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La Incineración de Lodo Procedente de la

Depuración de Aguas Residuales

Tratamiento de Aguas Residuales y Explotación de Depuradoras

- 2015 -

CEDEX 2015

1. La combustión de lodo deshidratado 2. Recuperación energética. El ciclo de vapor 3. Depuración de humos 4. Control de emisiones a la atmósfera 5. Esquema general de proceso 6. Instrumentación y control

7. Instalaciones auxiliares

8. Gestión y reciclaje de la ceniza

9. Normativa

10.Operación y costos de explotación

La Incineración de Lodo Procedente de la Depuración de Aguas Residuales

Sumario

CEDEX 2015

1. Combustión de lodo deshidratado

1.1. La combustión

1.2. El lodo deshidratado

1.3. El gas natural

1.4. Balance energético

1.5. Tipos de hornos

• Hornos de lechos múltiples

• Horno de lecho fluidificado

• Ventajas del horno de lecho fluidificado


Sumario CEDEX 2015

Combustión : liberación controlada de calor debida a una reacción

química entre un combustible y un comburente provocada por una

fuente de calor

Combustible : sustancia que libera energía cuando cambia su estructura

química

Comburente : sustancia que participa en la combustión oxidando el

combustible

En la incineración de lodo :

• Combustible : materia volátil del lodo y gas natural en su caso

• Comburente : el oxígeno del aire


Combustión CEDEX 2015

• Poder calorífico inferior (PCI) : depende del contenido de sólidos

volátiles y de la humedad

PCI (kcal/kg) = % MO /100 x % MS / 100 x PC (MO) - %H2O / 100 x600

Siendo: % MO porcentaje de sólidos volátiles ( materia orgánica)

% MS porcentaje de materia seca

PC (MO) : poder calorífico de los sólidos volátiles ( kcal/ kg)

4500 kcal / kg < PC ( MO ) < 5500 kcal / kg

400 kcal/ kg < PCI( Lodo ) < 900 kcal / kg

• Autotermicidad : la energía liberada por la materia orgánica

compensa la energía necesaria para vaporizar el agua


Lodo deshidratado CEDEX 2015

• Análisis inmediato

• Humedad : cantidad de agua que tiene el lodo

• Sólidos inertes : producción de ceniza

• Sólidos volátiles : se transforman en gas ; poder calorífico

• Carbono fijo: carbono que se puede quemar

• Análisis elemental

• Carbono e hidrógeno : poder calorífico

• Nitrógeno : inerte

• Azufre : poder calorífico , corrosión y contaminación (SO2)

• Cloro : corrosión y contaminación (ClH)

• Oxígeno : disminuye el poder calorífico

Permite calcular el poder calorífico de los volátiles del lodo:

PC(MO)(kcal/kg) = 8.050 x C +34.395 x H2 + 2.508 x S



Contenido de metales

Depende del origen del agua residual

Destino de los metales : ceniza y gases de combustión



Elemento Valor mínimo

(mg/kgMS)

Valor máximo

(mg / kg MS)

Potasio 600 9.000

Calcio 11.000 96.000

Magnesio 600 9.000

Cromo 30 1.900

Cobre 14 300

Plomo 40 1.700

Zinc 500 7.000

Níquel 10 400

Mercurio 0,5 4

Apoyo a la combustión : aporte complementario de calorías

Composición

PCI ( gas natural) = 11.400 kcal / kg

PCI ( lodo) = 400 - 900 kcal / kg


El Gas Natural CEDEX 2015

Hidrocarburo Composición

Química

Rango ( % )

Metano CH4 80 -95

Etano C2H6 2 – 12

Dióxido de carbono CO2 0 - 2

Propano C3H8 0 – 2

Nitrógeno N 0 -1

Calorías que se incorporan al proceso = calorías que salen del mismo


Balance energético CEDEX 2015

Entradas de calor Porcentaje

Lodo

Gas

Aire de fluidificación

Agua del lodo

Materia seca del lodo

80 – 86

12 – 0 (Autotérmico)

