El problema no es tanto la calidad de los productos obtenidos sino la realidad del mercado que hay para los mismos.

Los tecnólogos, debido al estado de desarrollo de los procesos, no suministran datos relativos a rendimientos y costes de los mismos. En consecuencia es imposible una evaluación objetiva de tercera parte independiente.

Finalmente, como se ha visto, estos procesos químicos, en relación con el tratamiento de la fracción resto, se encuentran hoy en día en fase de desarrollo y han de salvar diversos aspectos técnicos y analizar su posterior viabilidad económica. No obstante, estas tecnologías podrán desarrollarse y promoverse para dar una respuesta a la gestión de aquellos residuos cuyo reciclado mecánico no sea posible, especialmente en el ámbito de algún monomaterial como el plástico.

Por último, coincidiendo con el proceso de discusión de la nueva Directiva de residuos, en el marco de una economía circular, sería del máximo interés revisar la definición allí enunciada, según la cual los procesos químicos que conducen a la fabricación de un combustible no se pueden considerar como reciclado. Realmente, es difícil de entender que no se comprenda que un proceso en el que unos derivados del petróleo se transforman en otros derivados del petróleo no se considere una actividad circular.



9. TRATAMIENTOS PREVIOS A LOS PROCESOS QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS DE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES

En este epígrafe se presentan los dos tipos de tratamientos previos necesarios para los procesos químicos y biológicos de obtención de combustibles líquidos desarrollados en el apartado anterior. En concreto se presentan los tratamientos de higienización y de fabricación de Combustibles Sólidos Recuperados (CSR).

9.1. Procesos de higienización

Justificados en la pretensión de mejorar los rendimientos en la separación de materiales en las plantas de Tratamiento Mecánico-Biológico (TMB), han surgido unos tratamientos que acondicionan los residuos urbanos mezclados con el fin de causar un cambio de sus condiciones físicas y morfológicas. Así, el propósito, es acondicionar estos residuos para hacer más eficiente la separación de materiales y su ulterior valorización. Se trata, pues, de unos procesos complementarios a otras tecnologías.

Una particularidad de estos tratamientos es el cambio de la morfología de las diferentes fracciones de los residuos con el objetivo de favorecer los posteriores procesos de valorización de los mismos. Dichos tratamientos están basados en los efectos que causa sobre los residuos la actuación conjunta del vapor de agua, la temperatura y la presión. El tratamiento conjunto mediante presión y vapor de agua a temperatura elevada ya se utilizaba para la desinfección de los residuos hospitalarios mediante equipos de autoclave adaptados.

En la figura 9.1 se representa esquemáticamente el proceso de higienización de residuos aportado por los promotores.

Figura 9.1. El proceso de higienización en el esquema de tratamiento de los residuos

* Plásticos: véase puntos 9.1.1 y 9.1.2

HIGIENIZACIÓN Separación de

materiales

Metales

Plásticos*

Biomasa

Otros inertes

Liquido

Mercado reciclaje

Valorización energética

Disposición final

Residuos Urbanos RESTO



9.1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Los procesos de higienización de residuos se fundamentan en el principio de higienización por vapor mediante autoclave industrial. El principio del tratamiento se basa en que el vapor de agua posee un coeficiente de transferencia de calor mucho más elevado que el aire y esto lo convierte en un elemento para entrar en contacto con el residuo y calentarlo. Este es un sistema utilizado desde hace tiempo en la industria alimentaria conservera. En el área del tratamiento de residuos, se ha aplicado a los residuos biosanitarios. La novedad está en la adaptación de este sistema al tratamiento de los residuos urbanos que presentan diferencias de morfología, presentación y cantidad respecto a aquellos.

Una diferencia entre el tratamiento mediante las autoclaves de los residuos biosanitarios y los residuos urbanos, es que aquellos trabajaban por lotes y los sistemas adaptados a los residuos urbanos permiten trabajar de un modo continuo con los residuos. De este modo se evitan las despresurizaciones y presurizaciones entre carga y carga de residuos. Por tanto, se logra una mejora en los tiempos de proceso y supone un ahorro energético con respecto al modo discontinuo.

Como objetivos generales del proceso de higienización se tienen:

- Obtener un residuo más homogéneo a través de la unificación de algunas fracciones.

- Reducir el volumen del residuo en aproximadamente un 50% de la masa de entrada.

- Extraer todos los líquidos contenidos y obtener fracciones secas.

- Obtener un residuo higienizado sin agentes patógenos y libre de olores.

- Provocar un cambio morfológico que elimine los elementos voluminosos, las bolsas de basura y otros envases, según los fabricantes, a efectos de incrementar la eficacia de los procesos de selección. Sin embargo, según el propio sector, esto no es así, a través de estos procesos no se incrementa la eficacia de los procesos de selección de plásticos, sean o no envases. Estas fracciones se degradan completamente y no son aptas para reciclado mecánico, sólo para valorización energética.

