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¿Cuándo debería elegir el análisis de procesos en lugar de las mediciones de laboratorio tradicionales? Lea nuestro artículo del blog para saber cuáles son los factores más importantes a considerar al tomar esta decisión.
Incineración de residuos con análisis de procesos en línea
9 sept. 2024
Artículo
Los vertederos, un método tradicional de eliminación de residuos, están desbordados. Estos sitios ocupan un espacio importante y pueden contaminar el medio ambiente a medida que los desechos se descomponen. En 2009, la Agencia Europea de Medio Ambiente publicó un informe que abogaba por la transición de la eliminación de residuos en vertederos a alternativas más sostenibles [1]. Una solución viable utiliza un proceso de tratamiento térmico para quemar residuos y generar energía. Si bien la incineración puede reducir los desechos en los vertederos y crear energía, es importante comprender cómo funciona el proceso de incineración de desechos y qué pasos son necesarios para llevarlo a cabo de manera segura y respetuosa con el medio ambiente.
¿Qué es la incineración de residuos?
Figure 1.
Camión desechando basura previo a la incineración de residuos sólidos.
En primer lugar, los residuos sólidos urbanos llegan en camiones y se almacenan para su procesamiento (Figura 1).
A continuación, los residuos se introducen en un horno de alta temperatura donde se queman. El proceso de combustión genera gases de combustión (una mezcla de gases calientes y subproductos) que deben limpiarse completamente antes de liberarse.
Por último, el calor generado en el horno juega un papel clave en la producción de electricidad. Este calor capturado crea vapor que impulsa una turbina, generando en última instancia energía.
En el resto de este artículo se analizan los componentes más importantes del análisis de las plantas incineradoras de residuos, centrándose en cómo se utilizan los analizadores de procesos para monitorear emisiones como amoníaco, sulfato y metales pesados.
¿Por qué es importante la incineración de residuos?
La incineración es una estrategia de gestión de residuos que reduce los residuos sólidos (es decir, los vertederos) al mismo tiempo que convierte energía. Una proyección del PNUMA indica que la producción de residuos sólidos municipales aumentará de 2.300 millones de toneladas en 2023 a 3.800 millones de toneladas en 2050 [2]. Por lo tanto, garantizar el funcionamiento eficiente y conforme de dichas plantas incineradoras es de suma importancia, pero se puede lograr mediante un seguimiento y una mitigación meticulosos.
La tecnología de incineración ha evolucionado y ofrece diversas opciones adaptadas a tipos específicos de residuos. Existen varios tipos de incineradores: incineradores simples, incineradores de parrilla fija o móvil, incineradores de horno rotatorio e incineradores de lecho fluidizado [3]. Cada tipo posee ventajas únicas en términos de capacidad, eficiencia y control de emisiones.
¿Cómo funciona la incineración de residuos?
En una planta incineradora de residuos, el viaje comienza con la entrega de la basura por parte de los vehículos recolectores (Figura 1). Un mecanismo de agarre (Figura 2) levanta los residuos y los deposita en un horno de alta temperatura.
Figure 2.
Garra mecánica utilizada para la recogida de residuos.
Aquí se produce la combustión, que descompone los residuos y libera energía térmica y gases de combustión (esencialmente, gases de escape calientes que contienen subproductos de la combustión). Es importante destacar que este calor del proceso de combustión se utiliza para generar energía de vapor y producir electricidad en la central térmica adyacente.
Durante la incineración, se generan gases de combustión que contienen contaminantes como gases ácidos, metales pesados y partículas (PM). El depurador (Figura 3) actúa como una barrera, capturando estos contaminantes antes de que lleguen a la atmósfera.
Figure 3.
Esquema de una planta de incineración de residuos sólidos municipales.
Los gases de combustión no se liberan directamente a la atmósfera. En cambio, pasa por varios pasos de control de emisiones (por ejemplo, depuradores y filtros) para eliminar diversos componentes no deseados que no pueden liberarse al medio ambiente. Los depuradores utilizan agua o soluciones químicas específicas para capturar contaminantes, incluidos PM, metales pesados y gases ácidos.
Finalmente, las cenizas sobrantes del horno y las aguas residuales generadas durante el proceso de limpieza se someten a un riguroso análisis antes de ser desechadas. Esto garantiza que estos materiales se traten adecuadamente y se eliminen de una manera responsable con el medio ambiente.
Estas instalaciones hacen más que simplemente eliminar materiales de desecho: también utilizan el calor producido para generar energía.
- El calor intenso del horno se utiliza para hervir agua dentro de un sistema de caldera.
- El vapor a alta presión resultante acciona una turbina.
- La rotación de la turbina genera energía eléctrica.
Las plantas de incineración de residuos ofrecen así un doble beneficio: reducción del volumen de residuos en vertederos y generación de energía.