6 – 13

1 – 0,5

0,1

TOTAL 100

Salidas de calor

Humos ( 860 ºC )

Ceniza

Pérdidas

96 – 95

1,5 – 2

2 – 3,5

TOTAL 100


Horno de lechos múltiples CEDEX 2015

Zonas del horno:

• Postcombustión : parte superior

• Secado : evaporación de la mayor parte del agua; T ª : 315 ºC – 480 ºC

• Combustión : pisos centrales ; Tª : 750 ºC – 950 ºC

• Combustión del carbono fijo : se oxida a CO2

• Enfriamiento : próxima a la entrada del aire de combustión

Se opera con un exceso de aire del 100 %-125%

Puede disponer de quemadores a diferentes alturas

Otros equipos: alimentación de lodo , alimentación de combustible

adicional, inyección de aire de combustión , aire auxiliar y aire de

refrigeración y accionamiento del eje central y brazos


Horno de lechos múltiples CEDEX 2015


Horno de lecho fluidificado CEDEX 2015

Principio de funcionamiento

La arena se expansiona quedando en suspensión debido al aire de

fluidificación .

Velocidad del aire 0,7 m/sg

En esta masa de arena se introduce el lodo



BOMBA

Maquina

de

carga

Gas

Natural

HORNO

SILO DE FANGOS

Aire a

lanzas

VENTILADOR

DE COLA

CHIMENEA

SILENCIADOR

ANALIZADORES

Aire de

fluidificación

VENTILADOR

FLUIDIFICACIÓN

Intercambiado

r o calentador


El horno de lecho fluidificado CEDEX 2015

VENTILADOR

FLUIDIFICACIÓN



Gas

Natural

•HORNO 1

Gas

Natural

•HORNO

3

Aire

Aire

Gas

Natural

Aire

Gases

Gases

•HORNO

2

BOMBA

Maquina

de

carga

Gas

Natural

HORNO

SILO DE FANGOS

Aire a

lanzas

VENTILADOR

DE COLA

CHIMENEA

SILENCIADOR

ANALIZADORES

Aire de

fluidificación

VENTILADOR

FLUIDIFICACIÓN

Intercambiado

r o calentador


El horno de lecho fluidificado CEDEX 2015

• Los gases de combustión tienen que estar durante

más de 2 segundos a una temperatura mayor de

850oC

• El contenido de COT en la ceniza < 3%

• Exceso de oxigeno en la combustión (> 6 % en el

humo)

• La mayor parte de le energía la aporta la materia

volátil del lodo

• El proceso se desarrolla en depresión

Ventajas del horno de lecho fluidificado :

• Flexibilidad para adaptarse a las variaciones en las características del

lodo

• Menor consumo de combustible auxiliar

• Alta eficiencia de la combustión

• Automatización y control mas sencillo

• Costos de mantenimiento menores

• Menor formación de Nox

• Mas adecuado para funcionamiento intermitente.



2. Recuperación energética. El ciclo de vapor

2.1. Descripción del proceso

2.2. Conceptos de termodinámica

2.3. Descripción general del ciclo agua-vapor

2.4. Descripción de los equipos principales


CEDEX 2015

ECONOMIZADOR

CALDERA

Agua

desionizada 105ºC

250ºC

250ºC

350ºC

CONDENSADOR

300ºC

400ºC

AEROCONDENSADOR

DESGASIFICADOR

TURBINA A

DRUMP

Línea de vapor

Recuperación de energía


CEDEX 2015



• Diagrama de Mollier

CEDEX 2015

ECONOMIZADOR

CALDERA

Agua

desionizada 105ºC

250ºC

250ºC

350ºC

CONDENSADOR

300ºC

400ºC

AEROCONDENSADOR

DESGASIFICADOR

TURBINA A

DRUMP


Línea de vapor


CEDEX 2015

Caldera

• Economizador

• Calderín

• Evaporador

• Sobrecalentador

• Sistema de soplado

• Recogida de ceniza

Vapor a 420 ªC y 40 bares

Humo : T entrada 850ºC

T salida 200 ºC

ECONOMIZADOR

CALDERA

Agua

desionizada 105ºC

250ºC

250ºC

350ºC

CONDENSADOR

300ºC

400ºC

AEROCONDENSADOR

DESGASIFICADOR

TURBINA A

DRUMP


Línea de vapor


CEDEX 2015

Aerocondensador

• Condensa el vapor en el caso

de una parada de la turbina

• 2 Etapas: condensación y

subenfriamiento

• Condensado a desgasificador

• Refrigeración por aire o por

agua

• Diseño :