Como se ha dicho, según los promotores, los procesos de higienización, dentro del esquema de tratamiento de los residuos urbanos, se ha de situar a la cabecera de la cadena de tratamiento. Sin embargo, en función del flujo de residuos estos procesos deberían situarse tras la selección de materiales reciclables, de hecho es así como los han instalado ya en algunas plantas.

En primer lugar, siempre según los promotores, los residuos se han de triturar para que estos puedan entrar en contacto directo con el vapor. Una vez triturados los residuos se pasan al proceso de higienización. No obstante, desde un punto de vista técnico, no es condición necesaria la trituración, proceso que sólo va a hacer encarecer el tratamiento.



El proceso de higienización se desarrolla en continuo dentro de un entorno de presión y temperatura estable, que no requiere la presurización y despresurización por cada carga de residuos.

El proceso se lleva a cabo en equipos donde los residuos son rociados con vapor de agua saturado a temperaturas entre 120 – 190 ºC y a una presión entre 3 – 7 bar. Esta presión permite que el vapor de agua penetre en el interior del residuo y rompa la estructura de los biorresiduos y otros compuestos como la celulosa, el papel y el cartón, unificándolas en una única fracción de biomasa. Por otra parte, en el interior del equipo el residuo es sometido a una agitación. El tiempo del proceso de higienización de los residuos es de unos 30 – 40 min.

El proceso, para su funcionamiento, requiere de un sistema de generación de vapor. Por ello se ha de disponer de una caldera de vapor industrial convencional. Así mismo, el proceso requiere de aire comprimido y suministro eléctrico para garantizar que el sistema funcione correctamente.

Por otra parte, en el proceso de higienización se produce un efluente a partir de los líquidos que contenían los residuos y que son arrastrados por el vapor. Este conjunto es condensado constituyendo el efluente del proceso. El efluente se ha de tratar en una instalación de depuración cuyas características dependerán de las necesidades de la planta y los límites de vertido. Esta agua se puede depurar lo suficiente para permitir su reutilización en el proceso para la producción de vapor de modo que se reduzcan las necesidades de agua de la planta.

En el proceso de higienización no se producen emisiones, los equipos son cerrados y los residuos no son degradados. El vapor es recogido, condensado y tratado en la planta depuradora.

9.1.2. PRODUCTOS DEL PROCESO DE HIGIENIZACIÓN

Como resultado del proceso, los residuos aumentan su densidad lo que puede suponer una reducción del volumen en torno al 50%. El aspecto es el de una mezcla heterogénea de materiales limpios, higienizados, disgregados y sin malos olores, pero que en su mayoría no son aptos para el reciclado mecánico sino para su valorización energética.

Estas características de los residuos higienizados (ausencia de olores y sin agentes patógenos) hacen que las condiciones de trabajo en las etapas de tratamiento siguientes presenten mejores condiciones higiénicas.

La biomasa orgánica es la principal fracción que se obtiene del proceso de higienización y está constituida por la materia orgánica, la celulosa, el papel y el cartón. Esta fracción es la que ha sufrido una transformación más importante en el proceso. Las distintas fracciones se disgregan en unidades elementales para posteriormente unirse en una fracción única de textura fibrosa y granulometría adecuada para su manipulación posterior. Tiene un grado de humedad entre el 30 y el 50% según procesos.



Los metales apenas se ven afectados por el vapor. Sin embargo, debido a las condiciones de operación están limpios, carentes de etiquetas, pinturas, líquidos o piezas de plástico adheridas.

Según los promotores, los plásticos se transforman en mayor o menor medida dependiendo del tipo y composición de los mismos. Se obtienen secos y desprovistos de otros materiales a los que iban unidos. Aquellos plásticos que funden a bajas temperaturas (PEBD), adoptan forma de esferas macizas. Otros como el PET o el PEAD se obtienen prácticamente con la misma forma que tenían, pero aplastados por acción de la presión. En todos los casos, como sucede con otras fracciones, están limpios y aptos para ser separados fácilmente en sus diferentes tipos con separadores convencionales. No obstante, como se ha venido diciendo, los recicladores de plásticos aseguran que éstos no son aptos para su reciclado mecánico.

El resto de componentes como el vidrio, el textil, o los cascotes también se obtienen limpios sin apenas sufrir variación alguna en su morfología, a excepción de las roturas por efecto del movimiento y de los golpes con el resto de los residuos.

Todo este conjunto de materiales se somete a la etapa de separación/clasificación. Esta etapa consta de equipos convencionales, semejantes a los de cualquier planta de tratamiento de fracción resto o de clasificación de envases.

La biomasa, que es la fracción más abundante y representativa en el proceso de higienización, se separa en primer lugar con un porcentaje de impropios menor del 5%.

Encontrar un destino de valorización de esta biomasa es lo que da o quita sentido a estos tratamientos. Entre las posibles valorizaciones para esta biomasa se encuentran:

- Estabilización aerobia y producción de bioestabilizado.

- Digestión anaerobia con generación de biogás, valorización del mismo y posterior estabilización del digestato y obtención de bioestabilizado.