Depuradores: un paso esencial para el control de emisiones
Figure 4.
Ilustración del proceso de fregado húmedo.
Los depuradores, esencialmente las unidades de control de la contaminación del aire dentro del proceso de incineración de residuos para generar energía, desempeñan un papel importante en el mantenimiento de los niveles de emisiones al atrapar contaminantes en líquidos (Figura 4) o materiales secos especializados.
Los depuradores reducen la emisión de contaminantes como el dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx), metales pesados y PM. Esto permite que las plantas de incineración de residuos cumplan con estrictas regulaciones medioambientales.
Al neutralizar los gases ácidos, los depuradores evitan la formación de lluvia ácida, preservando la fertilidad del suelo y los ecosistemas acuáticos en zonas cercanas al incinerador.
Los depuradores contribuyen positivamente a la salud pública al reducir la liberación de sustancias peligrosas que pueden causar enfermedades respiratorias y otras complicaciones de salud.
¿Por qué utilizar analizadores de procesos para el cumplimiento normativo?
Las aguas residuales no tratadas (o subtratadas) procedentes de plantas de incineración de residuos amenazan el medio ambiente y la salud pública. Un monitoreo preciso garantiza que los diversos efluentes cumplan con los requisitos de las regulaciones de descarga y no causen daños.
Los analizadores de procesos ayudan a minimizar los errores que pueden ocurrir durante la recolección de muestras y el análisis de laboratorio. Proporcionan una imagen en tiempo real de las condiciones de la planta, lo que permite realizar ajustes proactivos para optimizar el rendimiento. Además, los analizadores de procesos en línea eliminan la necesidad de manipulación manual de productos químicos potencialmente peligrosos, lo que mejora la seguridad de los operadores y el personal de la planta.
A pesar de estar completamente automatizados, los analizadores de procesos en línea brindan precisión de nivel de laboratorio, lo que garantiza datos confiables para la toma de decisiones críticas.
En la siguiente tabla se enumeran algunos segmentos del proceso de incineración de residuos para generar energía en los que se pueden instalar analizadores de procesos en línea con fines de monitoreo. Tabla 1. Metrohm Process Analytics ofrece un conjunto integral de soluciones para monitorear parámetros críticos en instalaciones de incineración de residuos y plantas de generación de energía. Estos se describen con más detalle más adelante en el artículo.
| Parámetro | Técnica de análisis | |
|---|---|---|
| Gas de combustión / Horno | Ácidos y metales pesados | VA / XRF |
| Calcio y sulfato | Valoración | |
| Sulfato | Valoración / Fotometría | |
| Depurador | Metales pesados | VA / XRF |
| Amoniaco (NH3) en cenizas de depurador | ISE | |
| Hidróxido de sodio, carbonato de calcio, sulfato. | Valoración | |
| Agua de refrigeración | Sodio, amoniaco (NH3) | Valoración |
| Inhibidores de corrosión del cobre | IC | |
| Metales pesados | VA | |
| Turbina | Corrosión acelerada por flujo (FAC) | IC/VA |
| Efluente de planta de tratamiento de aguas residuales (EDAR) | Zinc, cadmio, plomo, mercurio | VA |
| Manganeso, hierro (Fe2+/Fé3+), cromo (Cr6+), sílice (Si4+) | Valoración / Fotometría | |
| Amonio (NH4+) | ISE |
Análisis voltamperométrico (VA)
El análisis voltamperométrico es una técnica poderosa para cuantificar los niveles traza de metales pesados en las emisiones de los incineradores. Se necesita un método analítico sensible ya que las regulaciones ambientales para la liberación de estos contaminantes generalmente se expresan en niveles de µg/L (partes por mil millones, ppb). Al aprovechar los principios electroquímicos, la voltamperometría ofrece alta sensibilidad y selectividad, lo que permite la detección y cuantificación precisa de contaminantes.
Figure 5.
El analizador de procesos 2060 VA de Metrohm Process Analytics realiza análisis voltamperométricos totalmente automatizados en línea.
La voltamperometría funciona midiendo la corriente eléctrica producida por una muestra cuando se somete a un voltaje cambiante. Esto permite la detección y cuantificación de varios metales, aniones y cationes disueltos en solución.
En las centrales eléctricas y las instalaciones de incineración, la voltamperometría resulta inestimable para:
Optimización del depurador. VA ayuda a monitorear metales pesados como el plomo y el cadmio dentro del efluente del depurador, garantizando un rendimiento óptimo del depurador y evitando que estos contaminantes lleguen al medio ambiente.
Nota de aplicación: Análisis en línea de cadmio en depuradores de gases húmedos de plantas incineradoras
Análisis de agua de refrigeración. Los sistemas de agua de refrigeración son susceptibles a la corrosión y la contaminación por metales pesados. La voltamperometría facilita la detección de estos contaminantes, lo que permite tomar medidas preventivas y salvaguardar la integridad de la infraestructura crítica (por ejemplo, intercambiadores de calor, torres de enfriamiento y turbinas).