•Para 1,25 Q vapor

•Vapor a 420ºC y 40 bar

ECONOMIZADOR

CALDERA

Agua

desionizada 105ºC

250ºC

250ºC

350ºC

CONDENSADOR

300ºC

400ºC

AEROCONDENSADOR

DESGASIFICADOR

TURBINA A

DRUMP


Línea de vapor


CEDEX 2015

Desgasificador

• Para la eliminación de O2 y CO2

que producen corrosión

• Agua a la temperatura de

saturación

• Emisión de incondensables

(O2, CO2 otros )y una pequeña

cantidad de vapor

• Oxígeno residual : 7ppb

• CO2 residual : 0 ppb

• Alimentación de agua a la

caldera mediante bombas

multietapa

• Tª salida del agua de

alimentación : 105 ºC

ECONOMIZADOR

CALDERA

Agua

desionizada 105ºC

250ºC

250ºC

350ºC

CONDENSADOR

300ºC

400ºC

AEROCONDENSADOR

DESGASIFICADOR

TURBINA A

DRUMP


Línea de vapor


CEDEX 2015

Turbina

• Transforma la energía de un flujo

de vapor en energía mecánica a

través de un intercambio de

cantidad de movimiento entre el

fluido (vapor) y el rodete

• Tres partes principales :

•Cuerpo del rotor

•Carcasa

•Alabes

• Válvula de regulación del caudal

de vapor: control de la velocidad

y la carga

ECONOMIZADOR

CALDERA

Agua

desionizada 105ºC

250ºC

250ºC

350ºC

CONDENSADOR

300ºC

400ºC

AEROCONDENSADOR

DESGASIFICADOR

TURBINA A

DRUMP

Línea de vapor


Línea de vapor


CEDEX 2015

Condensador del vapor de la turbina

• Intercambiador térmico en el que

el vapor cambia de fase gaseosa

a líquida cediendo calor al

elemento de refrigeración

• Razones para condensar el

vapor

•Se reduce la presión a la

salida de la turbina > salto de

presión mayor > mayor

rendimiento

•Se aprovecha el vapor

cerrando el ciclo del agua

•El incremento de presión

posterior se realiza mediante

una bomba hidráulica lo que

reduce el consumo energético

3. Depuración de humos

3.1. 1ª Etapa. Depuración por vía seca. Electrofiltro

3.2. 2ª Etapa. Lavado por vía húmeda

3.3. 3ª Etapa. Depuración por vía seca: Filtros de mangas

3.4. Eliminación de NOx

3.5. Rendimientos


CEDEX 2015

SILO

a depuración

Agua

clarificada

CONDENSADOR

A

ELECTROFILTRO

REACTOR

Carbón activado

Cal

micronizada

FILTRO DE

MANGAS

INTERCAMBIADOR

VAPOR

150ºC

110ºC

INTERCAMBIADOR

DE HUMOS

LAVADO VÍA

HÚMEDA Na

OH

55ºC

190º

C

130º

C

70ºC

Depuración de humos

Inyección de agua amoniacal

• Eliminación de los compuestos nitrogenados que se

producen por la oxidación del nitrógeno del aire y del

lodo

•Se inyecta en la cuba del horno

NH4OH


CEDEX 2015

SILO

a depuración

Agua

clarificada

CONDENSADOR

A

ELECTROFILTRO

REACTOR

Carbón activado

Cal

micronizada

FILTRO DE

MANGAS

INTERCAMBIADOR

VAPOR

150ºC

110ºC

INTERCAMBIADOR

DE HUMOS

LAVADO VÍA

HÚMEDA Na

OH

55ºC

190º

C

130º

C

70ºC


Electrofiltro

Retiene la mayor parte de las partículas de ceniza

•Elementos :