- Combustión en caldera de biomasa y generación de electricidad.

- Gasificación de la biomasa y valorización energética.

- Producción de bioetanol de segunda generación.

Únicamente las dos últimas opciones requieren la presencia de un tratamiento previo de estas características. Téngase en cuenta, por otra parte, que tanto en la jerarquía de gestión de residuos como en el cumplimiento de los objetivos de reciclado para 2020, la obtención de combustibles no suma en dicha contabilidad y es ambientalmente menos preferible que las opciones de reciclado de materia orgánica. La viabilidad técnica, económica y administrativa de estas potenciales salidas para la biomasa será la que de valor a este tratamiento para los residuos urbanos.



Se han podido visitar y analizar varios de estos procesos y realmente no se justifica su utilidad desde el punto de vista de preparación del material para un tratamiento ulterior; tienen poca capacidad porque son procesos discontinuos y un elevado coste energético. Además la afirmación de que los materiales plásticos se recuperan posteriormente no es cierta. Solamente se pueden recuperar los metales y el estabilizado/higienizado orgánico que queda del proceso, pero con un coste sin utilidad técnica demostrada.

9.1.3. PROCESO DE HIGIENIZACIÓN DE AMBIENSYS

Ambiensys ha desarrollado la tecnología de tratamiento de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) y ha diseñado y construido los sistemas de tratamiento GeiserBox®. Este sistema es un proceso de higienización de residuos en continuo. Es una tecnología con capacidad de tratamiento de RSU escalable a partir de 35.000 t/año.

Ambiensys ha construido una planta de tratamiento con el sistema GeiserBox® que ha estado trabajando en Barberà del Vallès (Barcelona) durante tres años (2010-2012) con residuo del Ecoparque3 de Barcelona. El modo de funcionamiento era en turno diario de 8 h., la planta tenía un permiso de investigación para tratar 15.000 t/a. En el año 2013, esta planta se ha trasladado, como etapa de pretratamiento, a la planta piloto de producción de bioetanol a partir de la biomasa tratada que Abengoa tiene en Babilafuente (Salamanca), donde está funcionando desde mayo de 2013.

La planta ha estado trabajando con las etapas de trituración, higienización, separación de la biomasa y de metales, y plásticos.

El proceso de tratamiento se inicia con la trituración de los residuos para asegurar un tamaño máximo controlado. Este dispone de unos módulos de compuertas de entrada que permiten garantizar la presurización previa a la entrada al equipo de tratamiento y la despresurización previa a la extracción de los productos tratados. Se permite la introducción en continuo de lotes regulables de aproximadamente 85 kg/min. El equipo de higienización GeiserBox® consiste en autoclave a presión, donde los residuos son expuestos a las condiciones de presión y temperatura determinadas mediante un baño de vapor de agua uniforme durante un periodo de entre 8 y 32 minutos. La presión de trabajo es de entre 5 y 7 bares y la temperatura de 150 ºC.

Para alimentar vapor al sistema se ha de prever la conexión a un alimentador de vapor o caldera de vapor; dicho suministro tendrá una capacidad nominal mínima de 2.000 kg/h de vapor y una presión de trabajo de 8 bares. Otros equipos auxiliares serán el de aire comprimido y suministro eléctrico para garantizar que el sistema funcione correctamente.

Para tratar el vapor del proceso se dispone de un módulo de Oxidación Térmica Regenerativa (RTO). Con este tratamiento del vapor se consigue la eliminación de COV’s y malos olores. El RTO es un equipo de 2 torres, en su base tiene una cámara de combustión única que une a las torres en su parte superior. Se trata de un sistema basado en el aprovechamiento energético



mediante la disposición de lechos cerámicos en cada una de las torres. Con el ciclo de apertura y cierre de válvulas se consigue una temperatura uniforme en los lechos cerámicos y una menor aportación de gas para conseguir la temperatura de oxidación (entre 750 y 850ºC). A esta temperatura se produce la oxidación de las partículas que producen olores y de los compuestos orgánicos volátiles. En diseños futuros este tratamiento se pretende cambiar por un sistema de condensación de los vapores y tratamiento de efluentes, con el fin de recircular estos líquidos para producir el vapor del proceso y economizar agua.

El residuo tratado presenta una reducción de volumen del 50% respecto al residuo triturado, con una humedad en torno al 50%. Este residuo pasa por un tromel y se separa prácticamente la totalidad de la biomasa con un nivel de impropios menor del 5%.

En las pruebas realizadas en Barberà se obtuvo, en peso, un 55% de biomasa (impropios <3%), metales férricos 3,6%, aluminio 0,7%, plásticos (PET, PEAD) 0,7% (no aptos para el reciclado), material para CDR 35% e inertes 5%. En los ensayos para la producción de CDR se separaron un 10% de inertes y quedó el 25% como combustible. El conjunto de inertes final es del 15% que se destinaría a vertedero.

