Procesos de combustión para la eliminación de residuos peligrosos
J uan O. Petunchi
Instituto de Investigaciones en Catálisis y Petroquímica
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Fe - República Argentina - Tel.: 54-42-536861.Fax: 54-42-571162.
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INTRODUCCION
Tomando en consideración que la definición de sustancia
peligrosa de la EPA (Environment Protection Agency) aplica a toda
sustancia que posea una de las cuatro características siguientes:
toxicidad, reactividad, corrosividad o inflamabilidad, se desprende
la variedad de materiales que quedan comprendidos en esta categoría,
desde efluentes industriales a residuos domiciliarios pasando por
sustancias radioactivas. Estos materiales pueden presentarse en estado
sólido, líquido o gaseoso. Las legislaciones actualmente
vigentes en la región establecen que tales sustancias deben
ser tratadas y transformadas en no tóxicas antes de ser descargadas
a la atmósfera, a espejos de agua o enterrados. Entre los diversos
tratamientos posibles, uno de los que más se han empleado es
la combustión térmica. Estos procedimientos han sido
últimamente motivos de controversia en cuanto a sus virtudes
y desventajas (1). Esta problemática se ha planteado desde
los países industrializados que disponen de legislaciones rigurosas
desde hace muchos años hasta en ciudades de tamaño medio
en los países de la región en donde normalmente el problema
se centra en la incineración de residuos domiciliarios.
En este trabajo se presentan algunas de las alternativas posibles
para que los procesos de combustión de residuos peligrosos
cumplan con las normas (Tabla 1), discutiéndose ventajas y
desventajas de tales procedimientos.
ASPECTOS FUNDAMENTALES
Los procesos de incineración para eliminar sustancias peligrosas
originan a su vez residuos sólidos (cenizas) y gaseosos. Consecuentemente,
el problema central de tales sistemas es garantizar que tales desechos
no sean contaminantes. A efecto de asegurar que los incineradores
y sus sistemas de protección operan adecuadamente se debe realizar
una prueba de incineración (a trial burn). Esta consiste en
combustionar un compuesto o una mezcla de ellos que tengan una mayor
estabilidad térmica que las sustancias con que operará
normalmente el horno. Los parámetros que se determinan son:
Eficiencia de Destrucción y Remoción (DRE Values), Productos
de Combustión Incompleta (PIC). En el caso de los valores DRE
éstos deben ser superiores al 99,99% en el caso de USA, según
las normas de la EPA, y en cuanto a los segundos, deben estar por
debajo de los límites establecidos para contaminación
atmosférica o de suelos. (Tabla 1).
Un extenso trabajo de un grupo de investigadores del Instituto de
Investigación de Dayton, encabezado por B. Dellinger del laboratorio
de Ciencia e Ingeniería del Medio Ambiente, determinaron la
estabilidad térmica de una serie de sustancias tóxicas
representativas. En la Tabla 2 se resumen algunos de los resultados
publicados (2). En dicha serie se adoptó como sustancia de
referencia, el cianógeno.
Sobre la base de los datos de la Tabla 2 si el incinerador puede
destruir el diclorobenzeno (estabilidad térmica relativa =
21) más del 99,99% se puede asumir que destruirá en
una extensión mayor o al menos igual al herbicida 2.4 D que
tiene una estabilidad térmica menor (estabilidad térmica
relativa = 13).
En la planificación de la prueba de incineración es
de fundamental importancia considerar los estudios de Trenholm y colaboradores,
quienes demostraron que el parámetro DRE es fuertemente dependiente
de la concentración del constituyente orgánico tóxico
principal (POHCs). Los autores encontraron que para un dado constituyente
(POHCs) en concentraciones de 1.200 ppm en la alimentación,
el proceso de incineración satisfacía un DRE superior
al 99,99%. Sin embargo, cuando la concentración disminuía
el proceso perdía eficiencia y para valores de 200 ppm de POHCs
en la alimentación, los valores de DRE estaban por debajo de
los requerimientos para todos los compuestos estudiados.
Un caso que merece especial atención es la formación
de dioxinas en los procesos de incineración, específicamente
la 2,3,4,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD) que es la más
tóxica de las 75 dioxinas policlorinadas. Ha sido demostrado
que cuando se incineran compuestos orgánicos clorados o en
presencia de cloro, uno de los productos de la combustión es
TCDD. Particularmente, se pueden originar dioxinas en la incineración
de residuos domiciliarios, pero también pueden aparecer en
combustibles fósiles, quemado de madera o en hornos industriales.