• Conjunto de placas y electrodos cargados

eléctricamente a los que se adhieren las

partículas situados en el interior de una

carcasa

• Dispositivos de golpeo para desprender la

ceniza

• Tolvas de recogida y sistema de

evacuación

NH4OH


CEDEX 2015

SILO

a depuración

Agua

clarificada

CONDENSADOR

A

ELECTROFILTRO

REACTOR

Carbón activado

Cal

micronizada

FILTRO DE

MANGAS

INTERCAMBIADOR

VAPOR

150ºC

110ºC

INTERCAMBIADOR

DE HUMOS

LAVADO VÍA

HÚMEDA Na

OH

55ºC

190º

C

130º

C

70ºC


Lavado de humos

•Neutralización de los gases ácidos ( ClH, SO2, FH) con

hidróxido sódico disuelto en agua

•Recirculación de la solución de lavado

•Purga de la solución agotada con alto contenido de

sales

•Separador de gotas y condensador en la salida para

retener el agua

NH4OH


CEDEX 2015

SILO

a depuración

Agua

clarificada

CONDENSADOR

A

ELECTROFILTRO

REACTOR

Carbón activado

Cal

micronizada

FILTRO DE

MANGAS

INTERCAMBIADOR

VAPOR

150ºC

110ºC

INTERCAMBIADOR

DE HUMOS

LAVADO VÍA

HÚMEDA Na

OH

55ºC

190º

C

130º

C

70ºC


Filtro de mangas

Eliminación de compuestos ácidos, metales , mercurio

, VOCs , dioxinas y furanos

•Reactor para mezcla de aditivos químicos: cal

micronizada y carbón activo.

•Recirculación de los reactivos desde la salida de la

ceniza.

•Calentamiento del humo a la entrada del reactor hasta

150 ºC

NH4OH


CEDEX 2015

SILO

a depuración

Agua

clarificada

CONDENSADOR

A

ELECTROFILTRO

REACTOR

Carbón activado

Cal

micronizada

FILTRO DE

MANGAS

INTERCAMBIADOR

VAPOR

150ºC

110ºC

INTERCAMBIADOR

DE HUMOS

LAVADO VÍA

HÚMEDA Na

OH

55ºC

190º

C

130º

C

70ºC


Rendimiento de diseño

Contaminante Salida

Horno Electrofíltro

Lavado

NaOH

Filtro de

Mangas

Límites

A.A.I.

Partículas (mg/Nm3) 25.000 30 < 10 3 10

CIH (mg/Nm3) 440 440 < 10 5 10

SO2 (mg/Nm3) 1.100 1.100 < 50 15 50

FH (mg/Nm3) 12 12 < 1 1 1

Nox (mg/Nm3) * < 200 <200 < 200 70 200

NH4OH


CEDEX 2015

4. Control de emisiones a la atmósfera

4.1. Límites de elementos contaminantes

4.2. Instrumentación


CEDEX 2015


Límites de elementos contaminantes CEDEX 2015

Contaminante Valor diario

(mg/ Nm3)

Semihorario (mg/Nm3)

100 % A 97 % B

Partículas totales

COT

ClH

FH

SO2

NOx

10

10

10

1

50

200

30

20

60

4

200

400

10

10

10

2

50

200

Contaminante Valor diario (mg/Nm3)

Cd+Ti

Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V

Dioxinas y Furanos (ng/Nm3)

Hg

0,05

0,5

0,1

0,05

Contaminante Valor diario (mg/Nm3) V. horario(mg/Nm3)

CO

NH3

50

30

100

Control de emisiones 2013

Parámetro Horno 1 Horno 2 Límite (1)

COT (mg/Nm3) 2 3 10 (1)

FH (mg/Nm3) <0,01 <0,02 2 (1)