Los consumos de la planta por tonelada de residuo tratada fueron de: 39,67 kWh/t de energía eléctrica; 140 l/t de agua y 7,2 m3/t de gas natural.

El coste del módulo de higienización GeiserBox® (35.000 t/a), con sus elementos auxiliares (trituradora, caldera vapor, compresor, tratamiento vapor, tromel biomasa) y su montaje es de 5 M€, no se considera la obra civil ni terreno. Los costes de operación de la planta tal como estaba funcionando en Barberà son, de acuerdo al tecnólogo, de 20 €/t de residuo tratado. A este coste hay que añadir los costes de amortización y los de la gestión de los residuos destinados a vertedero y restar, en su caso, el de la venta de los materiales recuperados (a excepción del plástico).

9.1.4. PROCESO DE HIGIENIZACIÓN DE ECOHISPANICA

EcoHispánica ha desarrollado y patentado un sistema de higienización para el tratamiento de residuos sólidos urbanos en modo continuo. Con este sistema ha realizado una planta de demostración en Rivas Vaciamadrid (Madrid). La planta está basada en el módulo básico de tratamiento de 40.000 t/a (en tres turnos). La planta comenzó su actividad en abril de 2013 y ha estado trabajando desde entonces en un único turno de 10 horas/día, ya que la producción es menor que la de diseño, equivalente, según sus promotores, a 20.000 t/a. Sin embargo, se trata de un proceso discontinuo y debido al lay out de la planta es dudoso que su alimentación exceda de 2 t/h. La planta en la actualidad solo funciona en las dos primeras etapas, recepción/trituración e higienización de los residuos, ya que ha servido para poner a punto el equipo de higienización. También se realiza la separación de la biomasa (conjunto de materia orgánica, papel-cartón y celulosa) mediante tromel del resto de materiales. El resto de separaciones de materiales está previsto pero todavía no está implantado. En la planta se llevan



a cabo, además, las etapas auxiliares del proceso como son la generación de vapor, producción de aire comprimido, intercambiador de calor y depuración de aguas.

La descripción de las etapas que se realizan en la planta piloto es la siguiente.

Los residuos tras su descarga en los fosos de recepción son colocados en una trituradora que rompe las bolsas y reduce el tamaño de los residuos.

Una vez triturados, los residuos se transportan hasta la cámara de entrada del Waste Cleaner (dispositivo que consiste en 4 autoclaves industriales en serie) para su proceso de higienización. Según sus promotores, la capacidad de proceso es de entre 80 y 100 kilos por minuto, es decir, 5 t/h, aunque en la actualidad la realidad está más próxima al 40%, y puede funcionar a presiones de hasta 5 bares. El vapor de agua es generado por una caldera tipo C que utiliza gas natural como combustible.

Los residuos permanecen aproximadamente unos 20 minutos en el interior del Waste Cleaner, donde son sometidos a un tratamiento con vapor de agua a una presión de entre 2 y 3 bares y una temperatura de 130ºC. En el Waste Cleaner los residuos son agitados para que la materia orgánica alcance la granulometría deseada y el resto de residuos adopten la morfología más adecuada para su posterior separación. Al finalizar este tratamiento, los residuos están higienizados y sin olores.

Como resultado del tratamiento, el conjunto de residuos sale de esta etapa con una densidad de 700 kg/m3, y su volumen se ha reducido cerca de 70% respecto al residuo inicial.

El residuo procesado pasa por un tromel rotativo, que es el encargado de separar el 100% de la biomasa. El resto de residuos que no se separan son recogidos en contenedores con un 20% de humedad.

Esta es la situación actual de la planta donde la biomasa y la fracción rechazo son enviadas a vertedero ya que no existen los módulos de selección de materiales ni la etapa de valorización de la biomasa. Ya que hasta el momento lo que se está realizando en la planta es la optimización del proceso de higienizado y separación de la biomasa.

Existen dos alternativas previstas en un futuro para el aprovechamiento de la biomasa que están siendo objeto de proyectos de I+D. La primera consistiría en la digestión anaerobia, estabilización aerobia del digestato produciendo un bioestabilizado, mejorante de suelos. La segunda alternativa consistiría en la pirólisis de la biomasa y la producción de electricidad.

Al no tener montados los equipos de separación de materiales no se puede valorar la eficacia de los mismos con el material higienizado. Sin embargo, en la separación de la biomasa los resultados obtenidos indican que la biomasa con un 40%-50% de humedad, es separada en gran medida y con un 5% de impropios.



Según el promotor, las necesidades de energía eléctrica de la planta en su configuración actual (sin las etapas de valorización energética y selección de materiales) es de 300 kWh (60,44 kwh/t de residuos). Este consumo se reparte de la siguiente forma:

- Área de recepción y trituración: 167,00 kWh (33,33 kWh/t de residuos)

- Waste Cleaner: 50,95 kWh (10,16 kWh/t de residuos)

- Separación de la biomasa (tromel): 47,00 kWh (9,32 kWh/t de residuos)

- Tratamiento de líquidos (depuradora): 30,73 kWh (6,13 kWh/t de residuos)

- Otros consumos: 7,5 kWh (1,5 kWh/t de residuos)

Para producir el vapor de la caldera, son necesarios 50 m3/hora de gas natural, que suponen 10,42 m3/t de residuos.

