Tema 11. Incineración por plasma y y otras tecnologías térmicas ...

Tema 11. Incineración por plasma y y otras
tecnologías térmicas innovadoras para el
tratamiento de residuos industriales.
Plasma
Reactores /Hornos eléctricos
Comb. Con sales fundidas
Comb. Con vidrio fundido
1

• 2.1 Definición
• El término “plasma” se utiliza para definir un estado de la materia (a
veces referido como “cuarto estado de la materia”) en el cual una proporción
importante de átomos o moléculas en un gas se encuentran en un estado
ionizado exhibiendo un comportamiento colectivo eléctricamente neutro
(quasi-neutro).
• El estado de plasma se genera haciendo pasar la corriente gaseosa, a
baja presión, a través de un arco eléctrico, de forma que la energía eléctrica
que proporciona el arco es transferida como energía térmica a las moléculas
del gas. Como resultado de dicha transferencia, las moléculas del gas son
ionizadas.
• Cuando las moléculas vuelven al estado de relajación, liberan la energía
térmica, alcanzando temperaturas muy elevadas (hasta 20000 ºC en el punto
más próximo de generación, disminuyendo en dirección axial del haz de
plasma).
2

-- --
-
-
-
----
- +
Electron Avalanches Charge Dielectric Surface
(No Conduction Path Due to Dielectric)
-
- -
Dielectric
Individual Micro-Arcs Are Quenched
(Non-Thermal Plasma)
+
3

La utilización de la técnica del plasma desde un punto de vista
medioambiental presenta una serie de ventajas y propiedades
singulares entre las que cabe resaltar las siguientes:
• La generación de calor es independiente de las reacciones
químicas producidas.
• El caudal de gas necesario para realizar el aporte de calor puede
llegar a ser muy bajo comparado con otros sistemas
• La densidad de energía que se alcanza es muy elevada,
• Las altas temperaturas alcanzadas permiten que los tiempos de
estancia puedan ser inferiores a los sistemas convencionales.
• Los productos finales obtenidos, como ya se ha indicado,
generan un impacto medioambiental inferior.
• Posibilidad de obtener productos finales inertizados por
vitrificación completa satisfactoriamente el esquema de
tratamiento de una gran variedad de residuos
• La versatilidad y facilidad de manipulación de los residuos se ve
muy favorecida al no tener que mezclarlos con un producto
combustible y al poder trabajar con caudales de alimentación
variables en un amplio margen
4

El plasma se genera en unos dispositivos conocidos como antorchas
de plasma.
Sistemas:
a) Arco no transferido, los electrodos están acoplados en ella y el
estado de plasma se genera en la de descarga
b) Arco transferido en las que el arco eléctrico salta a la antorcha
hasta un baño de metal fundido que actúa de ánodo, o bien sobre
la pared del reactor recubierta de grafito.
c) Las incineradoras de plasma que procesan residuos líquidos
emplean antorchas de arco no transferido orientadas a la
alimentación del residuo pulverizado; mientras que para tratar
sólidos son precisos una combinación de ambos tipos de
antorchas.
7

La temperatura media en el reactor de
plasma suele oscilar entre 5000 y
15000ºC, por lo que las moléculas
orgánicas del residuo se rompen en sus
constituyentes elementales, se
recombinan parar formar moléculas
sencillas y son incineradas por
combustión completa. La parte
inorgánica del residuo experimenta
vitrificación. La inexistencia de
productos volátiles intermedios de
combustión incompleta permite reducir
al mínimo el sistema de depuración de
gases.
10

Ventajas:
• Transfieren el calor más rápidamente que la llama convencional.
• Es un proceso pirolítico porque prácticamente no necesita O2.
• El tipo de gas puede elegirse según las exigencias del residuo, siendo la
energía de generación necesaria, la correspondiente a la de ionización del
gas elegido.
• Son instalaciones relativamente pequeñas (14 m) y pueden diseñarse como
móviles, para ser instaladas sobre remolques.
• Necesita períodos de tiempo cortos en arranque y parada, respondiendo
rápidamente a condiciones adversas de trabajo.
Desventajas:
• Altos costos de operación por energía eléctrica.
• Las altas temperaturas de trabajo exigen materiales sofisticados.
• Personal altamente cualificado para su manejo y control.
11

