Archivo para julio, 2012


Se define como el proceso exotérmico de oxidación completa de la materia de alta temperatura para convertirla en gas (principalmente vapor de agua y dióxido de carbono) y cenizas, además de calor. El comburente utilizado es generalmente aire. Es el proceso térmica más extendido para el procesado de residuos sólidos urbanos, y existen numerosas tecnologías para la incineración de residuos. Éstas pueden ser divididas genéricamente en dos grandes grupos:

  • Hogares de parrilla: horizontal o inclinada, fijas y móviles.
  • Hogares de lecho fluidizado: circulante, burbujeante o rotativo.

 

El funcionamiento de una planta incineradora con tecnología de parrilla de rodillos móviles se muestra en la ilustración. El diagrama muestra una incineradora de parrilla, en la que los residuos sólidos urbanos son introducidos en el horno a través de una tolva de alimentación mediante un pulpo. En el hogar se lleva a cabo el proceso de secado y combustión de los residuos, así mismo, el flujo de los mismos se logra mediante la utilización de un sistema de rodillos móviles inclinados, que además permiten remover y mezclar los RSU a fin de asegurar una combustión completa y homogénea.

Las cenizas resultantes de este proceso son recogidas y tratadas. El comburente empleado en la combustión es generalmente aire, el cual es introducido en el horno a través de los rodillos. Los gases resultantes de la combustión son posteriormente dirigidos a la caldera de recuperación con el fin de generar energía por medio de un ciclo de Rankine. Por último, antes de su emisión a la atmósfera deben ser sometidos a un proceso de limpieza mediante absorbedores y filtros con el fin de cumplir las restricciones en materia medioambiental.

Los hornos con tecnología de lecho fluidizado, en lugar de un sistema de parrilla, poseen un sustrato de arena refractaria que se mantiene en constante agitación gracias a un sistema de inyección de aire. Estos hornos están equipados con quemadores auxiliares que elevan la temperatura del lecho, mientras que los residuos son depositados en la parte superior del mismo, o bien inyectados desde la parte inferior. La fluidificación tiene lugar cuando la caída de presión del aire que atraviesa el lecho iguala el peso por unidad de sección transversal del mismo. La velocidad del aire a la que esto sucede se denomina velocidad de fluidificación mínima. Incrementar la velocidad por encima de este punto permite que el lecho se expansione permitiendo el burbujeo del mismo. A aproximadamente el doble de la velocidad de fluidificación mínima el lecho se comporta de forma similar a un líquido en ebullición, siendo este punto la región de funcionamiento habitual de los incineradores convencionales de lecho fluido burbujeante. Los hornos de lecho fluido circulante operan a velocidades de inyección de aire muy superiores (en torno a 20 veces la velocidad mínima de fluidificación) lo que genera una mayor turbulencia y arrastre de materiales del lecho posteriormente recuperados en un multiciclón.

De forma similar a las plantas con tecnología de parrilla, los gases son posteriormente enviados a una caldera para la generación de vapor. Los sistemas de limpieza de gases son esencialmente similares en ambas tecnologías. A continuación se muestran de forma esquemática ambos tipos de hornos.

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La gasificación es un proceso consistente en la conversión de materia sólida o líquida en gas mediante una oxidación parcial con aplicación de calor, como se muestra esquemáticamente en la figura. La oxidación parcial se obtiene restringiendo el suministro del agente oxidante, generalmente aire. En el caso de que la materia a tratar sean residuos sólidos urbanos, compuestos en su mayoría por materia orgánica, el gas resultante del proceso de gasificación estará formado por una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, metano, agua, nitrógeno y pequeñas cantidades de hidrocarburos. Este gas generalmente tiene un reducido poder calorífico, del orden de 4 a 10 MJ/Nm3. Posteriormente, el gas puede ser empleado para generar energía en calderas, motores y turbinas.

Aunque el agente oxidante empleado en este proceso generalmente es aire, también puede emplearse oxígeno, en cuyo caso el gas resultante, conocido como gas de síntesis, tendrá un poder calorífico mayor (10 – 15 MJ/Nm3). En cualquier caso, el gas obtenido de la gasificación de RSU necesitará de un postratamiento para su adecuación como combustible.