Las concentraciones de TCDD formadas son muy bajas pero aún
en esos casos originan riesgo a la salud. Un estudio realizado por
Greenpeace International asevera que un individuo que está
expuesto a los niveles de TCDD permitidos por EPA en aire tiene un
riesgo de cáncer 1000 veces mayor cuando se toma en cuenta
la incidencia de las dioxinas en las cadenas alimentarias.
En virtud de lo antes expuesto, los valores de la Eficiencia de Destrucción
y Remoción para el caso de TCDD deben ser al menos de 99,9999%
y deben estar determinados a partir de precursores conocidos de dioxinas
tales como triclorobenceno con alimentaciones de diferentes concentraciones.
Tomando en cuenta los estudios de Trenholm y colaboradores, Dellinger
y colaboradores han realizado una exhaustiva investigación
de los Productos de Combustión Incompleta (PIC) remarcando
la complejidad en los compuestos que pueden formarse partiendo de
una mezcla de 5 compuestos, llegaron a determinar la formación
de 200 sustancias como subproductos de la combustión a manera
de ejemplo citan que partiendo de cloroformo detectaron aromatilos
clorados y compuestos polinucleares aromáticos. En general,
la razón de la formación de PIC no es bien conocida.
Sin embargo se piensa que una zona de generación es el final
de la zona de combustión como consecuencia de que en la región
de alta temperatura no se haya dado una adecuada combustión
por problemas de bypass. Lo anterior indica que además de los
parámetros de temperatura y tiempo, uno que es de fundamental
importancia para minimizar la formación de PIC es un adecuado
proceso de mezclado de los materiales en el interior del incinerador.
TECNOLOGIAS DISPONIBLES
Dow Chemical fue un pionero en incineración de residuos. En
1948 la compañía instaló el primer horno rotativo
para incineración de residuos industriales, donde entonces
y a través del tiempo diferentes tecnologías fueron
desarrolladas para el manejo y destrucción de desechos de distinta
naturaleza. Todos los sistemas de incineración están
provistos con tecnologías para tratamiento de las emisiones
gaseosas y cenizas. En lo que sigue se hará una breve descripción
de los diferentes tipos de incineradores actualmente en uso.
Hornos rotativos. En estos sistemas residuos sólidos y líquidos
son alimentados a un horno cilíndrico recubierto interiormente
de material refractario. Estos hornos tienen una longitud que depende
de las prestaciones pero que en todos los casos superan los 20 metros.
El cilindro está inclinado alrededor de 5° y rota muy lentamente
de manera que el tiempo de residencia es alto. El mismo pude variar
desde 30 minutos hasta 1 hora y media. Los productos gaseosos no combustionados
pasan a una segunda cámara de combustión. Las temperaturas
que se alcanzan en estos sistemas son de alrededor de 1300°C.
En la fig. 1 se representa en forma esquemática una unidad
de procesamiento que emplea horno rotativo. Nótese que además
de la cámara para combustión secundaria, el sistema
posee un recuperador de calor para generación de vapor, un
secador spray de cenizas, un precipitador electrostático para
polvos y una torre lavadora de gases de escape.
Hornos de inyección de líquidos. Estos incineradores
son utilizados fundamentalmente para líquidos aunque pueden
ser adaptados para incinerar gases. El horno construido de material
refractario puede ser vertical u horizontal. Las sustancias son inyectadas
a través del quemador, atomizadas e incineradas en suspensión.
La eficiencia del sistema depende del grado de atomización
que se logre en el quemador. En estos hornos se alcanzan temperaturas
de 1600°C.
Hornos pirolíticos. Estos sistemas, también llamados
deficientes en aire, son de pequeña capacidad y normalmente
empleados para incinerar residuos domiciliarios de pequeñas
comunidades incluyendo residuos patológicos. Estos sistemas
consisten en un proceso de dos etapas. En una primera, se combustionan
los residuos con solamente el 50% del aire requerido para la combustión
total. Bajo estas condiciones se produce la pirólisis de las
sustancias procesadas. Los productos generados, que incluyen metano
y otros hidrocarburos, son destruidos en una segunda cámara
de combustión donde se incorpora exceso de aire. En estos sistemas
se alcanzan temperaturas de alrededor de 1600°C y resultan muy
eficientes para manejo de pequeñas cantidades de residuos.
