APLICACIONES

Dos clásicos: Incineración centralizada y residuos hospitalarios

A los efectos de un dimensionado o diseño aún preliminar, es recomendable caracterizar la aplicación de la mejor manera posible, indicando:

• carga, e.g. kg/hr o tons/día y regimen de operación, e.g. 8, 12, 24 horas

• naturaleza y poder calorífico de los distintos mix de carga (inevitable)

• contenido de humedad

• contenido de ceniza

• requerimientos para el sistema de control de emisiones (particulado, HCl,)

• régimen de operación, e.g. exceso de aire, 

Muchos fabricantes de incineradores en la década de los 70, y aún en los 80, empleaban para sus cálculos, valores de poder calorífico relativamente “bajos” del orden de 4700 kcal/h (8,500 btu/h).  Con el incremento desproporcionado de materiales de alto poder calorífico como ser la mayoría de los plásticos (2x, casi 3x) muchos operadores de incineradores, especialmente del sector hospitalario, se encontraron que no era posible mantener el “throughput” original previsto debido al correspondiente aumento en el requerimiento de suministro de aire.  Ocurre que estos materiales, de gran velocidad de combustión, terminan por aumentar la temperatura en forma “desmesurada” provocando formaciones de slag, obturando la alimentación de aire, dificultando el movimiento de ceniza, con aumentos en emisiones de particulado y monóxido de carbono.   

De alguna manera, debido a este gran cambio en los porcentajes de los constitutivos principales, así como la continua amenaza de “infiltraciones” accidentales de aire a través de las puertas de carga, tornaron la operación con alimentación subestequiométrica de difícil mantenimiento.  Tanto por la dificultad en evitar el ingresos abruptos de aire como la gran variabilidad en el poder calorífico de las distintas cargas, han hecho que la operación en sistemas pequeños, sea dificultosa aún con sofisticados controles automáticos.  Si bien la carga en lotes (vs. continua) puede de alguna manera asimilar estos obstáculos, se resiente el throughput efectivo, debido a ciclos de quemado más largos.  En los sistemas mayores, e.g. 680 kg/h, las irregularidades tienden a autoequilibrarse y la operación puede ser aceptable.

 A modo de ilustración de los cálculos involucrados en un diseño preliminar, podemos ejemplificar con el siguiente contexto hipotético, suponiendo las siguientes especificaciones:

•  carga/horaria:                            100 tons/día de residuos sólidos municipales

• poder calorífico                        2,500 kcal/kg (4,500 btu/lb)

• contenido de humedad            25%

• contenido de cenizas:             20%

• régimen de operación, e.g. exceso 100%

 En general cuanto mayor sea el contenido de humedad mayor es la cantidad de combustible (gas natural, fuel oil)  suplementario requerido.  En la alternativa elegida (exceso 100%) tendremos que llevar toda la masa de aire a la temperatura de operación, por lo que nuestros consumos y dimensiones serán necesariamente mayores.  

Puede verse un esbozo simplificado del cálculo involucrado en el inserto, un diseño histórico meramente ilustrativo, en el cual hemos empleado interpolación lineal para evitar tener que trabajar con tablas de entalpías, notablemente más preciso, e.g. la predicción de la temperatura de descarga del gas de combustión.  La actualización de este ejercicio involucraría una caracterización/composición apropiada del residuo contemporáneo, sea mediante determinación del poder calorífico "real" sea mediante el empleo de una caldera escala real, ensayo calorimétrico o estimación empleando la fórmula de Dulong para una composición conocida.  En el caso de residuos sólidos municipales el contenido de humedad puede variar entre 18 y 25%, el contenido de cenizas entre 10 y 20%, siendo el resto combustible.  A modo indicativo el poder calorífico resultante para la fracción volátil estará entre 8,000 y 12,000 btu/lb (aprox. 4,500 kcal/kg y 6,700 kcal/kg).

  .  

En el caso específico de la categoría residuos hospitalarios, la consigna podría estar dada por:

• carga/horaria:                            200 kg/h

• poder calorífico                        5200 kcal/kg (9360 btu/lb)

• contenido de humedad            9%

• contenido de cenizas:             8%

• régimen de operación, e.g. aire controlado: 70-80% en la primera celda, 140-200% en segunda celda.

 Al igual que en el caso anterior, pero especialmente agravado por las características del tipo de residuo sólido en cuestión (patológico/infeccioso/hospitalario), debe tenerse en cuenta la necesidad de preveer (y diseñar!) presencias importantes de:

•  material plástico, en particular PVC (-> HCl)

•  presencia de Pb, As y Hg (vapor) (-> incluir subproceso para su remoción)

• formación y reformación de dioxinas y furanos

Salvo el caso del mercurio, los metales tóxicos está asociados con el particulado que es en su mayoría submicrónico.  Si bien un wet scrubber (en particular un high energy venturi scrubber trabajando a c. 65” columna de agua) puede atender gases ácidos y dioxinas, no es modernamente la alternativa elegida para cumplir con los requerimientos de 35 mg/Nm3 (a 7% O2).

Cabe señalar que el sistema a diseñar debe poder atender desde cargas que no permiten combustión sin auxilio de combustible suplemento (gran contenido de partes anatómicas) hasta cargas con valores de poder calorífico extremadamente altas como ser polietilenos y poliestirenos (poder caloríficos hasta más de 10,500 kcal/kg o 19,000 btu/lb)..

La alternativa preferida incluye inyección de CaO hidratado para remoción de HCl y un reactivo adicional para el bloqueo de formación de dioxinas.  Frecuentemente se busca también recuperar energía mediante la generación de vapor, o de menor interés, disipación mediante un intercambiador gas/aire.