Es un proceso consistente en la degradación térmica de los residuos en ausencia de agente oxidante. Este proceso se lleva a cabo en un rango de temperaturas comprendido entre 400 – 800 °C.

Cuando se aplica al tratamiento de RSU, la acción del calor descompone moléculas complejas en otras más simples, obteniendo como productos finales una sustancia sólida carbonosa (char), líquido y gas. Las proporciones relativas de los mismos dependerán de la temperatura  a la que sean expuertos, el tiempo de exposición y la propia naturaleza de los residuos a tratar. Una exposición prolongada a temperaturas moderadas maximizará la producción de char, mientras que la pirólisis “flash” proporcionará un producto líquido en torno al 80% en peso.

La pirólisis “flash” requiere una corta exposición, en torno a un segundo, a altas temperaturas (900 – 1000 °C). El gas obtenido en estos procesos tienen un poder calorífico entre 15 y 20 MJ/Nm3 y se emplea para la producción de energía, existiendo dos alternativas:

  • Mediante la combustión del gas y posterior aprovechamiento de los gases en un intercambiador para generar vapor, empleado para producir energía en un conjunto turbina alternador.
  • Mediante el refino del gas para su empleo como combustible en una turbina de gas para la producción de electricidad.


Este proceso consiste en el tratamiento biológico de los residuos orgánicos biodegradables en ausencia de oxígeno, utilizando la actividad microbiana para la descomposición de los residuos en un ambiente controlado. Como resultado de este proceso se obtiene biogás, rico en metano utilizado para la generación de energía, y un producto de la digestión, potencialmente utilizable como enmienda del suelo por su alto contenido en nutrientes. La utilización de esta tecnología para el tratamiento de residuos

sólidos urbanos debe incluir un pretratamiento, en el cual se separa la parte orgánica biodegradable del resto de residuos. Posteriormente se adecua el tamaño de partícula de los residuos para favorecer el proceso de digestión.
Éste proceso se lleva a cabo en el digestor, un contenedor sellado sin presencia de oxígeno. Existen dos tipos de digestión anaerobia:

  • Mesofílica: En la cual los residuos permanecen en el digestor durante 15 – 30 días a una temperatura de aproximadamente 30 – 35 °C.
  • Termofílica: en la cual los residuos permanecen menos tiempo (12 – 14 días) a una temperatura de 55 °C.

La digestión mesofílica tiene a ser un proceso más robusto y económico, mientras que la termofílica proporciona mayor cantidad de metano, así como una mayor eliminación de agentes patógenos.

La utilización de la digestión anaerobia para el tratamiento de residuos sólidos urbanos suele ir asociada a plantas de reciclaje, para el tratamiento de la materia orgánica separada en éstas últimas.

El empleo de la digestión anaerobia para el tratamiento de RSU (Residuos Sólidos Urbanos) sin selección previa presenta dificultades técnicas y económicas que han impedido su desarrollo.


El compostaje es un proceso biológico, aeróbico y termófilo de descomposición de residuos orgánicos bajo condiciones controladas que transforma los residuos orgánicos biodegradables en un producto conocido como compost aplicable a los suelos como abono. Éste proceso puede llevarse a cabo mediante:

  • Sistemas abiertos: es el método más generalizado y consiste en la creación de pilas (agrupaciones de residuos en montones de aproximadamente 3 metros de altura y sin limitación en cuanto a su longitud). Durante la etapa del compostaje activo, es necesario garantizar una correcta aireación de los residuos, lo cual se puede llevar a cabo mediante volteo, o bien por medio de ventiladores. Una vez alcanzada la estabilización de los residuos (así como la eliminación de agentes patógenos) el producto puede ser tratado mecánicamente para adecuar el tamaño de partícula a su uso final o bien mezclado con otras sustancias.
  • Sistemas cerrados: en este caso el proceso de compostaje se lleva a cabo en reactores o digestores, que permiten un control mas adecuado de las variables físicas del proceso tales como temperatura, pH, oxígeno y humedad. Posteriormente el compost se somete a un proceso de maduración en pilas del tipo anteriormente descrito.