2.2. Modelo analítico del reactor de plasma.
El uso de plasma para destruir residuos tóxicos presenta un gran potencial. Las
temperaturas extremadamente altas generadas en el plasma, alcanzan resultados
en niveles de destrucción más allá de los logrados por las otras técnicas que se
usan hoy en día (incineración).
Los elementos esenciales de la técnica son:
Generación de plasma.
Mezclado de plasma y residuos.
Cámara de reacción.
Enfriamiento rápido (quenching).
Lavado químico (scrubber) como acondicionamiento final de los
productos.
El flujo de plasma caliente y la corriente de residuo se mezclan a lo largo de la
cámara de combustión de forma cilíndrica, que se puede dividir en dos zonas.
12

La región I es la parte superior
El plasma y el residuo están en un estado de transición de mezcla.
En la región de mezcla, parte del residuo es destruido por las altas
temperatura del plasma.
Un modelo exacto de esta región sería muy complicado debido a la
dificultad de las condiciones de flujo.
La segunda región consiste en la zona baja
La mezcla gaseosa ocupa todo el diámetro del tubo reactor y el flujo
obedece a un régimen totalmente desarrollado.
En esta región se distinguen dos partes importantes: el núcleo central
(zona central de la cámara) y la capa límite.
La mayor parte del fluido pasa a través del núcleo central, alcanzando
temperaturas muy altas (3000 K).
Se puede considerar que la alimentación es completamente destruida en
esta región debido a esas elevadas temperaturas.
La eficiencia de destrucción depende de la anchura de la capa límite, ya
que al ser menor la temperatura en esta franja, el grado de destrucción es
menor.
13

2.1. Definición De Capa Límite.
• El concepto de capa límite ayuda a simplificar los cálculos de flujos
de fluidos.
En un lado de la capa límite no tiene lugar ninguna reacción
química (la zona más externa)
En el otro lado de la misma se completa la destrucción de los
residuos químicos, al disociarse las moléculas en átomos e iones
como efecto de las altas temperaturas.
• Se puede considerar que esta descomposición química obedece a
una cinética de primer orden. La cantidad de residuo no eliminado R
después de un tiempo τ en el reactor vendrá dado por:
R
= e
−k
∗τ
( 1 )
k
− ∗ −1
= υ
E κ T
∗ e s
( 2 )
El valor de k depende del término de frecuencia ν y de la energía de activación E, que son propiedades de la disociación
química. Pero además, esa constante k también depende en gran medida del valor de temperatura alcanzado. Y en este
sentido, para conocer el valor de R final necesitamos calcular la integral que tendrá en cuenta la evolución de la temperatura
dentro del reactor a lo largo de todo el tiempo que permanece el efluente en su interior, así como el valor promedio alcanzado a
la salida de la cámara.
14

A una cierta distancia de la pared, la temperatura puede elevarse tanto como
para que una parte del efluente sea destruido, entraríamos en la frontera que
separa la zona central de la capa límite.
Para definir esa temperatura puente entre ambas zonas podríamos hacer uso
de la siguiente expresión:
T
δ
=
E 1
∗
k ⎡ υυ
∗∗τ
τ ⎤
ln ⎢ ln R ⎥
⎣−
⎦
K
( 3)
15

2.2.2. Teoría Desarrollada.
En este caso se desarrolla para el caso laminar una teoría más apropiada para
los experimentos analizados.
Para simplificar el modelo, se han tenido en cuenta las siguientes
consideraciones:
1. La corriente a tratar y el plasma son perfectamente
mezclados tras una distancia recorrida después del ánodo.
2. La porción de capa límite donde se da la destrucción es
definida como la parte de distribución de velocidad siguiente al
umbral de temperatura Tδ (1700 K para el tolueno).
3. La destrucción no tiene lugar en la parte exterior de la capa
límite.
4. La alimentación es totalmente convertida en la zona
central.
5. No se da la reacción inversa.
La fracción de alimentación no convertida R se puede expresar como producto
de tres factores.
R = g ∗ β β ∗ f
Donde g es la fracción de alimentación que entra en la región II; β es la
fracción de volumen que pasa a través de la capa limite, y; f es la fracción de
alimentación que permanece en la capa límite después de la difusión.
( 4 )
17

Estimación de g.
El factor g varía desde la concentración de entrada en la capa límite
hasta la concentración con que es inyectada la alimentación.
Otros ensayos más detallados pueden incluir también efectos de
atomización y transferencias de calor.
Estimación de β.
El valor que toma R en la zona central puede ser despreciable
comparado con los valores que toma en la capa límite. De modo que
el valor de R lo podemos calcular a partir de β, que no es más que la
relación entre la parte de flujo que ocupa la capa límite con respecto
al flujo total que avanza en la cámara de reacción.
ro
V ∫ 2 ∗ ∗ππ
∗ u ∗ dr
δ ro
−δ
β = =
( 5 )
2
V u ∗π
∗ ro
Donde V es el flujo total a través del reactor y, Vδ es el flujo a través de la capa
límite.
18

