xavier elías la incineraciÓn de residuos y su adecuaciÓn...

Xavier Elías

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3ª PARTE: LOS RESIDUOS COMO COMBUSTIBLES. NOCIONES

SOBRE LA COMBUSTIÓN.

LA INCINERACIÓN DE RESIDUOS Y SU

ADECUACIÓN A LA RESOLUCIÓN 0058.

Por

Xavier Elias Director de la Bolsa de Subproductos de

Cataluña.

Bogotá. Agosto de 2003

INCINERACIÓN DE RESIDUOS. Capitulo 3

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Tema 3. LOS RESIDUOS COMO COMBUSTIBLES. NOCIONES

SOBRE LA COMBUSTIÓN. Índice:

SISTEMAS DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA ................................................................................................3

FENÓMENOS Y PROCESOS QUE TIENEN LUGAR EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA .................. 4 LOS RESIDUOS COMO COMBUSTIBLES ...................................................................................................... 5 EL PODER CALORIFICO . ANALISIS INMEDIATO ...................................................................................... 6 PROCEDENCIA DE LOS CONTAMINANTES................................................................................................. 7 BINOMIO INCINERACIÓN-VERTIDO............................................................................................................. 8

NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN............................................................................................................9

LAS REACCIONES DE COMBUSTIÓN........................................................................................................... 10 AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO................................................................................................................. 11 INYECCIÓN DE AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO EN UN HORNO ....................................................... 12

ANÁLISIS DE GASES .........................................................................................................................................13

EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN .................................................................................................................. 14 LOS DIAGRAMAS DE COMBUSTIÓN .......................................................................................................... 15 LA TEMPERATURA DE LLAMA................................................................................................................... 16 LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN..................................................................................................................... 16

FACTORES RELATIVOS AL RESIDUO Y AL SISTEMA............................................................................17

FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL COMBUSTIBLE................................................................... 18 EL MENU Y LA ALIMENTACIÓN AL HORNO ............................................................................................ 18 TAMAÑO DE ALIMENTACIÓN DEL COMBUSTIBLE................................................................................ 19

FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR ..................................................................20

NOCIÓN DE TURBULENCIA.......................................................................................................................... 21 TRANSMISIÓN DEL POR CONVECCIÓN..................................................................................................... 21 CONVECCIÓN Y ESTRATIFICACIÓN DE TEMPERATURAS.................................................................... 22 LA RADIACIÓN TÉRMICA ............................................................................................................................. 23

FACTORES RELATIVOS A LA POSICIÓN DEL RESIDUO .......................................................................24

LOS QUEMADORES DE ALTA VELOCIDAD............................................................................................... 24 LA ISOTERMIA EN LOS HORNOS ................................................................................................................ 25

BALANCE SIMPLIFICADO DE UNA INCINERACIÓN...............................................................................26

LA CONVERSIÓN ENERGÉTICA EN LA INCINERACIÓN .......................................................................... 27

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SISTEMAS DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA Como se verá a lo largo de estos capítulos existen muchos sistemas de

conversión energética que son usados en la valorización de residuos. El objetivo de todos ellos estriba en romper las largas cadenas que, en el caso

de los combustibles residuales, suelen coincidir con las materias contaminantes con el fin de eliminar la toxicidad y recuperar el calor contenido. Desde el punto de vista de las operaciones fundamentales de la física, estos procesos se pueden reducir de manera esquemática a cuatro, en función del agente responsable de la rotura del enlace:

En la mas conocida de ellas, la oxidación a alta temperatura, el calor generado por la reacción excita los átomos hasta que estos se combinan con el oxígeno. Las hay de media temperatura, baja temperatura, parcial (como la gasificación), catalítica, etc.

La pirólisis podría considerarse un caso particular de la anterior, puesto que el mecanismo responsable de la rotura de enlaces es el calor, pero no hay presencia de oxígeno y ello supone que sea preciso la aportación de energía externa para desarrollar el proceso.

En la hidrólisis el agente responsable es el agua. Con la ayuda del calor, el pH o la energía cinética existe una recombinación de substancias.

