Incineración de residuos sólidos urbanos y generación de electricidad

En este primero de dos artículos, se analizan las tecnologías de incineración.

Rocío Sarmiento Torres*

En una planta de incineración con generación de energía eléctrica, se alimentan los residuos sólidos urbanos (RSU) a hornos individuales, dentro de los cuales los del tipo de pared de agua (los lados del horno contienen tubos de acero cercanos por donde circula agua) en un principio fueron los más utilizados. En este caso, se queman los residuos y al mismo tiempo se calienta agua para producir vapor, que posteriormente se utiliza para alimentar las turbinas que generan electricidad.

En los comienzos de esta industria, las instalaciones modulares fueron dominantes; ya que eran relativamente simples de implementar y no requerían de un elevado capital de inversión. Sin embargo, por los cambios en las políticas gubernamentales muchas instalaciones fueron forzadas a incrementar el control de contaminantes, cerrando antes que tener que invertir para cumplir con los requerimientos actuales. Su tamaño pequeño los hizo poco rentables particularmente en áreas con precios de disposición de residuos a la baja.

Los equipos modulares tenían una o más unidades de combustión de pequeña escala, para procesar pequeñas cantidades de residuos, generalmente menores a 200 toneladas/día. Comúnmente se prefabrican en módulos que pueden transportarse completamente ensamblados.

Como una opción para lograr el cumplimiento con los requerimientos ambientales, se implementaron diseños de doble cámara; pero esto tampoco fue suficiente para satisfacer completamente las legislaciones actuales y se tuvieron que complementar con calderas para incrementar la eficiencia del aprovechamiento energético, así como con equipos de control de contaminantes.

En algunos casos, se comenzaron a utilizar tecnologías que permitían obtener un combustible derivado de los RSU, preprocesándolos inicialmente para producir un producto combustible homogéneo que puede venderse a clientes externos o quemarse en el mismo lugar; pero esto implica una mayor complejidad y, por lo tanto, es menos común. En este caso, se emplea un sistema de producción en dos etapas (gasificación y pirólisis).

En la actualidad existe una gran variedad de tecnologías y procedimientos para incinerar los RSU, con múltiples variantes; pero en las plantas que prevalecen en la actualidad la tecnología que más se utiliza consiste en lo siguiente: el centro de la planta de incineración es el sistema de combustión, lo que puede dividirse en dos grandes categorías: (a) quemado masivo, o ?tal como se reciben? de los camiones recolectores, de residuos no homogéneos, y (b) quemado de residuos pretratados u homogeneizados.

Los sistemas más utilizados en Estados Unidos y Europa son los de quemado masivo con parrilla móvil. Es una tecnología ampliamente probada, que cubre las demandas de funcionamiento para grandes variaciones en composición de residuos y de poder calorífico. Otra alternativa utilizada, pero menos común es la de los hornos rotatorios. El quemado de residuos pretratados u homogeneizados, requiere de selección manual y/o reducción del tamaño o desmenuzado. Una alternativa para el quemado con pretratamiento u homogeneizado puede ser el lecho fluidizado, lo cual ha sido menos probado para RSU, ya que tan solo lo ha sido para tipos especiales de residuos industriales (en Japón, por ejemplo).

Las plantas incineradoras suelen proyectarse en módulos idénticos en capacidad, formados por el horno, caldera, tratamiento de gases y tiro forzado (chimenea con ventilador), de manera que el funcionamiento de cualquiera de estos módulos sea siempre posible, independientemente del estado de los demás. Aunque las plantas de generación de energía eléctrica están regidas por las leyes federales, para proteger la salud humana y el ambiente, existe una gran variedad de impactos ambientales asociados a las tecnologías de generación de energía eléctrica.

La NOM-098-SEMARNAT-2002 establece las especificaciones con las que deben cumplir en México las instalaciones de incineración de RSU; como son: límites máximos permisibles de emisión de contaminantes, monitoreo continuo y protocolo de pruebas.

