trabajo colaborativo
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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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