En la radiólisis, como la fotólisis, la energía procedente de la radiación es la responsable de la rotura de los enlaces.

COMBUSTIÓN

GASIFICACIÓN

PIRÓLISIS

FERMENTACIÓN

DIGESTIÓN ANAEROBIA

Caldera/ Turbina de vapor

Gasificador Motor-Turbina

Digestor

Calor

Vapor Electricidad

Gas de síntesis Electricidad Vapor

Gas de síntesis Alquitranes Aceites Carbón

Etanol

Gas de síntesis

Gas de media potencia

CO2

CH4/CO2

Gas de media potencia


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FENÓMENOS Y PROCESOS QUE TIENEN LUGAR EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

El gráfico siguiente se centra en los productos de la combustión propiamente

dicha, aquellos que proceden de la oxidación de los materiales que contienen C, H, S, en función de la temperatura. La primera etapa de temperatura corresponde a la eliminación del agua y al comienzo de la fase de volatilización. Es a partir de este momento donde arrancan, con propiedad, las reacciones de combustión.

Las flechas indican el rango de temperaturas mínima y máxima en las que suele iniciarse y concluirse el proceso. La zona fundamental, que abarca de los 300 a los 1.000 ºC corresponde a la oxidación de la materia orgánica con la consiguiente formación de SOx y CO2. A mayor temperatura, y en función de la naturaleza reductora del medio toman fuerza las reacciones de gasificación, el equilibrio se desplaza y se forman CO y SOx.

A medida que prosigue la temperatura se inicia la formación de NOx de origen térmico, esto es a partir del nitrógeno del aire.

Cuanto mayor sea la temperatura tanto mayor será la fase vítrea de la escoria formada y mas peligro existirá de volatilización de metales.

DESTILACIÓN VOLÁTILES Y AGUA

200 400 600 800 1000 1200

OXIDACIÓN DE SULFUROS

DESCOMPOSICIÓN MATERIA ORGÁNICA

FORMACIÓN SOx

DESCOMPOSICIÓN CARBONATOS SINTERIZACIONES

FORMACIÓN NOx

FUSIÓN ESCORIA. FORMACIÓN CLINKER

VOLATILIZACIÓN METALES

°C

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LOS RESIDUOS COMO COMBUSTIBLES Para la valorización energética de los residuos, el primer factor que debe analizarse es su potencial energético. Este factor se mide por el valor del poder calorífico inferior (PCI). Así la figura presenta el potencial energético de un conjunto de residuos. La ordenación se ha hecho de acuerdo con los siguientes criterios: - 1º grupo: Residuos de plásticos, sólidos de alto PCI. - 2º grupo: Residuos industriales líquidos de alto PCI. - 3º grupo: Residuos industriales sólidos de PCI medio. - 4º grupo: Residuos orgánicos de PCI medio. - 5º grupo: Residuos orgánicos de PCI bajo. La clasificación integra la mayor parte de los residuos usados para la valorización energética y su ordenación obedece a las tecnologías de valorización a que deberían someterse.

0 2 4 6 8 10 12

RSU (40% combustible)

Cáscara de arroz

Carcasas de animales

Cascos de semilla de algodón

Mazorcas de maíz

Cortezas de cítricos

Trapos de algodón

Residuos Sanitarios

Zapatos de cuero

Grasas animales

Papel de periódico

Fangos EDAR (m.o)

Serrín (pino)

Madera dura

Látex

Neumáticos usados

Harinas cárnicas

Lignito

Coque de petróleo

Acetatos

Residuos alquitranados

Asf altos

Grasas lubricantes

Aceites usados

Fuel-oil

PVC

Polipropileno

Polietileno

Poliestireno

Poliéster

Espuma de poliuretano

Res

iduo

s


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EL PODER CALORIFICO . ANALISIS INMEDIATO

El análisis inmediato determina parámetros que afectan tanto a la combustión como a la pirólisis como:

• la humedad (calentamiento hasta 105 ºC). • el contenido en volátiles (calentamiento durante 7 minutos a 950 ºC). • el residuo que permanece a esta temperatura constituyen las cenizas. • el carbono fijo. Se designa como carbono fijo la fracción residual de carbono,

descontadas las cenizas, pirolizado para obtener las materias volátiles. Se determina por diferencia según:

•

Carbono fijo = 100- Humedad - Materias volátiles - Cenizas

Fórmula basada en el porcentaje de volátiles, como la que determina la cantidad de volátiles a partir del análisis elemental:

% M.V. = 10,61 (%H) - 1,24 (%C) + 84,15

Las tablas siguientes muestran el PCI, expresión industrial de la potencia

calorífica útil de los combustibles.

Residuo Paja Madera Fango EDAR Plástico Carbón

Cenizas (%) 4 1,5 12

C (%) 42 50 27,1 82 59

H (%) 5 6 4,6 14 3,5

O (%) 37 43 7,3

Cl (%) 0,6 0.02 0,08

N (%) 0,4 0,3 3,0 1,0

S (%) 0,15 0.05 2,2 0,8

PCI (Kcal/kg) 4.180 4.450 2.480 9.800 7.360

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PROCEDENCIA DE LOS CONTAMINANTES Esta primera tabla muestra la procedencia de los contaminantes

aportados por los combustibles fósiles.

La tabla muestra que las cantidades de lluvia ácida son debidas a los

dos primeros combustibles y, con diferencia el gas natural es el combustible menos contaminante. Si bien también aporta contaminación, sobre todo pensando en que solo aporta una parte limitada de energía.

La tabla muestra la contribución de los combustibles al deterioro ambiental.

Consumo % % CO2 % SO2 % NOx % HnCmCarbón 30,7 43,1 17,5 48,2 24,9Petróleo 43,4 39,4 82,5 37,1 62,5Gas Natural 25,9 17,5 - 14,7 12,5TOTAL 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

Natural Antropogénico CombustiblesSO2 46% 54% 54%NOx 68% 32% 32%CO2 97% 3% 2%HnCm Total 91% 9% 5%CH4 30% 70% 19%CFC - 100% 0%


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BINOMIO INCINERACIÓN-VERTIDO Cuando los residuos sólidos urbanos (RSU) se incineran, la mayor parte de ellos pasa a la atmósfera generando CO2, el principal gas causante del efecto invernadero. No obstante si el destino de los RSU es el vertido la materia sufre una serie de transformaciones anaerobias y se produce el llamado gas de vertedero formado, esencialmente, por metano y CO2 . La figura muestra que una unidad de RSU estándar el mayor efecto invernadero se crea cuando el residuo es vertido. Si además se valoran otros aspectos medioambientales como los olores, el impacto visual y sanitario de un vertedero, la ocupación de espacio, la degradación del lugar, el no aprovechamiento de los recursos presentes en los RSU, etc. se entiende el porque del auge actual de las incineradoras y, al mismo tiempo las severas directivas europeas sobre las limitaciones, o prohibiciones en el vertido de las fracciones orgánicas fermentables. Sólo en España, se calcula que los más de 8.000 vertederos de RSU son los responsables del 28% de gases de efecto invernadero.

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Vertedero

Incineración

Tri+Compost+Vertedero

Tri+Compost+Inci+Verte

Tri+Biogasseco+Compost+ Verte

Tri+Bioga hume+Compost+Inci+Verte

t CO2 eq/ t RSU

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NOCIONES SOBRE LA COMBUSTIÓN La combustión se define como una oxidación rápida de la materia combustible con desprendimiento de calor. Así pues se precisa, en primera instancia, que el residuo a oxidar tenga, al menos, uno de los tres únicos elementos susceptibles de combinarse con el oxígeno con liberación de calor: C (carbono), H (hidrogeno) y S (azufre). Los combustibles sólidos y líquidos deben pasar por una fase previa de gasificación para que se desprendan los volátiles. Las reacciones de combustión siempre tienen lugar en fase gaseosa (reacciones homogéneas). Existen reacciones heterogéneas (sólido-gas) que tienen una cinética mas complicada y, desde el punto de vista ambiental, son mucho más conflictivas. Otro factor indispensable es la mezcla íntima y adecuada del combustible (se entiende los volátiles) y el comburente, que suele ser aire. Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta se debe producir la ignición. A partir de este momento el calor generado permite mantener un nivel de temperatura que asegura la continuidad de la reacción. Las reacciones de combustión pueden llevarse a cabo con el aire justo: reacción estequiométrica. Con exceso de aire, en este caso hay oxígeno en los gases producto de la combustión. O con defecto de aire, ahora en los gases de combustión se detecta la presencia de inquemados.