Para el vapor de agua que necesita el proceso y se genera en la caldera, se requieren 300 l. de agua por tonelada tratada. Parte de esta cantidad, unos 180 l. por tonelada, podrían provenir de la recirculación de las aguas tratadas en la depuradora, con lo cual las necesidades netas de agua de red serían de 120 l. por tonelada de residuo.

El coste de los equipos del módulo de higienización (40.000 t/a), y sus equipos auxiliares (trituradora, caldera, vapor, compresor, tromel separación biomasa, depuradora), es de 5 M€, sin obra civil ni terreno. El promotor estima que los costes por tonelada del tratamiento de higienización, tal como está la planta en estos momentos (recepción/trituración, higienización, separación biomasa), son del orden de 20-25 €/t de residuos tratado; a estos que hay que añadir los costes de amortización y los de gestión de las dos fracciones separadas.

9.1.5. CONCLUSIONES

El proceso de higienización no es un tratamiento finalista de los residuos urbanos. Es un pretratamiento de los mismos orientado a unas eventuales mejoras de las condiciones de trabajo (más higiénicas y sin olores), y rendimientos de las plantas TMB (Tratamiento Mecánico-Biológico) de residuos urbanos.

El objetivo principal de estos procesos es la obtención de una biomasa homogénea y disgregada (compuesta por la fracción orgánica, el papel-cartón y la celulosa) y, complementariamente, la posibilidad de producir un Combustible Sólido Recuperado (CSR).

El objetivo último de estas tecnologías es ofrecer una alternativa de valorización energética para la fracción orgánica de los residuos urbanos mezclados. Sin embargo, esta apuesta tiene un efecto perverso indiscutible. La capacidad de la instalación necesita que esta fracción orgánica incluida en los residuos mezclados no disminuya a favor de un compost de calidad obtenido a partir de biorresiduos recogidos de manera separada. Tanto con las normas actuales como con



los desarrollos previsibles en el futuro, la opción del reciclado a través del compost es preferible a la de la valorización energética de esta fracción. En consecuencia su mayor evolución no es compatible con la excelencia en una gestión sostenible de residuos en el marco de la sociedad europea del reciclado.

Aun así, la viabilidad de los procesos en la actualidad va ligada, no sólo a las características de la biomasa obtenida sino a la calidad del producto obtenido en los procesos subsiguientes para la obtención de etanol, por ejemplo, y sobre todo al mercado de estos productos recuperados.

Por otra parte, el conjunto de tecnólogos evaluados con estos sistemas es muy reducido y el grado de desarrollo en alguno de ellos está todavía en fase de pruebas y en otros, no cuentan con instalaciones comerciales.

Una característica de estas instalaciones es su carácter modular. Las unidades de tratamiento son de 35.000 t/a – 40.000 t/a, por lo que el tratamiento de cantidades mayores de residuos urbanos se realizaría mediante la adición de varias unidades de higienización, aunque los elementos auxiliares podrían ser compartidos.

Desde un punto de vista económico, la implementación de los procesos de higienización supone un coste de inversión y de explotación que ha de verse compensado por la mejora del rendimiento conjunto de la planta y la disminución real del rechazo destinado a vertedero. Esta situación necesariamente debería justificarse caso por caso.

9.2. Fabricación de CSR

La producción de combustibles a partir de residuos cuenta con tecnologías maduras comercialmente que permiten obtener unos productos con un poder calorífico suficientemente elevado y con unas características de composición y físicas que los hace susceptibles de ser utilizados como sustitutos de combustibles tradicionales por instalaciones de sectores industriales que sean intensivos en consumo energético.

Entre los productos energéticos a partir de residuos se pueden considerar los siguientes tipos de combustibles.

Los Combustibles Derivados de Residuos, CDR, son combustibles preparados a partir de cualquier tipo de residuo, peligroso o no peligroso, y puede presentar diferentes estados físicos, líquido o sólido. En cualquier caso, estos CDR no están sujetos a especificaciones técnicas estandarizadas y solo han de cumplir los requisitos establecidos entre los productores y los usuarios de los mismos.

Los Combustibles Sólidos Recuperados, CSR, son combustibles sólidos preparados a partir de residuos no peligrosos para ser valorizados en plantas de incineración o coincineración, que cumplen las especificaciones establecidas por el Comité Europeo de Normalización, CEN, en el



documento CEN/TS 15359:2006 Solid recovered fuels – Specifications and casses, incluyendo una declaración de conformidad expedida por el productor y un sistema de control de calidad.

