El diseño y la operación eficiente de los hornos de incineración de residuos requieren un conocimiento profundo de los balances de masa y energía. Estos balances buscan igualar las masas y energías que entran y salen del sistema para evaluar su eficiencia y asegurar un funcionamiento óptimo.
Conceptos Fundamentales de Balance de Masa y Energía
Los balances de masa y energía son conceptos clave en la ingeniería de procesos. En el contexto de hornos, como los rotativos para la producción de cemento o la incineración de residuos, estos balances buscan igualar las masas y energías que entran y salen del sistema para evaluar su eficiencia. Los principales flujos de masa y energía a considerar incluyen el crudo, combustible, aire y clinker en el caso del cemento, y para residuos, estos serían los residuos a tratar, combustible auxiliar (si lo hay), aire y productos de combustión (gases y cenizas). Se requiere una metodología para medirlos y calcular los balances.
Hornos de Incineración de Residuos Peligrosos
Definición y Funcionamiento
La incineración de residuos peligrosos es una tecnología que trata los residuos sólidos mediante oxidación a alta temperatura. Los hornos rotatorios para la incineración de residuos peligrosos son el equipo principal para el tratamiento de residuos médicos y nocivos. Logran la reducción de residuos, la inocuidad y el aprovechamiento de recursos mediante la incineración a alta temperatura, generalmente entre 850 °C y 1100 °C. Adoptan una estructura de cilindro giratorio inclinado para garantizar la descomposición completa de los contaminantes orgánicos mediante el contacto total entre el material y los gases de combustión a alta temperatura, y la emisión de sustancias tóxicas como las dioxinas cumple con las normas internacionales.
Con un ángulo de inclinación de 3° a 5° y una velocidad de rotación de 1.5 a 3 rpm, los residuos se someten a un proceso de secado y pirólisis en el horno durante 15 a 20 minutos, y los componentes orgánicos se descomponen inicialmente en la zona de combustión principal a 850-1000 °C. Sin embargo, debido a la compleja composición de los residuos peligrosos (incluidos residuos de medicamentos y reactivos químicos), puede producirse una combustión parcial incompleta en la cámara de combustión principal. Por ello, es necesario conectar la cámara de combustión secundaria para formar un sistema de incineración secundaria.
La cámara de combustión secundaria eleva la temperatura de los gases de combustión por encima de los 1100 °C mediante un quemador auxiliar y, al mismo tiempo, utiliza un dispositivo de distribución de viento para crear una fuerte turbulencia. De esta manera, los hidrocarburos no quemados, los precursores de dioxinas, etc., se mezclan completamente con el exceso de aire, lo que obliga a que el tiempo de residencia de los gases de combustión sea ≥2 segundos y, finalmente, logra una tasa de degradación de dioxinas superior al 99.99 % y la oxidación completa de contaminantes persistentes, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos.
Este proceso combinado de "pretratamiento del horno de residuos peligrosos + purificación profunda de la cámara de combustión secundaria" no solo garantiza un calentamiento uniforme del material mediante la rotación del cuerpo del horno, sino que también se basa en el entorno turbulento de alta temperatura de la cámara de combustión secundaria para compensar la reacción incompleta en la etapa de combustión principal.
Aplicaciones y Características Técnicas
Los escenarios de aplicación incluyen los desechos médicos generados por hospitales, centros de control de enfermedades, etc. Su función principal es el tratamiento de residuos peligrosos corrosivos, tóxicos e inflamables (como residuos químicos, aceites usados, lodos con metales pesados, etc.). Debido a la compleja composición de los residuos, que contienen sustancias de alto contenido de humedad y bajo poder calorífico, se suelen utilizar hornos mecánicos de parrilla con una temperatura de incineración de 850-1000 °C, y la energía térmica se recupera mediante calderas de recuperación de calor.
Componentes Clave del Horno Rotatorio de Incineración
Los hornos rotatorios de incineración constan de varios componentes que trabajan en conjunto para asegurar un proceso eficiente y seguro. La prueba de aceptación en fábrica (FAT) de estos hornos es una inspección y verificación sistemática que se realiza en las instalaciones del fabricante antes del envío. Su objetivo es confirmar que el horno y sus componentes cumplen con las especificaciones de diseño, los requisitos técnicos y los criterios de rendimiento estipulados en el contrato de compraventa. Generalmente, incluye inspecciones visuales, mediciones dimensionales, pruebas funcionales, precisión de rotación, rendimiento de sellado y pruebas de carga parcial para garantizar que el equipo esté listo para su instalación y puesta en marcha in situ.
