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TECNOLOGÍA DE PLASMA PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS SÓLIDOS FERNANDO PONCE VALLEJO JORGE ALEXANDER ROJAS VARGAS JOHANN CAMILO MORENO ZAMUDIO MODULO MANEJO INTEGRADO DE RESIDUOS SÓLIDOS GRUPO I TRABAJO COLABORATIVO UNIVERSIDAD DE MANIZALES MAESTRÍA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE MANIZALES 2017

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TECNOLOGÍA DE PLASMA PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS

SÓLIDOS

FERNANDO PONCE VALLEJO

JORGE ALEXANDER ROJAS VARGAS

JOHANN CAMILO MORENO ZAMUDIO

MODULO MANEJO INTEGRADO DE RESIDUOS SÓLIDOS – GRUPO I

TRABAJO COLABORATIVO

UNIVERSIDAD DE MANIZALES

MAESTRÍA EN DESARROLLO SOSTENIBLE Y MEDIO AMBIENTE

MANIZALES

2017

INTRODUCCION

La gestión de los residuos se ha convertido en uno de los principales retos a los que debe

enfrentarse la sociedad actual debido a su impacto ambiental, social y económico. Dicha

producción de residuos ha existido siempre de manera natural en toda actividad humana,

pero en los últimos años ha creado una preocupación constante debido a factores diversos.

En primer lugar, el volumen de residuos producidos aumenta cada año debido a la

capacidad de consumo de cualquier sociedad moderna. Además, la naturaleza de estos

residuos ha cambiado sustancialmente en los últimos años, pasando de ser

mayoritariamente orgánicos a inorgánicos, presentando cantidades masivas de plásticos,

vidrios y metales.

De aquí la importancia de realizar una gestión adecuada para no provocar el deterioro

ambiental irreversible. La oportunidad de gestionar residuos de forma eficiente y de obtener

beneficios energéticos de los mismos forma parte del futuro más inmediato. Las tecnologías

que apoyan la valorización incluyen la incineración, la pirólisis, la digestión anaerobia, la

gasificación convencional y la gasificación por plasma. Cada una de ellas se encuentra en

un estado diferente de desarrollo, siendo la incineración la más utilizada en las naciones

industrializadas de hoy en día, sin embargo esta tecnología, sufre de un rechazo social

importante, además de tratarse de una solución con una serie de desventajas importantes.

Dentro de las tecnologías de valorización, una de las más prometedoras en todos los

sentidos (gestión de residuos y balance energético) es la gasificación por plasma, una

tecnología joven pero con buenos resultados. Las ventajas de esta tecnología se detallan

más adelante, pero se puede decir que es capaz de eliminar prácticamente todo tipo de

residuos y convertirlos en energía.

JUSTIFICACIÓN.

Este trabajo se elaboró con el propósito de presentar la tecnología de plasma como

herramienta para el tratamiento de los residuos sólidos generados por la sociedad, ya que

en la actualidad se trabajan diferentes técnicas para el manejo poco eficientes. Día tras día,

gracias al crecimiento demográfico y a los cambios en hábitos de consumo, estos residuos

se han incrementado de manera exponencial motivo por el cual debemos implementar

alternativas tecnológicas eficientes y amigables con el medio ambiente que contribuyan a

solucionar de manera inmediata dicha problemática.

OBJETIVO

Proponer una alternativa para resolver la problemática ambiental actual relacionada con el

tratamiento de residuos sólidos mediante una herramienta tecnológica amigable con el

medio ambiente y con potencial para la generación de energía.

HIPOTESIS

Si se implementa el tratamiento de gasificación con plasma en Colombia, se mejoraría el

manejo integral de residuos sólidos.

ESTADO DEL ARTE

El Plasma, también conocido como el cuarto estado de la materia se basa en un principio

físico donde a través del aporte de energía hay un cambio en el estado de la materia (sólido

a líquido y de líquido a gaseoso). Si a un gas se le aporta energía adicional, éste se ioniza

y se convierte en plasma.

Descubierto en 1928 por Irving Langmuir, no es un estado raro ya que en la Tierra lo

podemos apreciar por ejemplo en relámpagos o en las luces polares en el Ártico y la

Antártida (Aurora Boreal) Durante un eclipse del Sol, el plasma lo podemos observar en la

corona solar.

Figura 1. Estados de la materia. Fuente: plasmatreat, tecnología del plasma, s.f.

