Contaminación

Destrucción y minimización de residuos por horno rotatorio

En el número anterior de nuestra revista, presentamos algunos datos técnicos del horno rotatorio; ahora continuamos con uno de los aspectos fundamentales para el funcionamiento del proceso térmico, que es el control y suministro del aire primario.

El excedente de aire en procesos de incineración rotatoria varía entre 2 y 3 veces en relación con lo requerido en otros procesos térmicos. En los sistemas rotatorios se utilizan diferentes diseños: el diseño del flujo corriente, el diseño del doble cilindro y el diseño del flujo contracorriente. Básicamente, se distingue entre 2 flujos. El flujo corriente y el flujo del residuo, que van en la misma dirección que el flujo del aire, y el flujo contracorriente y el flujo del residuo, que van en la otra dirección del flujo de aire.

El diseño del sistema de contracorriente tiene pocas aplicaciones, pero principalmente bajo las condiciones cuando los residuos no generan gases orgánicos en el proceso de altas temperaturas, o cuando el valor calorífico se encuentra debajo de 8,000 kJ por kilogramo de materia. Los residuos químicos normalmente generan altas cantidades de gases a causa de su composición, y casi siempre su valor calorífico es muy elevado. El diseño contracorriente tiene aplicaciones con residuos de alta humedad y de bajo valor calorífico. Se puede concluir que en la mayoría de los casos para la incineración de residuos industriales desconocidos es recomendable el diseño del flujo corriente.

En el diseño del flujo corriente se ubica la alimentación de los residuos en la misma frente «fría» que la inyección del aire primario. En la frente «caliente» se captan los gases de emisión en su parte superior y la escoria o ceniza en su parte inferior. Este diseño permite la mezcla indiscriminada de residuos sólidos, pastosos y líquidos, y garantiza una destrucción satisfactoria aun con residuos de valores caloríficos muy altos. Con la variación de las revoluciones del cilindro se logra la definición del tiempo de residencia que deben tener los residuos expuestos a las temperaturas altas. Tanto la alimentación del residuo como la eliminación de la escoria, deben estar de preferencia al nivel de piso para facilitar las maniobras, así que el cilindro está asentado sobre 2 soportes y a una altura de entre 1.5 y 4.5 metros.

El desgaste crítico en los sistemas rotatorios se nota principalmente en el material refractario, causado por influencias térmicas, químicas y mecánicas. El residuo se encuentra en constante movimiento y con ello algunas mezclas químicas indefinidas provocan un desgaste considerable en los refractarios. Además, existen los asentamientos de escorias y no se conocen materiales cerámicos que logren resistir estas condiciones a largo plazo. Por eso se debe renovar este material refractario en tiempos razonables. Se requieren materiales resistentes no solamente a temperaturas, sino también a golpes y a descomposiciones químicas.

Las condiciones térmicas en las zonas de gasificación y evaporación con temperaturas de 300 a 900ºC están expuestas a riesgos por combinaciones químicas orgánicas e inorgánicas, y a elevaciones temporales de temperaturas o explosiones. En la zona principal de incineración, a partir de la mitad del largo del cilindro, se logran temperaturas de hasta 1,500ºC. El material refractario debe resistir no solamente esta elevación de temperaturas, sino también los desgastes causados por escorias abrasivas y por gases ácidos y muy agresivos.

El montaje del material exige conocimientos específicos por su comportamiento posterior y se instala con diversas técnicas. Sin embargo, la más importante es el respeto a las fugas térmicas requeridas por las expansiones y, al considerar altas temperaturas operativas, se diseñan varias capas de materiales. En casos normales existe una primera capa de 50 milímetros y una segunda de 200 milímetros, las 2 con porcentaje de 82 por ciento de alúmina, que ofrece una vida útil aceptable del refractario y apoya la rentabilidad del negocio. Una remodelación del material refractario es costosa y durante este tiempo es imposible procesar los residuos, así que es importante analizar desde un principio las especificaciones técnicas de este componente.