Carcasa del Horno
La carcasa del horno de incineración de residuos es una carcasa cilíndrica de acero, larga y horizontal, que suele estar ligeramente inclinada (1-5 grados) para facilitar el movimiento de los residuos desde la entrada hasta la salida a medida que gira. Sirve como cámara de combustión principal, donde los residuos se calientan, secan y oxidan a altas temperaturas (850-1,200 °C, según el tipo).
Sistema de Soporte y Rotación
El sistema de soporte y rotación es fundamental para el funcionamiento del horno rotatorio.
- Anillo de rodadura: Es un gran anillo de acero revestido en el exterior de la carcasa del horno. Es un componente clave que conecta la carcasa del horno con la rueda de soporte. Generalmente es un anillo forjado, sólido o hueco, cuyo tamaño se diseña según el diámetro del horno y la carga (el diámetro puede alcanzar varios metros y el peso decenas de toneladas). Su función es estabilizar el cuerpo del horno y adaptarse a la deformación térmica. Los rodillos limitan la vibración radial del cuerpo del horno al entrar en contacto con la rueda de soporte para garantizar la concentricidad durante la rotación.
- Rodillo de soporte: Es un rodillo de acero instalado por pares debajo del anillo de rodillos. Sostiene todo el cuerpo del horno mediante el contacto rodante con el anillo de rodillos y permite que este gire sobre su eje. Normalmente, dos grupos se disponen simétricamente a ambos lados del anillo de rodillos (formando un soporte en forma de ocho o simétrico horizontalmente). Cada grupo de rodillos de soporte consta de rodillos, ejes, asientos de rodamientos y bases.
- Rueda de empuje: Generalmente, un rodillo cilíndrico, uno o dos, se instala lateralmente (cerca de su extremo) y en contacto con su extremo axial. Su función es limitar el movimiento axial. Al girar el cuerpo del horno, puede producirse un desplazamiento axial (movimiento horizontal hacia adelante y hacia atrás) debido a cambios de temperatura (expansión y contracción térmica), cargas excéntricas de los materiales o una ligera desviación del dispositivo de accionamiento. También cumple la función de compensación de la expansión térmica y protege otros componentes, ya que si el cuerpo del horno se mueve demasiado en dirección axial, puede causar un engrane deficiente (desalineación del engranaje impulsor y del motor del cuerpo del horno) y un mayor desgaste de los dispositivos de sellado (como los sellos del cabezal y la cola del horno). La presión de contacto con la cara final del anillo rodante debe controlarse estrictamente, ya que una presión excesiva provocará desgaste local o sobrecalentamiento, y una presión insuficiente no tendrá efecto de empuje.
Durante el funcionamiento del horno rotatorio de incineración de residuos, el rodillo transfiere el peso del cuerpo del horno al rodillo de soporte. Este último soporta el cuerpo del horno y facilita la rotación, mientras que la rueda de empuje limita el movimiento axial. Los tres forman un sistema de circuito cerrado de "soporte-rotación-posicionamiento": cuando el cuerpo del horno gira impulsado por el dispositivo de accionamiento, se genera fricción de rodadura entre el rodillo y el rodillo de soporte para garantizar un funcionamiento con baja resistencia; cuando el cuerpo del horno se mueve axialmente debido a la expansión y contracción térmica o a cambios de carga, la rueda de empuje contacta con la cara final del rodillo para evitar un desplazamiento excesivo.
Sistema de Transmisión
El sistema de transmisión del horno rotatorio de incineración se compone principalmente de cuatro partes: motor, caja de engranajes, piñón y corona dentada. Cada componente trabaja en conjunto para completar el proceso completo de generación de energía, conversión de par y transmisión de potencia. Como fuente de alimentación, se suelen utilizar motores asíncronos de CA (hornos pequeños y medianos) o de CC (hornos grandes o escenarios que requieren regulación de velocidad). Considerando las altas temperaturas y la cantidad de polvo del entorno de incineración, el motor debe estar equipado con un sistema de refrigeración (por aire o agua) y una cubierta antipolvo.