Eficacia del tratamiento de aguas residuales. Los efluentes de las centrales eléctricas requieren un tratamiento adecuado antes de su liberación. La voltamperometría ayuda a monitorear metales pesados como zinc, cadmio, mercurio y plomo en el flujo de aguas residuales, garantizando una eliminación eficiente y el cumplimiento de las regulaciones ambientales.
Valoración
Tradicionalmente, la valoración dependía de la recolección y análisis manual de muestras en un laboratorio, lo que introducía la posibilidad de error humano. Valoración en línea (Figura 6) revoluciona este proceso al ofrecer varios beneficios clave como los mencionados anteriormente.
Figure 6.
El analizador de procesos 2060 de Metrohm Process Analytics, configurado para realizar análisis fotométricos y de titulación en línea.
La titulación juega un papel vital en diversas aplicaciones dentro de las plantas de generación de energía e instalaciones de incineración de residuos, tales como:
Protegiendo activos. Monitoreo del amoniaco (NH3) La concentración de CO2 en el agua de refrigeración protege las tuberías, calderas y otros equipos costosos de la corrosión.
Nota de aplicación: Amoniaco en el agua de refrigeración de las centrales térmicas
Lucha contra la corrosión. La medición constante del «número m» (alcalinidad) del agua de refrigeración ayuda a prevenir la corrosión dentro del sistema.
Nota de aplicación: Generación de energía: análisis del número m (alcalinidad) en agua de refrigeración
Detección temprana de problemas. El análisis de ultratrazas de hierro y cobre en el agua de una central eléctrica proporciona señales de alerta temprana de posibles problemas de corrosión.
Nota de aplicación: Monitoreo de la corrosión en plantas de energía con análisis de procesos en línea: mediciones ultrarrápidas de trazas de hierro (Fe) y cobre (Cu)
Salud de la caldera. El monitoreo continuo de los niveles de sílice en el agua de alimentación de las calderas garantiza el buen funcionamiento de las calderas y evita costosos tiempos de inactividad.
Nota de aplicación: Análisis en línea de sílice en agua de alimentación de calderas de centrales eléctricas
Obtenga más información sobre los principios de la valoración en nuestra publicación de blog.
Figure 7.
El analizador de procesos 2060 IC de Metrohm Process Analytics es capaz de monitorear compuestos iónicos en medios acuosos desde ng/L hasta concentraciones.
Cromatografía iónica (IC)
La IC se destaca en la separación y cuantificación de iones en muestras acuosas. Cuando se utiliza en línea en plantas de energía, el IC es ideal para monitorear niveles traza de varios analitos, lo que ayuda con:
Control de corrosión. Los sistemas de agua de enfriamiento son susceptibles a la corrosión, lo que puede afectar negativamente la eficiencia de la planta y la seguridad del personal. Monitoreo en línea de la concentración de inhibidores de corrosión de cobre en agua de refrigeración con cromatografía iónica (Figura 7) permite un mantenimiento proactivo y evita daños costosos al equipo.
Nota de aplicación: Monitoreo en línea de inhibidores de corrosión de cobre en agua de refrigeración
Optimización de plantas de energía. El análisis de incluso niveles traza de aminas en el circuito de agua-vapor alcalino de las centrales eléctricas ayuda a optimizar el rendimiento del sistema y minimizar posibles problemas.
Nota de aplicación: Análisis de trazas en línea de aminas en el circuito alcalino de agua-vapor de centrales eléctricas
Resumen
- Las plantas de incineración de residuos son importantes para reducir el volumen de los vertederos y generar energía.
- La incineración de materiales de desecho libera componentes peligrosos como metales pesados, lluvia ácida, plomo y cadmio.
- Se utilizan depuradores y otras tecnologías para mitigar/limpiar las emisiones y las aguas (residuales) de las instalaciones de conversión de residuos en energía.
- Los analizadores de procesos (por ejemplo, que utilizan VA, valoración y/o IC) son herramientas analíticas importantes para generar datos en tiempo real vinculados al estado operativo de la planta de conversión de residuos en energía.
- El monitoreo en tiempo real facilita el cumplimiento y la adhesión a las regulaciones gubernamentales.
Referencias
[1] Diverting waste from landfill - Effectiveness of waste-management policies in the European Union — European Environment Agency. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-effectiveness-of-waste-management-policies-in-the-european-union (accessed 2024-05-01).
[2] Environment, U. N. Global Waste Management Outlook 2024. UNEP - UN Environment Programme. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (accessed 2024-04-24).
[3] Incinerator - an overview | ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (accessed 2024-04-23).