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LAS REACCIONES DE COMBUSTIÓN Es común pensar que la combustión de un combustible gaseoso, como el gas natural, no acarrea ningún tipo de complicación ambiental. Las ecuaciones siguientes son las posibles combinaciones del metano, principal componente del gas natural, con el oxigeno del aire. Las reacciones de combustión pueden ser: Completas: sin inquemados: CH4 + 3O2 → 2 H2O + CO2 + O2 + CALOR Estequiométricas: Con oxigeno justo: CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CALOR Incompletas: con inquemados: 2CH4 + 2O2 → H2O + CO + CO2 + 3H2 + CALOR Con exceso de O2 e inquemados En la incineración, en particular en el horno, se suelen dar todas ellas a la vez, por ello es fundamental analizar los diversos factores que concurren en el horno desde diferentes puntos de vista. En el caso concreto del CO es significativa la influencia de la temperatura sobre el equilibrio de la reacción.

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AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO

El aire primario es el que se introduce en la parrilla. La composición de los gases, depende de la profundidad de la parrilla. Si el

grueso del lecho, (un espesor correcto es de 10-15 cm,) es importante se forma mas CO. Pero el intentar inyectar mas aire se llega al equilibrio:

CO + 1/2 O2 ↔ CO2 Y se volverá a formar CO a expensas del CO2.. O sea la inyección de aire

primario tiene su límite y el CO estará de acuerdo con la ecuación anterior.

Admitido que el la cámara de combustión existirá siempre gran presencia de

CO, de hecho la velocidad de formación del CO es máxima en el punto de mayor concentración de CO2 , de acuerdo con el equilibrio:

CO2 + C ↔ 2 CO

Así pues la combustión debe completarse por encima del lecho por la adición

de aire secundario, en la llamada cámara de oxidación. El aire secundario también se emplea para oxidar el H2 y CO productos de la descomposición del vapor de agua con el carbono.


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INYECCIÓN DE AIRE PRIMARIO Y SECUNDARIO EN UN HORNO

La cantidad y calidad de inyección de los diversos tipos de aire son fundamentales para el funcionamiento del horno.

La foto muestra el esquema de la zona de la parrilla de un horno para la incineración de RSU.

En la parte inferior se aprecia la entrada de aire primario a través de la parrilla (de cilindros en este caso) y en la parte superior la entrada de aire secundario que, además sirve para constreñir la llama.

Aire Aire

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ANÁLISIS DE GASES La calidad y cantidad de los gases producto de la combustión recibe el nombre

de análisis de gases. El análisis de gases producto de la combustión es una práctica habitual, en

particular en el caso de la incineración. En la mayor parte de los casos se realiza para controlar los parámetros de combustión. Así se controlan el monóxido de carbono y el oxígeno. Sin embargo, en la incineración el análisis de gases esta concebido para la determinación de los contaminantes, tales como la presencia de inquemados CO o

contaminantes puros: SOx. El ejemplo siguiente muestra la rutina para la determinación de los

contaminantes habituales en una combustión.