La incineración es un proceso térmico de tratamiento de RSU recogido dentro del marco de gestión integral de residuos sólidos, por ejemplo, en Madria – España lo es bajo la Directiva Comunitaria 75/442/CE. Esta tecnología aporta una serie de ventajas:

  • Reducción en peso y volumen (95 %) de los residuos.
  • Protección del medio ambiente (fiabilidad de las instalaciones de depuración de gases y alta calidad de combustión).
  • Alta disponibilidad y fiabilidad.
  • Valorización energética de los residuos.
  • Disminución de la necesidad de vertederos.
  • Valorización de escorias y cenizas.

El proyecto consiste en el estudio y dimensionamiento de una planta incinedora de residuos sólidos urbanos, con tecnología de parrilla y recuperación energética. La motivación de este estudio radica en el previsible aumento del empleo de la incineración para el tratamiento de residuos en los próximos años; se preveé un aumento del empleo de la valorización energética en detrimento del vertido.

La planta proyectada está dimensionada para dar servicio a una población de 300 000 habitantes, con una capacidad de incineración anual de 180 288 toneladas. Por razones de versatilidad, se  ha dotado a la planta con dos líneas de incineración, cada una de ellas con capacidad para procesar 12 t/h.

La tecnología escogida para el horno es la de parrilla de rodillos, por su capacidad para incinerar el residuo en bruto según llega a la planta, sin necesidad de tratamiento previo. El PCI de diseño, según el análisis de diferentes muestras de residuos, es de 1798 kcal/kg, por lo que la carga térmica de diseño de hornos se ha establecido en 25 MW, admitiéndose un rango de operación entre el 110% y el 60% del punto de diseño. La configuración adoptada para el hogar, así como para los sistemas de inyección de aire primario y secundario, permite la obtención de una combustión de alta calidad materializada en un bajo porcentaje de inquemados, y en la garantía de un tiempo de residencia de los gases de combustión de al menos dos segundos a temperaturas superiores a 850 °C para la destrucción de las dioxinas y furanos. Así mismo, el horno contará con un sistema de inyección de amoniaco para la desnitrificación de los gases.

Adjunto al horno de incineración se dispondrá un sistema de recogida y valorización de escorias.

El sistema de recuperación energética consistirá en una caldera de circulación natural y tiro horizontal para la generación de vapor, que formará una unidad con el hogar de parrilla para optimizar el aprovechamiento del calor. Las condiciones del vapor están limitadas a 420 °C y 40 bar, para prolongar la durabilidad de las superficies calefactoras y reducir el riesgo de corrosión inherente a la naturaleza agresiva de los gases de combustión. La producción de vapor estimada es de aproximadamente 53 t/h. La potencia generada prevista en el grupo turboalternador es de 12.5 MW, entregándose a la red 10.6 MW después de descontar la parte destinada a autoconsumo.

La planta contará con un sistema de tratamiento de gases, de forma que cumpla con las restricciones sobre emisiones recogidas por la normativa española y europea. Este sistema consistirá en un proceso de depuración semiseco, con inyección de lechada de cal y carbón activo, para la eliminación de los gases ácidos, metales pesados, y compuestos orgánicos (dioxinas y furanos), además de un filtro de mangas para la retención de partículas volantes. Se dispondrá de un sistema de medición y monitorización continuo de los diferentes parámetros de emisión para la verificación del proceso de depuración.

Con el fin de controlar la operación de la planta, ésta contará con un sistema de control automatizado, que regulará los diferentes parámetros de operación en función de los posibles cambios en la naturaleza o cantidad, del flujo de residuos de alimentación.

El presupuesto total, incluyendo el diseño, construcción y puesta en funcionamiento de la planta asciende a setenta y ocho millones ciento ochenta y seis mil euros (78.186.000 euros).  Considerando una vida útil de 25 años, se prevé un Pay-back de 11 años con un TIR del 8.12%, siendo el rendimiento contable de 1.52, por lo demás, el proyecto propuesto es interesante desde la perspectiva económica.

Reportado en:

Alejandro Fernández Martínez. “Planta de Incineración de Residuos Sólidos Urbanos con Tecnología de Parrilla y Recuperación Energética”. Proyecto Fin de Carrera. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad Pontificia Comillas. Madrid, España. 2007.