En cuanto al tiempo de residencia de los gases generados, éstos son mezclas múltiples de contaminantes ácidos, metálicos y orgánicos. El cilindro rotatorio no está diseñado para la destrucción de estos gases y no está calculado para un tiempo de residencia suficiente para su destrucción molecular. Por esta razón, se instala una segunda cámara o cámara de poscombustión, con quemadores adicionales y con aire secundario y terciario para la destrucción térmica de los gases.

Esta cámara de poscombustión cumple básicamente 3 tareas:

• Mezcla y homogenización de los gases provenientes del cilindro con el aire secundario y terciario.

• Garantizar la destrucción térmica de estos gases.

• Incineración de residuos líquidos que son inyectados por quemadores adicionales o por dispositivos de ultrasonido.

Los gases se incineran perfectamente cuando existe homogenización y mezcla y cuando esta mezcla está expuesta a altas temperaturas mínimas de 950ºC por lo menos, durante 2 a 5 segundos.

Una complicación que se puede presentar es la acumulación de escorias en las paredes laterales de la poscombustión, las que al caer pueden tapar la salida de la escoria del cilindro. Con el fin de evitar este tipo de problemas, simplemente se diseña de manera adecuada la forma física de la cámara secundaria y las posiciones de los quemadores. Únicamente los tecnólogos con muchos años de experiencia cuentan con los conocimientos para un diseño óptimo, pero en cualquier construcción, sea vertical, rectangular u horizontal cilíndrica, sabemos que la parte inferior conectada al cilindro rotatorio debe de resistir las más altas temperaturas y el material refractario necesita indispensablemente la alúmina de mínimo 82 por ciento.

La parte superior no está expuesta a estas temperaturas y el porcentaje de la alúmina se reduce entre 50 y 60 por ciento. La vida útil de este refractario alcanza hasta 25,000 horas operativas. Sin embargo, cabe mencionar que estos materiales refractarios resistentes son a su vez muy sensibles a cambios, por eso no se recomienda una operación interrumpida, sino de 24 horas como mínimo, durante varias semanas o meses seguidos. En caso de reparaciones, es recomendable mantener el material intacto en temperaturas de aproximadamente 500ºC. Los gases son conducidos por ductos de emergencia, previamente diseñados para estas aplicaciones.

Hasta este punto, podemos definir que el proceso de incineración genera 2 componentes residuales: los gases después de la poscombustión y la escoria o ceniza. Esta última es extraída en forma seca o húmeda. Si la escoria se presenta líquida, debe humedecerse para la seguridad del personal y porque la eliminación posterior no se podría efectuar. Las 2 formas tienen ventajas y desventajas. En el caso seco, tenemos la problemática (desventaja) del cierre del sistema contra la atmósfera, pero no se genera agua residual (ventaja), y en el caso húmedo sucede lo contrario. Normalmente, se aplica de todos modos algún flujo de agua para el enfriamiento, y la escoria se extrae en la parte inferior por cadenas metálicas a un contenedor o una tolva.

Los gases generados en este proceso de alta temperatura están contaminados por lo que se les somete a un proceso de lavado. Sin embargo, antes de cualquier lavado, requieren de una etapa de enfriamiento y aquí se presentan oportunidades muy favorables, en el sentido de la rentabilidad del incinerador. Para el enfriamiento, se usan calderas o intercambiadores térmicos, los cuales permiten el aprovechamiento de la inmensa energía para la generación de toneladas de vapor saturado a presiones de hasta 30 bar, en casos extremos. Normalmente, el vapor generado es usado en presiones de entre 9 y 16 bar, y la eficiencia real de recuperación se mueve entre 60 y 85 por ciento de la energía aplicada. El siguiente paso del vapor a la turbina, para la generación de energía eléctrica, está casi predeterminado, llevándonos al autoabastecimiento de esta energía eléctrica para propio uso y a la conclusión de este artículo con la visión de la cogeneración.

Constantemente se subestima y sorprende el potencial de energía (eléctrica) que guardan algunos residuos, y si analizamos estas posibilidades, podrán resultar interesantes proyectos de bienes de capital, que llevan a inversiones factibles y rentables. Más de 2,000 instalaciones de incineración rotatoria están actualmente operando en nuestra urbe.

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