A NA L IS IS D E G A S E S D E C O M B US T IO N

K g/h P M mole s litros % V olumenC O 2 961 44 21.849 489.419 13,0%S O 2 3 64 41 912 0,0%N O 2 17 46 360 8.058 0,2%C lH 1 36 22 482 0,0%H 2O 418 18 23.229 520.328 13,9%H 2O humedad 346 18 19.249 431.176 11,5%N itrogeno en ga s e s 2.882 28 102.930 2.305.641 61,4%O xigeno en ga s e s - 32 - - 0,0%G as e s re a le s 4.628 3.756.016 100,0%

C A L C UL O D E L VO LUM E N D E G AS E S

M as a de ga s e s 4.628 kg/hT empe ra tura de traba jo 950 ºCD ens idad 0,29 kg/m3V olumen de ga s e s 16.034 m3/h 4,454 m3/s

D E T E R M INA C IO N D E C O NT AM INA NT E S

T empe ra tura de re fe re n 20 ºCD ens idad 1,2047 kg/m3V olumen de ga s e s 3.841 N m3/h 1,067 N m3/s

C ontam inante kg/h mg/N m3 % V ol ppm (V ol)M as a de S O 2 2,6 679 0,02% 243M as a de N O 2 16,5 4.308 0,21% 2145M as a de C lH 0,8 202 0,01% 128


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EFICACIA DE LA COMBUSTIÓN En los procesos industriales es difícil conseguir una combustión completa, o sin la presencia de inquemados. Durante el proceso de combustión se presentan oscilaciones de la temperatura que es preciso corregir de manera constante. Esta corrección suele llevarse a cabo por medio de la cantidad de aire. Cuando la masa de comburente varía la hidrodinámica de la mezcla se altera y las probabilidades de que aparezcan inquemados, aunque sea de forma instantánea, es muy grande. De hecho esta contingencia ya la prevé el diagrama de combustión, donde la posibilidad de tener inquemados es muy elevada.

El primer inquemado, y más común, que aparece es el monóxido de carbono (CO). Se trata de un gas venenoso, cuya ecuación de formación: CH4 + 2O2 → 2 H2O + CO2 + CO (trazas) indica, suponiendo que la mezcla sea correcta, que:

- Cuanto más carbono este presente en el combustible, mayor potencial de formación de CO.

- La producción de CO disminuye con el incremento del exceso de aire. - La producción de CO aumenta con el incremento de la temperatura.

Se define la eficacia de la combustión (CE) como el resultado de: CO2 CE = 100 x --------------- CO2 + CO Si bien desde el punto de vista técnico una CE = 99%, es un buen resultado, transponiendo este valor a la ecuación anterior resulta CO = 0,08081 %, o sea 808 ppm de CO, valor inaceptable desde la óptica medioambiental. La gráfica indica la evolución del CO en función de la CE.

99,75 99,8

99,85 99,9

99,95 100

9 10 11 12 13 14 15 % CO2 en los Gases de Escape por Unidad de Volumen

Efic

ienc

ia c

ombu

stió

n 50 ppm CO 100 ppm CO 150 ppm CO 200 ppm CO

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LOS DIAGRAMAS DE COMBUSTIÓN A partir de cada combustible se construye el diagrama de combustión que representa todas las posibilidades de combustión del citado combustible. Como muestra la figura el diagrama reproduce la combustión de un RSU. El eje de ordenadas (parte derecha) indica la cantidad de CO2. Así en el caso de combustión estequiométrica (punto E) la cantidad de CO2 es la máxima, no existe oxigeno libre y la temperatura alcanzada es también la máxima. En el otro extremo el punto A supone una combustión con dilución de aire infinita (es aire ambiente). La recta AE que une ambos puntos define las combustiones completas con exceso de aire. Toda combustión por debajo de la recta AE tiene inquemados cuyo valor puede leerse en el eje de ordenadas (parte izquierda). La línea EF representa la sucesión de combustiones incompletas con aire estequiométrico. Esta línea divide el diagrama en dos grandes áreas: las combustiones que se realizan con exceso de aire y las gasificaciones, o aquellas combustiones que se realizan con defecto de aire.

0

2

4

6

8

10

12

14% 16

18

20

0 5 10 15 20

F

1.

1.

1.

2

0.

5

10.

A

E

1.

1.

00.

0.20.

0.7

1

1.

2.