CIH (mg/Mn3) <2 <2 10 (1)

NOx (mg/Nm3) 48 113 200 (1)

CO (mg/Mn3) 6 13 50

Partículas sólidas (mg/Mn3) <1 <1 10 (1)

SO2(mg/Mn3) <3 <3 50 (1)

Cd+T (mg/Nm3) <0,012 <0,012 0,05

Hg (mg/Nm3) <0,018 <0,003 0,5

Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V (mg/Nm3)

Dioxinas y furanos (ng/Nm3)

NH3 (mg/Nm3)

66

0,004

5,37

0,05

0,002

2,7

0,5

0,1

30

(1) Valores no superados por el 97% de los valores semihorarios a lo largo del año


Limites de emisiones

CEDEX 2015

• De acuerdo con el R.D. 815/2013 de 18 de octubre

• Analizadores en continuo de: partículas, CO, COV, O2, NO,

NO2, ClH, SO2, FH, H2O, NH3, Hg caudal, presión y

temperatura

• Equipo principal y redundante

• Conexión con el Centro de Control de Calidad del Aire de

la Administración competente.

• Análisis trimestrales por OCA de: metales, dioxinas y

furanos

• Análisis Anual de COV, Co Nox, ClH, SO2, FH, NH3

CONTROL DE EMISIONES


Control de emisiones

CEDEX 2015

5. Esquema general de proceso


CEDEX 2015

Esquema

BOMBA

Maquina

de

carga

Gas

Natural

Aire de

fluidificación

HORNO

VENTILADOR

DE COLA

CHIMENEA

ELECTROFILTRO

SILO

CENIZAS

Aire a

lanzas

SILO DE

FANGOS

200 m3

SILO

Carbón activado

Cal

micronizada

a depuración

VENTILADOR

FLUIDIFICACIÓN

NH4OH

Intercambiador

o calentador

PRECALDERA

Agua

desionizada

SILENCIADOR

FILTRO DE

MANGAS

ANALIZADORES

Agua

clarificada

REACTOR ECONOMIZADOR

CALDERA

DESGASIFICADOR

INTERCAMBIADOR

DE HUMOS

INTERCAMBIADOR

VAPOR

LAVADO VÍA

HÚMEDA Na

OH

CONDENSADOR

CONDENSADOR

DRUMP


CEDEX 2015

6. Instrumentación y control


CEDEX 2015

• Caudalímetros

• Sondas de presión

• Sondas de temperatura

• Analizadores de humos

INSTRUMENTACIÓN

• Recibe los datos de la instrumentación

• Regula inyección de gas y aire

• Actúa sobre los mecanismos que intervienen en el proceso

• Provoca la parada del horno por:

• Seguridad de la instalación

• Emisiones fuera límites

AUTOMATISMO


Instrumentación y control CEDEX 2015

7. Instalaciones auxiliares

7.1. Transporte y almacenamiento de lodo

7.2. Alimentación de gas natural

7.3. Transporte y almacenamiento de ceniza

7.4. Instalación de aire comprimido


CEDEX 2015

Transporte y almacenamiento del lodo

• Transporte : cintas o bombas de pistones

• Almacenamiento : silos

Alimentación de gas natural

• A los quemadores para arranque y a las lanzas

Transporte y almacenamiento de la ceniza

• Transporte : vía neumática

• Almacenamiento : en silos con zona de carga

Almacenamiento y dosificación de reactivos

• Sosa : almacenamiento en sala calefactada donde se realiza la

dilución. Alimentación por bombas

• Agua amoniacal: depósito de almacenamiento y bombas de

alimentación


Instalaciones auxiliares CEDEX 2015

8. Gestión y reciclaje de la ceniza

8.1. Fabricación de cemento

8.2. Elaboración de aglomerado asfáltico para

firmes de carretera

8.3. Fabricación de prefabricados de hormigón

1.5. Tipos de hornos


CEDEX 2015

• Fabricación de cemento

• Fabricación de mezclas asfálticas

- Filler en mezclas bituminosas

- Conglomerante en bases grava-ceniza-cal

• Elaboración de hormigón de baja resistencia

Reducción de materias primas minerales

Fijación de los metales pesados

Ventajas


Gestión de la ceniza

CEDEX 2015

9. Normativa


CEDEX 2015

Real Decreto 815/2013 de 18 de octubre por el que se aprueba el

Reglamento de emisiones industriales y de desarrollo de la Ley

16/2012 de 1 de julio de prevención y control integrado de la

contaminación.