Cuando se realiza la evaluación de las carácterísticas operativas de un generador de vapor que quema combustible heterogéneo, como basuras o desechos sólidos urbanos, no es posible obtener una muestra representativa del combustible, ya que la composición de las basuras puede varias mucho. Para el diseño de calderas que las queman, los datos se concentran en el análisis elemental del combustible promedio y en la variación de los componentes, humedad y ceniza; los cálculos de diseño son los mismos que los de calderas que queman combustibles homogéneos.

Cuando se quema un combustible heterogéneo, para evaluar sus características medias y determinar el rendimiento de la caldera, la práctica industrial más generalizada consiste en considerar la caldera como un calorímetro. Para calcular el rendimiento de la unidad, el método emplea los mismos principios que los utilizados cuando se analiza el combustible; la diferencia radica en que el régimen del flujo y el contenido en humedad de los mismos se miden directamente, basándose en el análisis del combustible y en la medida del O2 presente en los humos.

Otras medidas adicionales que se requieren respecto a métodos convencionales, son:

  • Flujo de humos y humedad presente en los mismos.
  • O2 y CO2 en los humos.
  • Régimen de flujo de residuos en los principales puntos de extracción.

Para hacer el ensaye se calculan el exceso de aire, el peso de los humos secos y el agua evporada procedente del combustible, se determinan:

  • El peso de los humos húmedos y su contenido de humedad.
  • El peso de los humos secos que se calcula como diferencia entre las dos cifras anteriores.

La composición de los humos se determina midiendo el O2 y CO2. EL nitrógeno N2a = 100 – (O2 + CO2). El N2(humos) = N2a, con un peso molecular de 28.16 lb/mol. El N2(combust) se desprecia, porque los quemadores de basura siempre operan con un exceso de aire elevado.

La humedad global presente en los humos puede proceder de vapor o de líquidos:

  • Los procedente de vapores se debe:
    • A la humedad del aire.
    • Al vapor de atomización.
    • Al vapor de sopladores.
  • Los procedente de líquidos se debe a:
    • La presente en el combustible.
    • La que se forma por la combustión del H2 del combustible.
    • La que se genera por el agua de apagado de los residuos o cenizas.
    • La relativa a los rociadores existentes en el foso de combustible.

La humedad del aire y la procedente de otras fuentes de vapor se tiene que medir, ya que las pérdidas de rendimiento por calor sensible se deben separar de las pérdidas por agua evaporada, que es la humedad total presente en los humos, menos la debida a fuentes de vapores.

El gasto de aire seco se calcula por medio del N2(humos). El aire exceso se determina con el O2. El aire teórico = aire_total – aire_exceso. El % aire exceso se calcula con los flujos gravimétricos de aire_exceso y aire_teórico.


Ley de conservación de la masa.- Establece que la materia no se crea ni se destruye, por lo que puede hacer un balance de masa, entre la suma de los componentes entrantes y salientes para un proceso determinado, Si x kg de combustible se combinan con y kg de aire, siempre resultan (x+y) kg de productos formados.

Ley de Conservación de la energía.- Estipula que la energía no se crea ni se destruye, de forma que la suma de las energías entrantes (potencial, cinética, térmica, química y eléctrica) en un proceso dado, debe ser igual a la suma de las salientes. En el proceso de combustión la energía química pasa fundamentalmente a energía térmica; cuando se quema 1 lb de carbón que libera 13500 Btu, la cantidad de masa que se convierte en energía es sólo de 3.5 x 10(-10) lb.

Desde el punto de vista de la física nuclear, las leyes de conservación de masa y energía no son muy exactas, pero son bastantes aceptables para los cálculos de combustión que se realizan en Ingeniería.

Ley de los gases ideales.- Según esta ley, el volumen de un gas ideal es directamente proporcional a su temperatura absoluta e inversamente proporcional a su presión. Para 1 mol de cualquier gas ideal la constante de proporcionalidad es la misma, y la ley se expresa en la forma:

vM = RT / p , siendo: vM el volumen/mol, p la presión absoluta, T la temperatura absoluta, R la constante universal de los gases.