4

9

CO/CO2

OXIDACIÓN EXCESO AIRE

B

GASIFICACIÓN

C

D

B

% C02

O2

A

E


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LA TEMPERATURA DE LLAMA La figura da una idea de la temperatura generada cuando se incinera un

residuo, de acuerdo con el PCS. Se debería partir de una temperatura de garantía de 1.200ºC, lo que en función

del PCS, da una idea del exceso de aire, o bien del quemador auxiliar que se necesita.

LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN La temperatura aumenta siempre la velocidad de reacción. Para que una

reacción tenga lugar es preciso que, además que los átomos se encuentren, los enlaces estén debilitados.

El exceso de energía que deben tener las moléculas para reaccionar se llama

Energía de Activación. Las moléculas pasan a un estado activado donde se produce la reacción.

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FACTORES RELATIVOS AL RESIDUO Y AL SISTEMA

Es preciso conocer la caracterización de los residuos. Durante la combustión se forman otros compuestos PCI (Productos de la

Combustión Incompleta).

Como muestra la tabla, PCI hallados en gases de incineradoras, la etapa de combustión no es suficiente. De ahí la complejidad de las reacciones de combustión.

C o m p u e s t o v o lá t i l C o m p u e s t o s e m iv o lá t i lB e n c e n o F e n i lT o lu e n o N a f ta le n oC lo ro b e n c e n o B u t i l b e n c i l f ta la toC lo ru r o d e m e t i l e n o D ie t i l f t a la toT e t r a c lo r u ro d e c a r b o n o B is ( 2 - e t i l e x i l ) f ta la toC lo ro fo r m oT e t r a c lo r o e ti l e n o1 , 1 1 -T r i c lo ro e ta n o

Air

Residu

Gase

Escori


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FACTORES RELATIVOS AL TAMAÑO DEL COMBUSTIBLE

Es preciso que el combustible presente un elevado estado de subdivisión para que la superficie específica sea la mayor posible. La figura de la izquierda quiere simbolizar el aumento de superficie especifica que experimenta un combustible cuando se divide n veces.

EL MENU Y LA ALIMENTACIÓN AL HORNO Un horno es una instalación que se ha diseñado para trabajar con una carga térmica (Kcal/h) sensiblemente constante. Para que ello sea así se deben cumplir dos condiciones: • El PCI (Poder calorífico inferior) del residuo alimentado al horno ha de ser

constante. Para ello es indispensable conocer la caracterización de residuo. Cuando se prevé que ello no podrá ser es preciso establecer un “menú”. Ello consiste en diseñar una mezcla de diversos residuos de forma que la combinación de ellos garantice un PCI regular.

• Alimentación constante al horno. No es suficiente que se cumpla la condición anterior. La figura de la derecha simboliza como puede variar la carga térmica del horno (Kcal/h) si en períodos de tiempo regulares se alimenta el horno con cargas de PCI diferentes, o bien con residuos de PCI constante se alimenta el horno de forma intermitente.

R

10 20 40 30 60 50

Kcal/h

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TAMAÑO DE ALIMENTACIÓN DEL COMBUSTIBLE Es preciso que el combustible presente un elevado estado de subdivisión para que la superficie específica sea la mayor posible. Hay que tener presente que todas las reacciones de combustión tienen lugar en fase gaseosa. Así en el caso de los combustibles sólidos y líquidos es preciso una previa vaporización, destilación y gasificación para que los volátiles generados se combinen con el oxígeno del aire.

En el caso de los combustibles líquidos esta subdivisión se denomina atomización y la misión de los quemadores (o inyectores) consiste en lograr muchas gotas y de pequeño tamaño (pulverización) para que la superficie expuesta a la radiación sea máxima. El gráfico reproduce el tiempo preciso para la combustión en función del diámetro de la gota. Según Williams, el tiempo t(seg) de combustión de una gota de hidrocarburo de diámetro d(cm) y peso molecular (M), a una temperatura T (ºK) en una atmósfera con oxigeno a una presión parcial de oxigeno p (bars), es: 29.800 · M · d2

t = ------------------------ p · T1,75 Para el caso de los combustibles sólidos el problema es paralelo y en este caso se denomina micronización del combustible.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 100 200 300 400 500

MICRAS

TIEM

PO (

S )

TAMAÑO DE GOTA


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FACTORES RELATIVOS A LA TRANSMISIÓN DEL CALOR El mecanismo de calentamiento transcurre de la siguiente manera. Por una parte la llama y los productos de la combustión transmiten una cierta energía calorífica al producto a calentar y a las paredes del horno. Esta transmisión tiene lugar principalmente por convección y radiación.