La ruta de transmisión de potencia del sistema de transmisión se puede resumir de la siguiente manera: El motor genera potencia a alta velocidad → La caja de engranajes (también conocida como reductor y "convertidor de par") amplifica el par a través de una reducción de múltiples etapas → El engranaje pequeño transmite potencia al engranaje de anillo grande → El engranaje de anillo grande impulsa el cuerpo del horno para que gire a baja velocidad.
El propósito principal de la rotación del cuerpo del horno es lograr un contacto completo con el gas de combustión a alta temperatura (mejorar la eficiencia de la incineración) y un calentamiento uniforme del material (evitar el sobrecalentamiento local o la combustión incompleta) a través del giro del material en el cuerpo del horno inclinado (el cuerpo del horno generalmente está inclinado de 1 a 3°), y al mismo tiempo empujar el material para que se mueva al extremo de descarga de escoria de la cola del horno.
El peso total del cuerpo del horno puede alcanzar cientos de toneladas (por ejemplo, un cuerpo de horno con un diámetro de 4 metros y una longitud de 30 metros). El sistema de transmisión debe generar continuamente miles de Newton-metros (o incluso decenas de miles de Newton-metros) de torque. La fluctuación de la cantidad de material en el horno (como la aglomeración causada por la composición irregular de los residuos) y la deformación térmica del cuerpo del horno causada por las altas temperaturas (la expansión axial puede alcanzar decenas de milímetros) provocarán cambios repentinos en la carga de transmisión. La temperatura superficial del cuerpo del horno puede alcanzar los 300-500 °C durante su funcionamiento, y el calor afecta a los componentes de transmisión cercanos (especialmente la corona dentada y el piñón) por radiación y conducción.
Revestimiento Refractario
El revestimiento interno del horno está compuesto por materiales resistentes al calor (p. ej., ladrillos con alto contenido de alúmina, refractarios moldeables o fibra cerámica) que recubren la superficie interior de la carcasa del horno. Su función es aislar la carcasa de acero de temperaturas extremas (evitando la deformación o la fusión), retener el calor dentro del horno para mantener las temperaturas de combustión y resistir la abrasión de los materiales de desecho.
Sistemas de Alimentación de Residuos
Existen varios métodos para introducir los residuos en el horno:
- Alimentador de ariete: Utiliza una varilla de empuje hidráulica para impulsar periódicamente los residuos hacia el horno. Es adecuado para residuos grandes o resistentes.
- Transportador de tornillo: Utiliza un tornillo rotatorio para empujar la basura. Es adecuado para materiales sueltos y cuenta con funciones de transporte cuantitativo y sellado.
- Conducto: Es un canal inclinado simple alimentado por gravedad. Generalmente se utiliza con una válvula de compuerta para controlar el caudal.
- Válvula rotatoria: La cámara está separada por un rotor giratorio con aspas.
Valorización Energética de Residuos (Waste-to-Energy - WTE)
La incineración de residuos, al ir un paso más allá, puede integrar la generación de energía. La valorización energética de residuos (WTE) es otro método de tratamiento eficiente que convierte residuos sólidos, como los urbanos, en energía eléctrica mediante la incineración a alta temperatura. La valorización energética de residuos, también conocida como waste to energy, es un proceso mediante el cual distintos tipos de vertidos son transformados en energía. No debe considerarse como una alternativa a la reducción de los residuos generados y a su reciclaje, ya que es preferible no tener residuos a verse en la necesidad de transformarlos. Sin embargo, el auge en las políticas de economía circular ha conllevado un aumento en la implantación de plantas de tratamiento de residuos que permitan su transformación en energía. Los residuos son vertidos en una cámara térmica para su combustión completa hasta su conversión en cenizas. Esta cámara es llevada a una temperatura mayor a 850 °C.
En cuanto al flujo del proceso, la basura ingresa primero al sistema de pretratamiento. En esta etapa, las impurezas, como metales y mampostería, se separan mediante clasificación mecánica, separación magnética y otras tecnologías para mejorar el valor calorífico y la uniformidad de la basura, y garantizar la estabilidad y eficiencia del proceso de incineración posterior. La basura pretratada ingresa al incinerador. Los hornos más comunes incluyen hornos mecánicos de parrilla y incineradores de lecho fluidizado. En un entorno de alta temperatura de 850-1000 °C, los componentes orgánicos de la basura se queman por completo. En el horno mecánico de parrilla, el movimiento de la parrilla impulsa la basura a rodar, de modo que está en pleno contacto con el aire y completa el proceso de combustión.