Ley de pesos combinados.- Todas las sustancias se combinan según unas proporciones en peso, simples y bien definidas, exactamente proporcionales a las relaciones de los pesos moleculares de los respectivos componentes.

Ley de Avogrado.- Volúmenes iguales de diferentes gases sometidos a idénticas presión y temperatura, tienen el mismo número de moléculas. El cociente entre el peso de 1 mol de una sustancia y su peso molecular es constante; 1 mol de cualquier sustancia químicamente pura tiene el mismo número de moléculas. Por la ley de gases perfectos, como la molécula de cualquier gas ideal ocupa siempre el mismo volumen a una presión y temperatura dadas, se deduce que volúmenes iguales de diferentes gases (en iguales condiciones de presión y temperatura) contienen el mismo número de moléculas.

Ley de Dalton.- La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases individuales, si cada uno de ellos ocupase el volumen que ocupa la mezcla. Cada gas presente en una mezcla ocupa, por sí solo, el volumen global de la misma y ejerce una presión independiente de la de los demás.

Ley de Amagat.- El volumen ocupado por una mezcla de gases es igual a la suma de los volúmenes ocupados por cada uno de los componentes de la mezcla, a presión y temperatura idénticas a las de la mezcla.


Un generador de vapor requiere de una fuente de calor a un determinado nivel de temperatura; un combustible fósil se quema en el hogar de la caldera y producir calor, aunque también se puede emplear energía residual procedente de otros procesos.

La combustión es la combinación rápida de O2 con los elementos inflamables del combustible. En la mayoría de los combustibles fósiles hay tres elementos combustibles significativos: C, H2 y S; el S es el de menor importancia como fuente de calor, pero puede tener una influencia importante en problemas de corrosión y contaminación.

El objetivo de una buena combustión es liberar toda la energía del combustible, a la vez que se minimizan las pérdidas derivadas de las imperfecciones de la combustión y del aire.

La combinación de los elementos inflamables del combustible con el oxígeno, requiere de:

  • Temperatura lo suficientemente alta para la ignición de los elementos inflamables.
  • Turbulencia que facilite el íntimo contacto combustible – oxígeno.
  • Tiempo suficiente para completar el proceso.

Estos parámetros se designan frecuentemente como las tres T de la combustión: Temperatura, Tiempo, Turbulencia.

La tabla a continuación relaciona los elementos químicos, simples y compuestos, que se encuentran en los combustibles normalmente utilizados en los diversos tipos de generación de vapor comercial de calor.


La incineración utiliza la descomposición térmica mediante el proceso de oxidación a alta temperatura (800 – 1100°C) y como consecuencia destruye la fracción orgánica del residuo y se reduce el volumen. Este método debe cumplir criterios de funcionamiento y operación;  es decir, una alta eficiencia de combustión, destrucción y remosión de gases tóxicos, un límite permisible en la emisión de partículas, un monitoreo semicontinuo en el proceso, una temperatura mínima específica así como niveles aceptables de tiempo de residencia de los gases generados en el combustor.  Diversas tecnologías de incineración se han desarrollado para diferentes tipos y formas físicas de residuos destacándose diseños de inyección líquida, hornos rotatorios, hornos fijos y lechos fluidizados. Los combustores de lecho fluidizado representan una de las tecnologías más prometedoras para la incineración de residuos orgánicos, plásticos, lodos contaminados y biomasa.

La combustión debe ser controlada para reducir las emisiones a la atmósfera, por lo que se ha estudiado la correlación entre la temperatura, el tiempo de residencia y el grado de emisión. En la operación de una planta piloto de lechos fluidizados, los investigadores Saxena & Jotshi (1994) registraron emisiones de SOx entre 20 y 35 ppm, de NOx entre 100 y 139 ppm, así como porcentajes de oxígeno en la corriente de gas de 13.4 y 16.1 %. Swithenbank (1997) encontraron que un incinerador de residuos clínicos, la concentración de oxígeno fue de 16.9 % en la corriente de salida del gas. Por otro lado, Hasfelriis (1987) y Wang (1993) han registrado que ciertas condiciones de operación minimizan la formación de CO y reducen la emisión de dioxinas y furanos. Wiley (1987) sugirió un nivel de oxígeno de 1 a 2 % en volumen como mínimo, involucrando un incremento de 5 a 10% de exceso de aire al sistema, para alcanzar la oxidación óptima del combustible y evitar la formación de monóxido de carbono (CO).