Por otra parte, las paredes llevadas generalmente a una temperatura superior a la del producto a calentar, ceden a ésta por radiación una cantidad de calor importante. Para generar los volátiles es preciso un nivel de temperatura en el horno. Como es sabido el calor se transmite, desde el foco emisor hacia la carga o combustible, por convección y radiación. Como muestran el gráfico inferior la tasa de transferencia de calor por radiación es muy superior a la de convección, en particular a alta temperatura motivo por el cual es conveniente potenciar la zona radiante.

Pared

Producto

Llama + Productos de la

combustión

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NOCIÓN DE TURBULENCIA

Para aumentar la tasa de transferencia de calor por convección no hay mas solución que aumentar la velocidad del fluido.

Como indica la figura el aire primario genera turbulencia, que es adecuada para mejorar la mezcla, pero el coeficiente de transmisión aumenta poco. En cambio se corre el riesgo de generar mucho material particulado.

TRANSMISIÓN DEL POR CONVECCIÓN

Es la que tiene lugar a través de los fluidos. En los hornos si hay mucho aire, el coeficiente de transmisión aumenta poco, pero el arrastre de partículas es muy alto.

Q = S · h · ∆∆∆∆t

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70

velocidad (m/s)

coef

icie

nte

de c

onve

cció

n (K

cal/(

m2.

h.ºC

)


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CONVECCIÓN Y ESTRATIFICACIÓN DE TEMPERATURAS

Cuando se trabaja en estequimetria, la velocidad de los gases es baja y existe una estratificación de temperaturas.

La parte superior hay oxigeno, mientras que en la inferior hay defecto (pirólisis

y gasificación). Por ello en la cámara de oxidación y en la de postcombustión se exige mayor

velocidad de gases 2 a 6 m/s. Una de las misiones de los quemadores de la cámara de postcombustión es

estimular la mezcla.

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LA RADIACIÓN TÉRMICA

La energía se transmite simultáneamente por conducción (sólidos) o convección (fluidos) y radiación.

La radiación sobre un cuerpo genera un aumento de temperatura, siendo el

infrarrojo de onda corta la más eficiente. La potencia transmitida por radiación se relaciona exponencialmente con la T

de la fuente emisora, mientras que la energía transmitida por convección mantiene una relación casi lineal con la T del fluido. Esto explica el alto rendimiento de la radiación para aplicaciones industriales que requieren elevadas temperaturas como incineración, cocción o polimerización.

Aproximadamente por encima de los 500ºC la radiación adquiere gran preponderancia sobre la convección y el calor se transmite con mayor eficacia.

IR vs CONVECCIÓN

0

10

20

30

40

50

60

0 295 495 695 895

ºC de la fuente (IR) o del aire (convección)

Ener

gía

tran

smiti

da (k

W/m

2)

Radiación

Convección


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FACTORES RELATIVOS A LA POSICIÓN DEL RESIDUO

Se observa en la figura izquierda como la carga puesta en el horno actúa de pantalla térmica. Los puntos expuestos se quemarán con más facilidad y los internos quedarán tal cual.

Mientras que en la figura derecha, al tener un horno de sección transversal cuadrada, la carga está irradiada homogéneamente.

LOS QUEMADORES DE ALTA VELOCIDAD

El quemador, de aire – gas esta concebido para generar una gran cantidad de gases a relativa baja temperatura. Se incrementa la velocidad y, por tanto la tasa de transferencia de calor por convección.

A mayor temperatura se reduce el exceso de aire, la velocidad disminuye, la

temperatura aumenta y se incrementa la radiación.