Durante los últimos años se han introducido importantes modificaciones en las formas de recogida y tratamiento de los residuos urbanos y de sus diferentes fracciones, orientadas hacia una mayor recuperación material basada en la recogida separada de distintas fracciones, una valorización energética más segura y a una disminución del vertido, especialmente de materiales biodegradables. Complementariamente, se obtienen fracciones secas de alta calidad que pueden ser utilizadas como combustibles alternativos sin los inconvenientes de los CDR, estos combustibles son los combustibles sólidos recuperados (CSR).

Los CSR pueden estar compuestos por una variedad de materiales, de los que algunos podrían ser reciclables pero que se encuentran de tal forma que el reciclado no es la opción ambiental más adecuada. Este podría ser el caso de numerosos materiales de origen plástico que, aunque por su naturaleza podrían ser reciclables, su estado impide que esta recuperación material sea razonable, incluso desde el punto de vista ambiental.

Para fomentar y consolidar el uso de estos combustibles alternativos en algunos sectores industriales de gran demanda energética es necesario establecer algunas limitaciones relacionadas con el contenido de contaminantes, determinados por los usos potenciales y las características de las instalaciones usuarias, al tiempo que debe establecerse una garantía de estabilidad en el suministro.

9.2.1. PRODUCCIÓN DE CSR

Las especificaciones de combustible sólido recuperado, dependen del uso a que se van a destinar y de las características de los residuos de partida. Se extienden a la totalidad de los residuos no peligrosos, incluidos los residuos de origen industrial, comercial y de otros tipos, así como a los lodos de depuradora.

La posibilidad de producción de CSR adaptado a las especificaciones establecidas por el Comité CEN/CT 343 está condicionada por las características de los residuos de partida.

El proceso de producción puede incorporar diversas etapas de tratamiento (véase Figura 9.2).

La diversidad de residuos que pueden procesarse y de los usos a que puede destinarse el CSR, hace que cada productor siga su propia estrategia tecnológica para producirlo.

En general, en los procesos de producción de CSR se adaptan los residuos a los valores de los parámetros determinados por la norma y por las necesidades del usuario.

- Reducción de humedad

- Reducción del contenido en cloro



- Reducción del contenido en metales pesados

- Reducción del contenido en inertes

- Adecuación del tamaño (granulometría)

- Poder Calorífico Inferior, PCI

Figura 9.2. Diagrama general de proceso producción de CSR

Estos procesos de fabricación pueden ser muy sencillos, cuando se parte de residuos industriales/comerciales seleccionados o de rechazos de plantas de selección avanzadas y pueden consistir simplemente en una etapa de separación magnética y una trituración para obtener el tamaño adecuado. Si los residuos entrantes van teniendo características inadecuadas, por composición u origen, es necesario incorporar más etapas en el proceso de producción del CSR hasta suponer un proceso complejo que tenga etapas de trituración previa, tromel de selección, separación densimétrica, separación magnética y trituración final. En ciertos casos, es necesario incorporar etapas accesorias para poder asegurar el cumplimiento de las



especificaciones del CSR, como una separación de elementos que contengan cloro mediante separadores ópticos o separadores de metales adicionales.

9.2.2. PRODUCCIÓN DE CSR A PARTIR DE RESIDUOS URBANOS

Una de las posibilidades que existen para la valorización energética de los residuos urbanos acorde con la jerarquía de los residuos consiste en la producción de CSR a partir de los rechazos de tratamientos de residuos urbanos una vez que se han separado aquellos materiales susceptibles de reciclaje. Por ello, un factor a considerar en la planificación de la producción de CSR es el impacto creciente de las iniciativas de recogida separada de las distintas fracciones de los residuos urbanos para la potenciación del reciclado material y de los programas de prevención en la generación de residuos. Estas iniciativas pueden suponer, a medio plazo, una evolución en la composición de los residuos recogidos, que puede modificar algunas de las características de los CSR obtenidos o, especialmente, su producción.

El tratamiento de residuos urbanos para producir CSR se lleva a cabo, por lo general, utilizando un tratamiento mecánico y/o biológico, aunque debe señalarse que no todos los TMB conducen a la producción de combustibles alternativos de calidad.

Existen varios procedimientos para la producción de CSR a partir de residuos urbanos dependiendo de la fracción de partida:

1. Por tratamiento biológico de la fracción resto de los residuos urbanos mediante biosecado, para degradación acelerada de la materia orgánica volátil y una posterior separación y clasificación, al objeto de obtener un combustible estabilizado de alto PCI.

2. Por tratamiento mecánico de la fracción resto y posterior afino de la fracción seca separada en el triaje inicial. Esto permite obtener un combustible de alto poder calorífico, dependiendo de la exigencia en la operación de afino.

La primera línea señalada sería un proceso aplicable en aquellas instalaciones o unidades de gestión que puedan plantearse un nuevo modelo completo a partir de los residuos recogidos. El segundo procedimiento permite aprovechar las infraestructuras de tratamiento ya existentes (plantas de clasificación, compostaje o estabilización), hasta ahora orientadas a la gestión de la materia biodegradable. De esta forma se extiende el ámbito de actuación de las mismas a la valorización de los rechazos, sin interferir en el funcionamiento actual, en consecuencia, se reducirá el depósito en vertedero. Esta reducción es uno de los objetivos y justificantes económicos del tratamiento.