Los gases de combustión a alta temperatura generados por la incineración ingresan a la caldera de recuperación de calor, intercambian calor con el agua de la caldera y la calientan hasta convertirla en vapor a alta temperatura y presión. El vapor impulsa la turbina de vapor a alta velocidad, lo que a su vez impulsa el generador para generar electricidad. El vapor resultante de la generación de energía se enfría mediante el sistema de condensación y se transforma en agua para su reciclaje. Simultáneamente, los gases de combustión que contienen contaminantes como gases ácidos (como HCl y SO₂), polvo, dioxinas y metales pesados, generados durante el proceso de incineración, ingresan al sistema de purificación multietapa.
En términos de beneficios económicos, los proyectos de generación de energía mediante incineración de residuos han diversificado los ingresos. Los ingresos por generación de energía son una de las principales fuentes, representando generalmente el 65%-75%. Cada tonelada de basura puede generar de 300 a 500 kWh de electricidad, lo cual se ve afectado por factores como el poder calorífico de la basura, el equipo de incineración y la eficiencia del sistema de generación de energía.
Para la valorización energética, los procesos térmicos serán viables cuando el poder calorífico del residuo, que se mide mediante el poder calorífico inferior (PCI), sea medio o alto.
TERSA Planta de valorización energética de residuos Municipales del Área Metropolitana de Barcelona
Otras Tecnologías de Valorización Térmica de Residuos
Además de la incineración directa, existen otras tecnologías para el tratamiento y valorización de residuos:
Biometanización
La biometanización es un proceso biológico que se lleva a cabo en ausencia de oxígeno, en el que interviene una población heterogénea de microorganismos. El biogás es una mezcla de dióxido de carbono, metano y otros gases minoritarios (H2S, etc.), que tras ser sometido a un proceso de lavado, puede ser utilizado para producir energía eléctrica mediante un proceso de cogeneración. El tipo de material a digerir influye en gran medida en el rendimiento y en la composición del biogás obtenido. La energía calorífica residual del proceso puede ser recuperada y, en parte, utilizada para concentrar las aguas residuales que se generan, mediante un proceso de evaporación-concentración al vacío. La biometanización es un proceso adecuado para el tratamiento y valoración de residuos agrícolas, ganaderos y urbanos, así como para la estabilización de fangos procedentes del tratamiento de aguas residuales urbanas. Desde el punto de vista energético, el biogás supone una gran oportunidad para el sector de las energías renovables. Las fuentes de biomasa para dar origen al biogás son muy versátiles: lodos de plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS); los residuos sólidos urbanos (RSU) de rellenos sanitarios y vertederos; estiércoles, purines y riles de la actividad pecuaria; los restos de la actividad agrícola o industrial, y las plantaciones energéticas.
Pirólisis
La pirólisis es un proceso térmico que produce gas de síntesis, cuyos componentes básicos son CO, CO₂, H₂, CH₄ y compuestos volátiles procedentes del cracking de las moléculas orgánicas, conjuntamente con las ya existentes en los residuos. Se trata de un gas con un elevado PCI (mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, metano, etano, etileno, etc.), aunque parte de la energía que se obtiene del gas se debe invertir en el propio proceso de pirólisis, el cual es endotérmico. Genera también un residuo sólido compuesto por todos aquellos materiales no combustibles que no han sido transformados o que proceden de una condensación molecular con un alto contenido en carbón, metales pesados y otros componentes inertes de los residuos. Las bajas temperaturas de trabajo provocan una menor volatilización de carbono y otros contaminantes precursores en la corriente gaseosa, como metales pesados o dioxinas. Por esto, los gases de combustión necesitarán teóricamente un tratamiento menor para cumplir los límites mínimos de emisiones fijados en la Directiva de incineración. Para poder tratar los residuos mediante pirólisis, se deben cumplir una serie de requisitos. Sin embargo, es difícil definir la tipología de residuos considerados como adecuados o inadecuados, dado que está muy relacionado con el tipo de reactor usado y de las condiciones de operación. Básicamente, se consideran como residuos más aptos: papel, cartón, astillas de madera, residuos de jardín y algunos plásticos seleccionados.