Incineración con parrilla móvil

Los RSU se alimentan mediante una grúa a una tolva, de donde caen a un dosificador que los va distribuyendo en forma de capa sobre una parrilla dentro del horno, la que los transporta a lo largo del mismo con una velocidad que puede regularse para graduar el flujo de los RSU. En la parrilla, los residuos se secan y luego se queman a elevada temperatura con suministro de aire. Las cenizas (incluyendo la fracción no combustible de los residuos) dejan la parrilla como escoria por el puerto de cenizas.

La parrilla forma el fondo del horno; si está apropiadamente diseñada, transporta y agita eficientemente los residuos, distribuyendo además el aire para la combustión. Puede estar seccionada en zonas individualmente ajustables y el aire de combustión normalmente se precalienta para tolerar variaciones en el poder calorífico de los residuos.

Existen muchos diseños diferentes de parrillas que incluyen: movimiento hacia delante, hacia atrás, doble movimiento, girado y rodado, aunque pueden ser apropiadas otras alternativas. El diseño detallado de la parrilla depende del fabricante y por lo tanto, su aplicación debe ser cuidadosamente evaluada para la composición real de los residuos. Además, el diseño debe estar bien probado por el fabricante mediante completa experiencia y muchas referencias relevantes.

Horno

Las paredes del horno del incinerador pueden ser recubiertas con refractario o con pared de agua. La mayoría de los hornos con pared de agua operan con menor exceso de aire, lo que reduce el volumen del horno y el tamaño del equipo de control de contaminantes. Debe asegurarse una buena refrigeración de las paredes, distribuir correctamente el aire de combustión y recoger los finos, sin provocar obstrucciones. El aire primario debe jalarse por arriba de la losa de la grúa que está en la fosa de residuos e inyectarse mediante el ventilador primario que está debajo de la parrilla, en cuando menos 4 o 6 zonas reguladas automáticamente por compuertas motorizadas.

Otra precondición para un funcionamiento óptimo del horno, es el diseño del sistema secundario de suministro de aire, que asegura el efectivo mezclado de los gases de combustión tanto arriba de la capa de residuos como a la entrada de la segunda cámara de combustión o el primer paso de la caldera. El aire secundario debe ser suministrado a través de filas de toberas, colocadas a la entrada de la cámara de combustión secundaria y posiblemente a través de filas de toberas dentro del horno, dependiendo del flujo de gases del horno.

Las tomas del aire secundario se colocan en la parte superior del horno o caldera, posiblemente en la fosa de residuos y debe suministrarse al horno, y a la entrada del primer paso de la caldera (cámara de post-combustión) mediante 3 o 5 líneas de toberas. La cantidad de aire secundario suministrado a cada fila de toberas se regula automáticamente por compuertas motorizadas.

Debe colocarse un precalentador de aire primario en la estructura del tubo de vacío, con poderes caloríficos bajos y con residuos húmedos; debe ser posible calentar el aire primario de 10°C a aproximadamente 145°C, dependiendo de la composición de los RSU y contenido de humedad. Los gases de salida con un mínimo contenido de 6% de oxígeno, deben permanecer como mínimo dos segundos a una temperatura de 850°C. Se suele instalar un quemador auxiliar de seguridad en una cámara de post-combustión, que se conecta automáticamente cuando en dicha cámara la temperatura desciende a una mínima de 850°C, lo que asegura un mínimo de compuestos órgano clorados .

El horno y la cámara de combustión secundaria (zona de post-combustión), deben diseñarse para asegurar un tiempo de retención y de reacción suficiente para los gases de combustión a temperaturas elevadas. Lo más importante es la cámara de combustión secundaria (primer paso de radiación de la caldera) que debe diseñarse con un gran volumen y altura para permitir que se completen todos los procesos y reacciones en los gases de combustión, antes de que lleguen a las paredes no protegidas de la caldera.

Además, el tamaño, volumen y geometría del horno debe minimizar el riesgo de depósitos de escoria e incrustación de cenizas en sus paredes (para evitar obstrucciones), debido a que se requiere una adecuada carga térmica baja y también una relativamente baja velocidad de los gases de combustión dentro del mismo.