Como tratamiento para los residuos sólidos, el plasma se emplea en un proceso de

gasificación. La implementación de la tecnología de plasma trae consigo una serie de

beneficios ya que permite la destrucción de todo tipo de residuos incluidos los más difíciles,

como neumáticos, residuos peligrosos, sedimentos, plásticos, etc. Con temperaturas

superiores a los 5.000 grados, adicional permite la generación de energía que se podría

aprovechar. Al implementar esta tecnología se contaría con un sistema moderno, limpio,

eficiente y de la larga duración. Su desarrollo se encuentra en una fase inicial.

SOLIDO LIQUIDO GASEOSO PLASMA

Energía/Temperatura

Iones

Molécula

Fragmento de Molécula

(Energía alta)

Molécula (Excitada)

Electrones libres

El proceso típico de gasificación (ver figura 2) consiste en las siguientes etapas:

(a) Pretratamiento: se reducen el tamaño y la humedad de los desechos antes de

pasar a un reactor para su gasificación. La finalidad es mejorar la eficiencia en

el reactor.

(b) Gasificación/vitrificación con plasma: los residuos ingresan a un reactor para su

tratamiento con plasma con temperaturas entre los 5.000 y los 10.000ºC. De

esta etapa se obtienen gas sintético (syngas) y precipitados fundidos. El syngas

se encuentra compuesto por H2, CO2, CO, CH4 y otros volátiles.

(c) Limpieza del gas de salida: al gas sintético obtenido se le retira el material

particulado (como cenizas) por medio de ciclones o filtros.

(d) Recuperación de la escoria: Los precipitados fundidos (escoria) salen por la

parte inferior y se enfrían con agua templada para su posterior uso.

(e) Recuperación energética: el syngas caliente que sale del reactor se aprovecha

para producir vapor de agua, el cual ingresa a una turbina para generar energía

eléctrica. Por su parte, el syngas enfriado se puede utilizar como combustible.

(Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016)

Figura 2. Diagrama de flujo del proceso de gasificación con plasma. Fuente:

www.finanzascarbono.org. 2017

El corazón de la tecnología de gasificación con plasma consiste en un reactor donde se

queman los residuos. Este dispositivo se acopla a una serie de equipos que complementan

la labor de la planta, los cuales consisten en ciclones, quemadores, turbinas de vapor, filtros,

granuladores, etc., y la configuración del sistema dependerá de la finalidad de la planta

(sólo reducir los residuos o generar energía), del volumen de material a manejar, de los

límites permitidos en emisiones, entre otras variables.

Como primer paso, el reactor se alimenta con el combustible, en este caso con carbón

coque, el cual se depositará en el fondo y será quien controle el flujo descendente de los

residuos inorgánicos derretidos. Las antorchas del gasificador estarán en contacto con el

carbón e introducirán plasma y aire a 5500ºC aproximadamente (ver figura 3). Seguido a

esto, se adicionan los residuos que serán soportados por el carbón. El aire ingresará por

las toberas laterales y controlarán la temperatura del reactor. Mientras ocurren las

reacciones correspondientes descritas por Willis y Osada (Willis & Osada, 2010), los

precipitados fundidos saldrán por la parte inferior para su posterior. El material del cual está

hecho el reactor es un material refractario compuesto por óxidos de aluminio, de sílice y de

magnesio, el cual puede soportar las altas temperaturas de operación.

Figura 3. Esquema de las antorchas de plasma. Fuente: Willis & Osada, 2010.

Características diferenciales del proceso de gasificación por plasma:

a) Las altas temperaturas permiten una disociación definitiva e irreversible de las

estructuras moleculares en sus compuestos básicos.

b) Conservación máxima de la energía contenida en los residuos

c) El balance energético resultante es positivo.

d) Ausencia de subproductos potencialmente tóxicos o dañinos.

El primer país en emplear esta tecnología a escala comercial fue Japón, con su planta Eco-

Valley en Utashinai en abril de 2003, luego haber alcanzado el éxito con una planta piloto

en el año 2002 procesando 17,2 ton/día de residuos de la localidad Mihama-Mikata. La

planta en Utashinai procesa 300 ton/día de residuos sólidos municipales o cerca de 165

ton/día de una mezcla 50/50 de residuos sólidos y de autos triturados (Willis & Osada,

2010). En la tabla 1 se presentan algunas de las plantas de tratamiento existentes en el

mundo.

Tabla 1. Algunas Plantas de tratamiento con plasma en el mundo.