Gasificación
La gasificación es un proceso térmico en el que se lleva a cabo una combustión parcial de la materia en presencia de cantidades de oxígeno inferiores a las requeridas estequiométricamente. Produce gas de síntesis, compuesto principalmente por CO, H₂, CO₂, N₂ (si se emplea aire como gasificante) y CH₄ en menor proporción. El residuo sólido está compuesto por materiales no combustibles e inertes presentes en el residuo alimentado; generalmente contiene parte del carbono sin gasificar. La gasificación permite la producción de energía eléctrica mediante motores de combustión interna o microturbinas, aunque el gas de síntesis debe ser limpiado para poder ser aprovechado posteriormente. En cuanto a los residuos más apropiados, la gasificación también tiene la restricción de poder tratar sólo algunos materiales específicos.
Combustión
La temperatura de combustión está normalmente comprendida entre los 850ºC y los 1.100ºC después de la última inyección de aire secundario. El gas de combustión está compuesto principalmente por CO₂, H₂O, O₂ no reaccionado, N₂ del aire empleado para la combustión y otros compuestos en menores proporciones procedentes de los diferentes elementos que formaban parte de los residuos. Los componentes minoritarios presentes dependerán de la composición de los residuos tratados. Así pues, pueden contener gases ácidos derivados de reacciones de halógenos, azufre, metales volátiles o compuestos orgánicos que no se hayan oxidado. El proceso global convierte prácticamente toda la energía química contenida en el combustible en energía térmica, dejando una parte de energía química sin convertir en gas de combustión y una muy pequeña parte de energía química no convertida en las cenizas.
Plasma Gasificación
El plasma es un estado de la materia, formado a partir de un gas sometido a altas temperaturas y en el cual prácticamente todos los átomos han sido ionizados. El fundamento del proceso es el siguiente: si un gas se halla en las condiciones anteriores y se introduce en un campo eléctrico se generará una corriente eléctrica, formada por los electrones libres dirigiéndose al polo positivo del campo eléctrico, y las partículas positivas hacia el negativo. Esta corriente eléctrica determina una resistividad y, por tanto, una transformación en calor que depende de la intensidad eléctrica. Esta tecnología permite el tratamiento de gases peligrosos, los cuales se someten a las temperaturas de trabajo, destruyendo así su estructura molecular, y la vitrificación de residuos peligrosos, tanto para los residuos orgánicos, destruyendo su estructura molecular, como para los inorgánicos, mediante la fusión de los mismos dentro de una masa vítrea. La gasificación por plasma utiliza como fuente de calor la energía térmica contenida en el propio plasma a partir de la energía (normalmente eléctrica) consumida para la generación del mismo. Con la mayoría de normativas vigentes, no es aconsejable considerar esta alternativa como una opción viable, puesto que cada vez la cantidad de residuo biodegradable depositado en vertedero es menor.
Balances de Materia y Energía en el Diseño de Hornos de Incineración
En una primera etapa, el diseño de un horno incinerador de residuos patológicos de baja polución requiere el planteo de balances de materia y energía. En este contexto, los cálculos se han planteado para la incineración utilizando gas natural como combustible y variando la relación aire/combustible para lograr las condiciones que garanticen temperaturas óptimas de operación. En etapas posteriores se incluirán otras reacciones de formación de contaminantes, considerando la cinética de todas las reacciones intervinientes, a fin de minimizar las emisiones tóxicas de la combustión.
Se analiza la situación de incineración completa y la situación con producción de monóxido de carbono, la cual indica el grado de pirólisis que realmente se produce en la cámara primaria del horno. Los hornos rotativos forman parte de la cadena de valorización energética de residuos, tan importante en la política de sostenibilidad y medio ambiente hoy en día. Al proceso de usar los residuos para producir energía se le llama valorización, que no es más que obtener energía de los desechos que no se pueden separar y no son reciclables. La incineración de basura se realiza para reducir su volumen, para fundir componentes tóxicos y para producir energía. La basura se incinera a alta temperatura, alrededor de 850 °C.
La planta de incineración típica para los desechos municipales sólidos es un incinerador de parrilla móvil u horno rotatorio o rotativo industrial. El horno rotativo consiste en un cuerpo cilíndrico ligeramente inclinado en su eje horizontal. El tiempo de residencia del material sólido en el horno se determina por el ángulo horizontal del cuerpo cilíndrico y la velocidad de rotación.