La velocidad de los gases en el horno debe mantenerse a un nivel menor a 3.5-4.0 m/seg y debe ser posible controlar la temperatura, en tal forma que evite picos no deseados. La sección del horno depende en gran medida del flujo de gases seleccionado, conocido como principio de contraflujo. La selección del flujo de gases en la cámara de combustión primaria depende principalmente del tipo de RSU prevalecientes y del tipo de parrilla específico.

Se debe considerar la recirculación de los gases de combustión, para reemplazar parcialmente el aire secundario del horno. Debe estar preparado para establecer el arranque y contar con quemadores auxiliares. Las cenizas y escoria se sacan por una tolva de descarga, después de pasar por un depósito de acero en el que se mantiene una circulación continua de agua de refrigeración. Un rascador con grúa extrae las cenizas y escoria, pasándolas a una rampa de escurrido, de donde se llevan por una banda transportadora a un depósito de almacenamiento.

Figura 2. Horno de parrilla

Incineración en horno rotatorio

En el quemado masivo en horno rotatorio, el material se transporta a lo largo del mismo por la rotación de un cilindro inclinado. Generalmente se encuentra recubierto con refractario, pero también puede equiparse con paredes de agua. El cilindro puede tener de 1 a 5 metros de diámetro y de 8 a 20 metros de longitud. La capacidad puede ser tan baja como de 2.4 toneladas/día (0.1 toneladas/hora) y hasta aproximadamente 480 toneladas/día (20 toneladas/hora).

La relación de exceso de aire es bastante mayor al de parrilla móvil y aún al de lecho fluidizado. Conse-cuentemente, la eficiencia energética es ligeramente menor, pero aún puede llegar hasta el 80 %. La variación de velocidad de rotación del horno influye en el tiempo de permanencia de los residuos, de donde se pueden obtener márgenes de operación más amplios para residuos heterogéneos. Debido a que el tiempo de retención de los gases de combustión es normalmente demasiado corto para la completa reacción dentro del horno, el cilindro se conecta con una cámara de post-quemado que debe incorporarse en la primera parte de la caldera.

El horno rotatorio puede también utilizarse en combinación con una parrilla móvil, en donde la parrilla (la parte de ignición) y el horno forman la sección de quemado final. Esto logra un nivel muy bajo de material no quemado en la escoria; la cual deja el horno rotatorio mediante el puerto de cenizas.

Incineración en lecho fluidizado

Las partículas sólidas mezcladas con el combustible, se fluidizan con el aire. El reactor generalmente consiste en un recipiente de acero vertical, recubierto con refractario, que contiene un lecho de material granular como arena sílica, cal o un material cerámico.

Esta tecnología tiene algunas ventajas con relación a la combustión: reducción de sustancias peligrosas en el mismo reactor de lecho fluidizado, eficiencia térmica elevada, flexibilidad con relación a alimentaciones múltiples de combustible y costo.

La principal desventaja para incineración de residuos con esta tecnología es la demanda general de pretratamiento, de manera que se alcancen los requerimientos más estrictos de tamaño, PC, contenido de cenizas y otros. Debido a la composición heterogénea de los RSU puede ser difícil producir un combustible que alcance los requerimientos en cualquier punto dado.

Con relación a lo anterior y habiéndose estimado que en la Ciudad de México se genera una porción de RSU mezclados, después de la separación del material orgánico y de los inorgánicos con valor comercial; que es del orden de 4,269 toneladas/día; con un poder calorífico adecuado para ser incinerados, se requerirían cuatro incineradores de parrilla móvil, de preferencia con pared de agua.

En un próximo artículo, hablaremos de las calderas, gases de combustión y otros aspectos relativos a la generación de electricidad en estos procesos.

Bibliografía:
– Municipal Solid Waste Incineration; World Bank Technical Paper No. 462, junio de 2000.
– Manuales de Energías Renovables/5, Incineración; Secretaría General de la Energía y Recursos Minerales, España.

*Es ingeniera química del Instituto Politécnico Nacional con maestría en Control de Contaminación Ambiental de la Universidad de Leeds, Inglaterra. Es investigadora del Programa de Energía de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México (sarmientomr@yahoo.com.mx )