Tiene por objeto establecer las medidas a las que deben ajustarse las

instalaciones de incineración y coincineración de residuos con la

finalidad de impedir o limitar los riesgos para la salud humana y los

efectos negativos sobre el medio ambiente de estas actividades

Se establecen:

• Condiciones de funcionamiento

• Limites de emisiones


Normativa CEDEX 2015

10. Operación y gastos de explotación


CEDEX 2015

Proceso de

Valorización

Gas Lodo

Energía

eléctrica

Arena

Reactivos

calderas

Agua

amoniacal

Hidróxido

sódico Carbón

activo

Cal

micronizada

Ceniza

Energía

eléctrica

Gases de

combustión


Consumos y producción

CEDEX 2015

Proceso de

Valorización

Gas Lodo Energía

eléctrica

Arena

Reactivos

calderas

Agua

amoniacal

Hidróxido

sódico Carbón

activo

Cal

micronizada

Ceniza

Energía

eléctrica

Gases de

combustión

Consumos 2014



CEDEX 2015

Elemento Cantidad

• Horno 1 Horno 2 Total

•Lodo (Tn) 19.811 44.178 63.989

•Gas ( Nm3) 642.222 967.877 1.610.100

•Energia eléctrica (kwh) • - • - 6.734.072

•Arena (Tn) • - • - 110,1

•Agua amoniacal (Tn) • - • - 165,8

•Hidróxido sódico (Tn) • - • - 536,5

•Carbón activo (Tn) • - • - 1

•Cal micronizada (Tn) • - • - 24,6

•Reactivos de calderas

(Tn) • - • - 3,9

Proceso de

Valorización

Gas Lodo Energía

eléctrica

Arena

Reactivos

calderas

Agua

amoniacal

Hidróxido

sódico Carbón

activo

Cal

micronizada

Ceniza

Energía

eléctrica

Gases de

combustión

Producción 2014



CEDEX 2015

Producto Cantidad

Horno 1 Horno 2 Total

•Energía eléctrica (kwh) 2.278.519 4.897.670 7.176.189

•Ceniza (Tn) • • 4.093

•Gases de combustión • - • - •

•Volumen (Nm3) • - • - •

•NOx (Tn) 3,07 6,24 9,31

Costos Fijos (€/Tn L.D.) Costos Variables (€/Tn L.D.)

Costo Total …. 48,87 €/Tn Ld


Costos Año 2014

CEDEX 2015

• Operación 8,97

• Mantenimiento 18,74

• Conservación 0,40

• Control de procesos 4,35

32,46

• Gas Natural 12,85

• Energía eléctrica

suministrada 9,10

• Energía eléctrica

generada (9,70)

• Reactivos 2,62

• Gestión de la ceniza 1,54

16,41

Costo Total …. 48,87 €/Tn Ld


Costos Año 2014

CEDEX 2015

•Energía

•9,70 €/Tn LD Mantenimiento

18,74 €/Tn LD

Conservación

0,40 €/Tn LD

Operación

8,97 €/Tn LD

•Reactivos

•2,62 €/Tn LD

•Gestión de la ceniza

•1,54 €/Tn LD

Control de procesos

4,35 €/Tn LD


Horno nº 1 EDAR Galindo

CEDEX 2015

Filtro de

mangas

Analizadores

Caldera

Horno Silo

La Incineración de Lodo Procedente de la

Depuración de Aguas Residuales

Tratamiento de Aguas Residuales y Explotación de Depuradoras

- 2015-

José Mª Villanueva del Casal

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