Locación Alimentación Capacidad

(ton/d) Fecha de encargo

Norteamérica

Madison, Pennsylvania Construcción 18 2009

Alpoca, W. Virginia Municiones 10 2003

Hawthome, Nevada Pertrechos 10 2006

Honolulu, Hawaii Residuos médicos 1 2001

U.S. Army RSM/RP/RSI 10,5 2011

Québec, Canadá Refrigerantes 1,2 2013

Europa

Bordeaux, Francia Cenizas de RSM 10 1998

Kedzierzyn-kozel, Polonia RSI 10 2010

Morcenx, Francia Asbestos 30 2001

Bergen, Noruega Residuos de curtido 15 2001

Asia

Utashinai, Japón RSM/Autos triturados 300 2002

Mihama-Mikata, Japón RSM/Lodos de aguas residuales 25 2002

Shimonoseki, Japón Cenizas de RSM 42 2002

Kakogawa, Japón Cenizas de RSM 30 2003

Iizuka, Japón RSI 10 2004

Nagpur, India RP 68 2010

Pune, India RP 68 2009

Yongin, Korea Cenizas de RSM 14 1997

Dongguan, China Cenizas del incinerador de RSM 30 2016

Notas: RSM residuos sólidos municipales, RP residuos peligrosos, RSI residuos sólidos industriales

Fuente adaptada de Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016.

METODOLOGÍA.

La problemática de manejo de los RSU en el caso de estudio de una ciudad colombiana

con una población promedio de 275.250 habitantes como el caso de Popayán, Rioacha,

Itaguí, entre otras, que generan en total 316.5 toneladas por día con una generación de

1.15 Kg/hab-día de residuos sólidos promedio. Tomando como referencia la clasificación

de los RSU en Colombia, se presentan los datos de caracterización de los RSU en la tabla

2.

Tabla 2. Caracterización de los RSU generados en Colombia. Fuente adaptada de Nastar,

D. s.f.

COMPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS

SÓLIDOS

Orgánicos 65 %

Papel y cartón 5 %

Plástico 14 %

Vidrio 4 %

Caucho 1 %

Metal 1 %

Textiles 3 %

Otros 5 %

Peligrosos 2 %

TOTAL 100 %

La presente propuesta de manejo se plantea teniendo presente que en las ciudades existen

PGIRS donde su gestión debe iniciar desde la concientización de la población con políticas

de reducción de residuos hasta implementación estrategias de separación eficiente de

residuos en la fuente.

Con base en esto, se realizará la recolección selectiva de residuos estableciendo rutas para

los residuos orgánicos y diferentes a reciclables los días lunes, miércoles y sábado, y para

los residuos reciclables los días martes y viernes. Esto permitirá que los usuarios presenten

sus residuos según corresponda y en caso de no realizarse en los términos establecidos se

aplicaran las sanciones o comparendos ambientales apoyados en la legislación colombiana

y fijados en el PGIRS municipal.

Los vehículos destinados para el transporte de residuos se identificarán de acuerdo al tipo

de residuos específico a transportar, para lo cual la fracción orgánica y diferentes a

reciclables correspondiente al 74% según la caracterización realizada equivalente a 231,1

ton/día serán transportadas a la planta de transformación de residuos para producción de

abono orgánico, localizada en el actual relleno sanitario municipal, donde se realizará

clasificación previa a la preparación de las pilas de compostaje y lombricompostaje.

Para la fracción de residuos reciclables entre los cuales están el papel, cartón, plástico,

vidrio y metal, correspondientes al 24% equivalente a 76 toneladas día se transportarán a

la planta de recuperación de residuos con el fin de realizar su clasificación y posterior

aprovechamiento, en esta actividad el municipio vinculara las cooperativas de trabajo

asociado quienes realizarán la clasificación y recibirán un porcentaje de las utilidades de la

venta de estos residuos.

Finalmente, la fracción no aprovechable de residuos descartada en la planta de

transformación, incluyendo los peligrosos que serán recolectados y transportados en

vehículos y rutas especiales, para un total aproximado de 35 ton/día, serán tratados en la

planta de gasificación de residuos con la tecnología del plasma con capacidad para tratar

50 toneladas de residuos por día.

Figura 4. Tratamiento de residuos. Fuente: Teoría del saber.