Las dos formas de tratamiento no son equivalentes en sus resultados, especialmente en relación con la calidad y la actividad biológica de los CSR obtenidos. En el primer caso se trata de residuos biológicamente estabilizados, aunque esta estabilización sea temporal, debido a la ausencia de humedad. Esto permite tener garantías sobre el transporte y almacenamiento, con una percepción de olores muy reducida.



El CSR obtenido en los tratamientos mecánicos no está exento de materia orgánica fácilmente biodegradable, por lo que su estabilidad biológica no es completa. Para alcanzar esta estabilidad se recurre a la densificación (que reduce considerablemente la humedad por evaporación y presión combinadas). La densificación facilita el transporte hasta las plantas usuarias, aunque posteriormente debe procederse a una molienda del residuo densificado para facilitar el proceso de combustión. El almacenamiento de estos combustibles puede ser más problemático que los procedentes del biosecado.

Debe considerarse que el triaje de las plantas TMB está orientado a recuperar materiales reciclables y obtener el mejor nivel de calidad en la materia orgánica separada, ya que de esta calidad dependerá la del producto principal del tratamiento de la planta (bioestabilizado). Por tanto, las características del rechazo del triaje (fracción seca) no suelen ser los objetivos principales de estas plantas.

En el caso del biosecado este aspecto es menos determinante, porque se produce una estabilización temporal suficientemente intensa de la totalidad de la masa de residuos, no sólo de una fracción.

9.2.3. PREPARACIÓN DE CSR POR TRATAMIENTO BIOLÓGICO Y MECÁNICO (BIOSECADO)

El esquema básico de tratamiento sería el que se muestra en el diagrama de bloques descrito en la figura 9.3.

Figura 9.3. Producción de CSR mediante Biosecado - TBM

Todos los residuos recibidos son triturados hasta un tamaño del orden de 300 mm y sometidos a un proceso de secado biológico, que consiste en la evaporación de agua de los residuos de forma simultánea a la degradación aeróbica de la fracción orgánica volátil de los mismos.

Para ello, los residuos triturados se depositan en pilas y se hace pasar aire a través de las mismas. La oxidación biológica de la materia orgánica fermentable produce un aumento de



temperatura de la pila de residuos que, además de eliminar los patógenos presentes, contribuye favorablemente al proceso de evaporación de agua.

La reacción biológica tiene lugar de forma natural pero se ve favorecida por la circulación de aire a través de los mismos, garantizándose así tanto la aportación del oxígeno necesario para la actividad biológica aerobia como la evacuación de la humedad de manera uniforme desde toda la masa de residuos.

El proceso de biosecado elimina una parte muy importante de la humedad, obteniéndose un producto final con una humedad del orden del 12% (frente a un contenido de entre el 35% al 40% en la entrada de residuos a la planta).

El material seco, que supone entre el 60-70% de la masa inicial de residuos, es un producto razonablemente estabilizado, por la escasa humedad que reduce la actividad bacteriana a valores mínimos. Este material seco puede ser clasificado como CSR (con un PCI del orden de 13-15 MJ/kg), y podría ser destinado a plantas de incineración especialmente diseñadas para estos combustibles.

Sin embargo, para su utilización en otras instalaciones, es necesario realizar clasificaciones mecánicas de afino para separar algunas fracciones reciclables (generalmente metales), para eliminar inertes no deseables en los productos del proceso industrial, por ejemplo clínker, y para obtener combustibles de superior PCI, (en torno a 18–20 MJ/kg), que son los solicitados por las plantas industriales.

El material seco y estabilizado se somete a un afino por clasificación en un tromel y una aspiración neumática seguida de otras separaciones magnéticas o densimétricas. Así se obtienen distintas fracciones:

- Una fracción ligera, que varía entre el 30 y el 35% de la masa de residuos entrantes y que está constituida, fundamentalmente, por restos de plástico y papel y tiene un poder calorífico muy elevado (>16 MJ/kg), una humedad reducida, (<7%), y un bajo contenido de metales y residuos inertes; esta fracción es el CSR de alta calidad.

- Una fracción constituida por los metales separados, (chatarras de acero y aluminio, entre otras), que son recuperados para su reciclado.

- La fracción residual, del orden del 32% de los residuos entrados en la planta, que contiene la mayor parte de los inertes junto con la casi totalidad de la materia orgánica estabilizada.



9.2.4. PREPARACIÓN DE CSR POR TRATAMIENTO MECÁNICO DE LOS RECHAZOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LA FRACCIÓN RESTO

El diagrama de bloques (Figura 9.4) representa el esquema de una planta convencional de tratamiento de la fracción resto de residuos urbanos con una recuperación parcial de metales y una estabilización de la materia orgánica separada mediante tromel.