Quemador convencional

Quemador de alta velocidad

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LA ISOTERMIA EN LOS HORNOS El conjunto de factores endógenos, inherentes al propio combustible como las alteraciones en el poder calorífico y, principalmente exógenos o dependientes de la geometría y sistema de funcionamiento de los hornos conduce a que la distribución de temperatura en su interior sea bastante irregular. O sea las temperaturas no son regulares en una misma sección transversal del horno.

El factor que más contribuye a la mala isotermia es la calidad de la tasa de transferencia de calor. A mayor temperatura la radiación térmica es muy eficaz, siempre y cuando se permita la correcta transferencia, puesto que se transmite en línea recta. En la mayoría de los hornos la propia carga actúa de pantalla térmica y reduce la tasa de intercambio calorífico. El otro factor deviene como consecuencia del régimen de presiones internas en la cámara de combustión. Una cámara muy presionada, si bien mejora la isotermia, aumenta las pérdidas de calor lo que puede propiciar fugas de contaminantes. Una cámara depresionada provoca estratificaciones de láminas de fluidos que empeoran la distribución de temperatura. Desde el punto de vista medioambiental, y de destrucción térmica, es evidente que se precisa un nivel térmico determinado para que el proceso sea efectivo, de ahí el interés en que la isotermia sea lo más perfecta posible. La figura muestra las llamas generadas en una zona de la parrilla, lo que conduce a que las temperaturas en esta sección sean muy dispares. La temperatura estática que indica el pirómetro inserto en la bóveda de la cámara poco tiene que ver con las diversas temperaturas reales en otras tantas zonas del horno.


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BALANCE SIMPLIFICADO DE UNA INCINERACIÓN

La figura siguiente expone un ejemplo del balance de masa y de energía para una incineración de RSU.

B A L A N C E D E M A S A K g /h

18.765 20.249

37.500 E ntrad a 45.896 S a lid a 45.273

8.396 3 .919

B A L A N C E D E E N E R G IA K c a l/h

1.260.000 3 .225.420

##########2.642.906

40.300 752.400

43.274.442

12.926.132 E nerg ia c om bus tib le 64.041.000 99,9%Aire c om bus tion 40.300 0,1%E NT R AD AS 64.081.300 100,0%

P erd idas internas 3.225.420 5,0%P erd idas pa redes 1.260.000 2,0%C a lo r s ens ib les es c o ria s 752.400 1,2%G enerac ion elec tric idad 12.926.132 20,2%C ondens ac ion vapo r 43.274.442 67,5%E nta lpia g as es s a lida 2.642.906 4,1%S AL ID AS 64.081.300 100,0%

R S U

G asesV apor

E scoriasA ire decom bustion

G asesH O R NO

R S U

P erdidasparedes

E scorias

A ire decom bustion

P erdidasinternas

C A L D E R A

E lectricidad

C ondensacionvapor

Xavier Elías

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LA CONVERSIÓN ENERGÉTICA EN LA INCINERACIÓN

El esquema de la figura muestra los diferentes rendimientos energéticos de una instalación típica de incineración.

Admitiendo que el rendimiento del conjunto horno-caldera es del 85 % (Este valor depende básicamente de la temperatura a la cual se echan los gases a la atmósfera y de las pérdidas de calor a través de las paredes) y el de turbina vapor-alternador del 22 % (Esta valor también depende de la magnitud de la turbina, cuanto mayor tiene un rendimiento mas elevado y del sistema de funcionamiento de la turbina), el conjunto arroja un rendimiento global próximo al 19 %.

Desde el punto de vista energético, el problema mas significativo es la condensación del vapor que absorbe, aproximadamente el 75% de la energía del vapor. Si, además la condensación del vapor se debe realizar por medio de aerocondensadores (ventiladores) los motores absorben una cantidad de energía eléctrica que debería restarse de la generada por el alternador.

100 kW (t)

Horno Incinerador

85 %

Depuración gases

185 ºC

22 %

Turbina de vapor

18,7 kW (e)

Intercambiador

∼∼∼∼

18,7 %

22 %

xavier elías la incineraciÓn de residuos y su adecuaciÓn...

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