La generación excesiva de RSM acorta cada vez más la vida útil de los rellenos sanitarios y sitios de disposición final; por ello, es necesario evaluar e implementar alternativas de tratamiento que no sólo disminuyan el volumen y área sino que puedan ofrecer beneficios económicos y energéticos como lo ofrecen los lechos fluidizados, los cuales son altamente factibles.


Consiste en la torre de soporte del aerogenerador y su correspondiente fundación de anclaje. Su función es mantener el aerogenerador a la altura correcta de funcionamiento por sobre el nivel del suelo, debiendo ser capaz de tolerar el peso de éste y las diversas exigencias que conllevan la exposición a fuertes vientos y el sostener un cuerpo de gran envergadura rotando.

Hay cuatro tipos de torres, de celosía (o enrejado), de mástil tensado e híbridas, tal como se aprecia en la figura:

Los torres de tipo celosía facilitan la circulación de aire a través de la misma, disminuyendo las solicitaciones mecánicas sobre el rotor de la máquina. Estas pueden estar hechas de hierro o madera. Otra ventaja de las torres de celosía es su costo, puesto que una torre de celosía requiere sólo la mitad de material que una torre tubular sin sustentación adicional con la misma rigidez.

Los diseños tubulares son construídos en metal y concreto, y requieren escaso mantenimiento, menos que el caso de la torre de celosía. La mayoría de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de caero, fabricadas en secciones de 20 – 30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos en el lugar de instalación. Las torres son tronco – cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

Muchos de los aerogeneradores pequeños están construidos con delgadas torres de mástil sostenidas por cables tensores. La ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de costo. Las desventajas son el difícil acceso a las zonas alrededore de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas agrícolas.

Algunas torres están hechas con diferentes combinaciones de las ya mencionadas, constituyendo así sistemas híbridos.

Las fundaciones se realizan en concreto reforzado, y deben ser acordes con la altura de la torre y la envergadura de la máquina rotatoria que ésta debe soportar.

En la zona superior de la torre debe existir un cabezal y una plataforma, que permiten anclar el aerogenerador a la torre y a la vez lo deje libre de rotar para orientarse según la dirección del viento.


Muchas gracias por sus visitas a mi blog sobre Aplicaciones de Matlab/Simulink en Energías Renovables.

Obviamente que los creados de Matlab/Simulink me refiero a la empresa MathWorks Inc. han hecho un excelente trabajo de dar una herramienta muy poderosa de cálculo y que durante el mes de Junio junto con colegas y alumnos en temas relacionados a mecánica de fluidos, animaciones, proyecciones 2D y 3D, asi como también en el esquema de predicción de eventos y tendencias de superficies con base de datos.

Disculparán por lo que éste mes de junio hice pocas entradas, la agenda estuvo bien ajetreada e interesante, el viaje a Denton – Texas, USA hace poco y la que inicio el martes 3 de julio a Ecuador han ocupado bien tiempo para estudiar y analizar muchas cosas que hay que aportar y proponer, además, espero que se concreten muchos convenios de cooperación con la Facultad de Ciencias de la UNiversidad Nacional de Ingeniería (Lima, PERU) a la cual pertenezco… si alguien está animoso, en dichas cooperación para investigaciones, favor ponerse en contacto.

Por lo demás, este julio 2012 me toca un mes de motivante trabajo dado que ya tengo compromisos bastante serios como para descuidarse de ellos, por lo tanto, trabajaré full simulaciones y revisión de varios temas, que los compartiré por este blog y espero como siempre, sirva para el trabajo o aprendizaje de cada quien que visita.

Nuevamente muchísimas gracias y un saludo amical desde Lima, PERU….y les dejo con una foto de Macchupicchu ubicado en la Región Cuzco en mi Perú, considerado una de las Maravillas del Mundo, y además, una de las mejores obras de ingeniería de toda la humanidad. Si vienen a Perú, Macchupicchu es visita obligatoria.