La fracción resto, procedente de la recogida, es sometida a una trituración previa, hasta unos 80 a 100 mm, seguida de una separación de objetos metálicos y de residuos voluminosos. Posteriormente se realiza una clasificación por tamaños, en cribas rotativas, para la separación de finos.

La separación mecánica da lugar a tres fracciones: una de materiales recuperados, (en torno al 5% referido a la cantidad de entrada), otra del 45% constituida por los finos y que corresponde a materia orgánica y una tercera constituida por la fracción seca, con casi el 50% en peso.

La fracción seca tiene un PCI razonablemente elevado, en torno a 10–15 MJ/kg, y puede destinarse a diferentes usos. Uno de los usos posibles consiste en la producción de combustibles alternativos, para su utilización como tales en instalaciones industriales distintas de las plantas de incineración, aprovechando el potencial energético de estos residuos.

Figura 9.4. Producción de CSR en planta de tratamiento mecánico-biológico

Para este uso, la fracción seca debe someterse a una segunda trituración y clasificación neumática. Esta etapa permite separar las fracciones ligeras (constituidas por plásticos, papel y textiles), con un PCI elevado, mientras que las fracciones más pesadas contienen inertes y otros materiales con escaso poder calorífico.

La posterior densificación de esta fracción ligera separada permite reducir la humedad de la misma, para mejorar sus posibilidades de transporte y almacenamiento, ya que la densificación da lugar a un secado mecánico.

SEPARACION

ESTABILIZACION

RECHAZOS A VERTEDERO

ESTABILIZADO 20

20%

MATERIALES 5%

AFINO 45%

50% 5%

14%

11%

18% PRODUCCION

DE CSR

32%

46%

CSR

Fracción resto

Fracción húmeda

H2O + CO2



El esquema siguiente (figura 9.5), reproduce las diferentes etapas seguidas para la producción de CSR a partir de residuos comerciales, que puede ser aplicado también a los rechazos de las plantas de TMB de residuos urbanos y fracción resto, por tratamientos mecánicos.

Figura 9.5. Esquema de planta de producción de CSR a partir de residuos comercial

La alimentación a la planta puede incluir también los residuos no peligrosos procedentes de actividades comerciales e industriales que suelen contener proporciones mayores de componentes combustibles, (plásticos y papel) y menor contenido de humedad.

Debe observarse que las primeras etapas del procedimiento descrito se corresponden con las de separación de fracciones en muchas de las instalaciones de tratamiento de residuos urbanos existentes en España.

La fracción rechazada en las mismas suele ser depositada en vertedero y sería susceptible de aprovechamiento energético mediante una separación de la fracción ligera de estos rechazos antes de su vertido. De esta forma la producción de CSR podría considerarse una prolongación de las actuales plantas de tratamiento y estabilización.

En este caso, la calidad del CSR obtenido puede ser muy dependiente de la forma de funcionamiento de la planta de clasificación existente. Si el triaje de la materia orgánica no es eficiente, una parte importante de materia orgánica pasará a la fracción seca y producirá contaminación del CSR.

Debe observarse que esta forma de valorización no implica el tratamiento de la totalidad del residuo aunque, si se puede garantizar la utilización del CSR producido, la cantidad residual a depositar en vertedero será reducida y razonablemente estabilizada.

9.2.5. CSR PROCEDENTES DE OTROS RESIDUOS URBANOS

Con independencia de las instalaciones descritas, dedicadas a la producción de CSR a partir de la fracción resto de los residuos municipales, también pueden prepararse combustibles alternativos a partir de los rechazos de las fracciones secas recogidas de forma separada



procedentes de residuos similares, comerciales e industriales (especialmente papel, plásticos y maderas).

El objetivo fundamental de estas recogidas selectivas es el reciclado de los materiales recogidos y éstos únicamente deberían ser destinados a producción de CSR cuando su reciclado no sea posible, por razones técnicas.

La incorporación de estos materiales a los CSR se realiza mediante una trituración y posterior separación neumática, de forma que sólo los componentes ligeros, de poder calorífico elevado, se incorporan a los mismos.

La calidad de los CSR obtenidos por esta vía es considerablemente mayor debido al elevado PCI, la homogeneidad de los materiales de entrada y por el bajo contenido de humedad. Así mismo, el rendimiento del proceso, porcentaje de CSR sobre materiales de entrada, también mejora con esta incorporación.

De la misma forma podría obtenerse CSR de los rechazos de las plantas de clasificación de envases ligeros, especialmente de plásticos. En la práctica, es una de las posibilidades aplicadas en algunos países y una vía alternativa para los materiales procedentes de envases ligeros no reciclados debido a su deficiente calidad o cuando la presencia de impropios es tan elevada que su reciclado presenta dificultades. Esta alternativa de valorización está siendo estudiada por los Sistemas Integrados para evitar el vertido de los actuales rechazos de las plantas de clasificación.

El destino alternativo de los rechazos de estas plantas suele ser el depósito en vertedero, de forma directa o a través de la fracción resto, o valorización energética en aquellas zonas donde exista una instalación cercana.



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