Figura 5. Planta para eliminación de residuos con tecnología de plasma. Fuente: Maikelnai´s Blog,

2017

Esto permitirá su eliminación cumpliendo con los requisitos establecidos en la legislación

colombiana para emisiones y el aumento en la vida útil del relleno sanitario el cual será

utilizado en ocasiones en las que la generación de residuos supere la capacidad instalada

de la planta de transformación de residuos orgánicos.

Con los gases resultantes del proceso se pretende generar energía con la instalación de

una turbina de vapor de agua para su autosostenimiento, y el excedente será incorporado

al sistema eléctrico municipal.

Figura 6. Descarga de residuos del gasificador con plasma Fuente: www.finanzascarbono.org.

2017

El segundo subproducto resultante de la eliminación de los residuos es un sólido inerte (Ver

figura 6) completamente vitrificado que puede ser empleado en la construcción, para la

obtención de mobiliario urbano, como elemento decorativo, etc.

Figura 7. Valorización energética de los residuos Fuente: www.finanzascarbono.org. 2017

RESULTADOS ESPERADOS

Basados en la experiencia de la aplicación de esta tecnología, y en los estudios técnicos y

económicos sobre su operación, se identifican los siguientes beneficios:

a. Bajas emisiones al ambiente: con el proceso se evidencia una reducción en la

emisión de material particulado y compuestos tóxicos, como las dioxinas, al

ambiente (Willis & Osada, 2010) (Couto, Silva, & Rouboa, 2016). En la tabla 3

se puede observar la comparación de las emisiones típicas en una planta de

tratamiento con plasma y los límites en la legislación colombiana. Las emisiones

de gases son menores a los límites permitidos. Por su parte Li et al. afirman que

la composición de los precipitados permite clasificarlo como un material inerte,

con lo cual se podría usar sin ningún problema para relleno u otras aplicaciones

(Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016).

Hay un mínimo impacto ambiental debido a la ausencia de dioxinas, furanos,

cenizas y escorias, hecho que se consigue gracias a la disociación molecular

completa.

Tabla 3. Características de los niveles de contaminantes del aire emitidos por

una planta con plasma, comparado con los estándares de Colombia.

Parámetros Estándar en Colombia (Resolución 0909 de

2008)

Nivel de emisiones Residuos

Peligrosos a

Nivel de emisiones Residuos Sólidos

Municipalesa

Material particulado 50 40,4 < 10

Dióxido de azufre 500 ND -

Óxidos de nitrógeno 500 80,533 83

Compuestos de flúor inorgánico

8 0,26 -

Compuestos de cloro inorgánico

40 1,05 7

Dioxinas y furanos 0,5 ND < 0,01

Plomo 1 ND < 1

Cadmio y sus compuestos 1 ND < 0,05

Cobre y sus compuestos 8 ND -

Hidrocarburos totales 50 ND 29

Notas: ND significa No detectable

a Tomado de (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016)

b. Degradación de todo tipo de residuos, incluyendo químicos, médicos (Li, Liu,

Yan, Li, & Han, 2016) y radioactivos (Sanlisoy & Carpinlioglu, 2017): Con

temperaturas que van desde los 5.000 hasta los 10.000 grados Celsius, y poca

presencia de oxígeno, el tratamiento destruye cualquier enlace químico,

desintegrando hasta los desechos más peligrosos y reduciéndolos en

precipitados inorgánicos y gas combustible. Con la desintegración se reduce el

volumen de residuos sólidos, por lo cual disminuye el volumen de los rellenos

(Willis & Osada, 2010) (Gomez, y otros, 2009). También se podría reducir el

volumen de los residuos ya almacenados (Air Products and Chemicals, Inc.,

2016) (Gomez, y otros, 2009) (Sanlisoy & Carpinlioglu, 2017).

La reducción volumétrica de residuos es de 300 a 1, mientras que la incineración

convencional trabaja en radios de 5 a 1, debido a las grandes cantidades de

cenizas producidas.

c. La huella de carbono se puede disminuir hasta la mitad de la actual, ya que el

almacenamiento de los residuos genera emisiones constantes en su proceso de

descomposición (hasta 6,4 millones de toneladas de CO2 anuales), mientras que

con el uso de la tecnología plasma las emisiones se reducen a 52 gr/kWh que

se consideran emisiones mínimas frente al proceso actual ya que las turbinas

usadas generan entre los 0,7 y 10 MWh.

d. Aprovechamiento de productos: Los productos obtenidos con el proceso se

pueden aprovechar de varias formas. En la búsqueda de nuevas fuentes de

energía, el syngas puede ser usado como combustible o como fuente de calor

para generar energía eléctrica (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016) (Willis & Osada,