Hornos de lecho fluido. En este sistema, el horno está dispuesto
verticalmente, siendo cilíndricos recubiertos de refractarios
y con una altura de alrededor de 15 metros. Estos incineradores tienen
un lecho de arena, alúmina o carbonato de calcio. Estos son
mezclados con las sustancias a incinerar, las que son forzadas a través
de los lechos mediante inyección con aire. Esto permite un
buen mezclado con el exceso de aire alcanzándose temperaturas
de alrededor de 900°C, con una eficiencia térmica superior
a la de los hornos rotatorios. Los gases de combustión pasan
luego a una segunda cámara para completar el proceso de incineración.
Estos hornos son empleados exclusivamente para residuos líquidos
o barros, lo que le quita versatilidad a su empleo.
Hornos de cementeras. Estos hornos son una clase especial dentro
de los hornos rotativos, pertenecen a las compañías
productoras de cemento, siendo el proceso la transformación
por calcinación de arcilla, arena, carbonato de calcio, pizarra
en cemento. Estos hornos tienen una longitud de 210 metros y un diámetro
de 4 metros. Los residuos, líquidos o barros se alimentan conjuntamente
con el combustible a estos hornos y en virtud del largo tiempo de
residencia en los mismos y las altas temperaturas alcanzadas (1600°C
en el extremo caliente del horno) se logra la incineración
completa de los residuos.
Los materiales más comunes que se incineran en este tipo de
horno son: solventes de pinturas, solventes de uso en limpieza a seco,
barros, etc. A manera de ejemplo, se puede mencionar que de las 80
cementeras activas en EE.UU., 24 usan residuos peligrosos mezclados
con sus combustibles. Esto representa aproximadamente un millón
de toneladas de residuos incinerados anualmente. Se debe destacar
que estas instalaciones deben cumplimentar las normas de aplicación
a otros tipos de incineradores. En algunos estados americanos (Texas,
Montana, Pennsilvania) hay una fuerte restricción para el uso
de tales instalaciones, sea por la emisión de contaminantes
a la atmósfera o la posibilidad de efectos nocivos de sustancias
tóxicas que puedan quedar retenidas en el cemento. No existen,
sin embargo, pruebas de que tal contaminación ocurra.
COMBUSTION DE COMPUESTOS ORGANICOS VOLATILES
Este tipo de contaminantes es generado por un sinnúmero de
procesos que incluyen desde plantas de la industria química
de alta producción a pequeñas empresas como tintorería,
fábrica de muebles, etc. (3). De los diferentes métodos
de control (Absorción por líquidos, Adsorción
por sólidos, Lavado de gases, Filtrado, Condensación
(Refrigeración y compresión), Combustión Térmica,
Incineradores catalíticos, Membranas, Biodegradación)
describiremos la Incineración Térmica.
Es una alternativa que ofrece una interesante relación costo/beneficio
sobre todo cuando el poder calorífico de los COV es suficiente
para mantener la temperatura de operación de los incineradores
sin necesidad de recurrir a combustibles adicionales.
La temperatura de operación es el factor principal para una
operación eficiente del incinerador de COVs. Una unidad adecuadamente
diseñada opera alrededor de 900°C. Con una adecuada mezcla
gas-aire y suficiente tiempo de residencia se pueden lograr factores
DRE superiores al 99,99% para la mayoría de los residuos orgánicos.
En algunos casos se requieren temperaturas superiores, por ejemplo,
vapores de acetonitrilo requieren temperaturas de 970°C y para
el caso de benceno y metiletilcetonas alrededor de 1000°C (4).
Cuando la corriente de COVs no es suficiente para mantener temperaturas
de operación elevadas, se debe emplear un combustible auxiliar,
siendo los más adecuados metano o propano.
CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
A pesar de que los métodos de incineración térmica
tienen una eficiencia demostrada para cumplir los requerimientos de
destrucción de los POHCs en condiciones de seguridad aceptables,
continúa existiendo una gran presión de organizaciones
ambientalistas locales e internacionales para evitar la instalación
de tales sistemas. Por otro lado, no se deben desconocer las recomendaciones
del protocolo sobre cambios climáticos de la Conferencia de
Kyoto (Diciembre de 1995, (5)).
Referencias
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