2010). Su combustión produce bajas emisiones (Sanlisoy & Carpinlioglu, 2017),

con lo cual no se impacta al medio ambiente. El gas sintético también se puede

aprovechar en la industria química para la producción de amoníaco, hidrógeno

o hidrocarburos líquidos como acetileno, metano, etileno (Li, Liu, Yan, Li, & Han,

2016). Por otro lado, los precipitados vitrocerámicos se pueden usar como

rellenos para carreteras, productos abrasivos o para la fabricación de

aislamiento térmico conocido como lana mineral.

e. Altas conversiones en el proceso: El tratamiento con plasma presenta altos

niveles de conversión. Se han reportado hasta del 99% de conversión de los

sólidos orgánicos en syngas (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016) (Sanlisoy &

Carpinlioglu, 2017). Por su parte, todos los inorgánicos se transforman en

escoria (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016). Residuos especiales como las llantas,

han sido sometidos al tratamiento. El estudio realizado por Huang y Tang reporta

conversiones de hasta el 78% en syngas para este residuo de los automóviles

(Huang & Tang, 2009).

Para el caso de estudio y tomando como referencia los datos del fabricante

Westinghouse Plasma Corporation (Willis & Osada, 2010), de las 35 ton/día de

residuos a tratar se obtendrán 28 ton/día de syngas, 3.8 ton/día ceniza y 3.2

ton/día de material vitrocerámico.

f. A nivel energético es un proceso altamente eficiente, con una producción neta

de energía de 1400/2400 kWh/ton, entre 1.5 y 2.5 veces superior a las

incineradoras de última generación.

g. Altas capacidades de tratamiento: el proceso con plasma ha demostrado ser

exitoso en aplicaciones que manejan un flujo de residuos entre 1 y 100 ton/día

(Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016). Así mismo, se han alcanzado procesos a nivel

comercial en Japón con capacidad para 300 ton/día, y en Inglaterra con una

planta que maneja 950 ton/día.

h. Viabilidad económica: Aunque los costos de montaje y operación son altos

comparados con otras tecnologías (Yang, Wang, Wang, Wang, & Wang, 2011),

el tratamiento con plasma puede ser económicamente viable si se comercializan

efectivamente los productos y subproductos (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016). Li et

al., aseguran que se podrían alcanzar beneficios 3 veces mayores a los

obtenidos con la incineración de los residuos. Sumado a esto, una de las

mayores preocupaciones en este tipo de procesos son los gastos asociados con

la energía eléctrica consumida por las antorchas, los cuales se podrían asumir

con la generación del sistema de turbina-generador.

i. El requerimiento de área para una planta de plasma es menor que el de otras

tecnologías de tratamiento térmico como la incineración (Yang, Wang, Wang,

Wang, & Wang, 2011).

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La creciente generación de residuos sólidos en nuestro país puede convertirse en

una fuente de recursos para la generación de energía para lo cual se requiere de un

sistema integral para su tratamiento que no altere las condiciones ambientales. Los

elementos dispuestos en los rellenos sanitarios cuentan con un alto poder

contaminante. La Tecnología del Plasma contribuye de manera significativa en el

tratamiento de los residuos sólidos. Estas operan a temperaturas entre 5.000 y

10.000°C desintegrando la materia, llevándola al cuarto estado, produciendo

energía y generando subproductos para el mercado actual. Es un sistema

demostrado en varios países y valorado por los subproductos que origina

Aunque se afirma que el tratamiento con plasma puede tratar cualquier clase de

residuos sólidos, es fundamental definir la finalidad del tratamiento. Si se busca

rentabilidad con el aprovechamiento del syngas o de los precipitados, los residuos

usados deben ser seleccionados correctamente y hacerles un pretratamiento

particular (Li, Liu, Yan, Li, & Han, 2016).

El tratamiento con plasma sería un aporte innovador en el país, dado que no se han

dado las oportunidades para su implementación. En Colombia su estudio ha sido

incipiente, y las investigaciones se han enfocado en la gasificación mediante otros

métodos.

Se podría abrir la puerta a esta práctica con plantas a nivel piloto que procesen bajas

cantidades de residuos, siguiendo el modelo de Japón o de China para evaluar la

viabilidad económica y operacional real del proceso, según las implicaciones

técnicas y políticas de Colombia.

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