Considerando que la velocidad sigue un perfil parabólico, podemos calcular β a
partir de la velocidad media û y la velocidad en la capa limite uδ:
u
δδ
2 ⎡ ⎤
= u ∗ ⎢1
−
⎛ ⎞
⎢1
− ⎜ r
m ⎟ ⎥ m ⋅ s
⎝ r ⎟ ⎥ m s
⎣ ⎝ ro
⎠ ⎦
u m
u
u
=
⎛ δ ⎞ ⎡ ⎛ δ ⎞⎤
= 8 ∗ u ∗ ⎜ ⎟ ∗ ⎢ 1 1−
⎜ ⎟⎥
⎝ d
⎢ − ⎜ ⎟
⎠ ⎣ ⎝ d
⎥
⎝ d ⎠ ⎣ ⎝ d ⎠ ⎦
V
ββ
=
V
δ
=
r
−1
o
∫ 2 ∗π
∗ r ∗ u ∗ dr
0
m ⋅ s
2
ππ
∗ r
u
m
2
⎛ δ ⎞ ⎡ ⎛ δ ⎞⎤
= 16 ∗ ⎜ ⎟ ∗ ⎢ 1 − ⎜ ⎟ ⎥
⎝ d ⎠ ⎣ ⎝ d ⎠⎦
2
2
m ⋅ s
m ⋅ s
0
−1
−1
( 9 )
( 10 )
Donde d es el diámetro del reactor y δ es la anchura de la capa límite.
−1
( 6 )
( 7 )
( 8)
19

2.2.3. Cálculos.
Para evaluar la eficiencia de destrucción hacemos uso de DRE (Eficiencia de
Destrucción y Eliminación), que se puede definir como:
DRE = 100 ∗ ( 1−
R ) % ( 18 )
ahora bien, a la hora de hablar de la eficiencia se hacen en relación al índice
DRE, n:
n = −log
( 19 )
El índice n puede ser escrito en términos de la geometría, el coeficiente de
difusión, y el flujo volumétrico. Un importante parámetro es Nc=(d/δ), término
equivalente al número de Nusselt en transmisión de calor.
Así n se escribe como:
n
=
−1,
2
donde m es:
m
=
+ 2 ∗ log
2
( π π ∗ D ∗ L
) ∗
( 21)
2
32 ∗ V
El parámetro Nc se puede calcular a partir
de la diferencia de temperaturas en la
pared, teniendo en cuenta una distribución
de temperaturas parabólica.
T
[ T − T ]
w = To
− 0 δ
c
∗
4
⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎡ ⎤
c ⎛ m ⎞ ⎡ ⎤ c
+ 2 ∗ log⎢
⎥ + ⎜ ⎟ ∗ ⎢ ⎥ − log g
⎣ c
−1⎦
⎝ 2,
3 ⎠ ⎣ c
−1⎦
2 2
2
c
( − )
c
K
( 22)
( 20)
20

2.3. Dimensionado de la Cámara de Combustión
Supongamos la cámara de combustión en forma cilíndrica, cuyas dimensiones
características serán el diámetro d y la longitud L.
Pero a este diámetro tenemos que sumarle la capa límite, que define
verdaderamente la eficiencia del sistema. Además, hemos de considerar que la
eficiencia mínima está marcada por las exigencias legales vigentes en materia
de emisión.
A partir del caudal de alimentación Q podemos conocer el volumen de la
cámara:
V ( ) 3
m ) 3
Q = m ( 23 )
τ s
El tiempo que el residuo permanece en la cámara (τ) lo calculamos en función
de la temperatura por la ecuación (3).
d
21

Ahora bien, al ser cilíndrica la cámara, el volumen vendrá dado por la
expresión:
π π
2
V = A ∗ L = ∗ ( d + δδ
) ∗ L ( 24 )
4
Tenemos una expresión que nos relaciona el diámetro de la zona central y el
espesor de la capa límite.
A partir de la eficiencia exigida legalmente y mediante la ecuación (18)
calculamos el valor de R, con el que posteriormente calcularemos n, el índice
DRE, con la ecuación (19).
Una vez conocido n, podemos despejar el coeficiente Nc Nc que nos
relaciona d y δ.
Suponiendo una determinada longitud de la cámara (L) con Nc Nc y la expresión
del volumen (ec. 24) podemos conocer tanto el valor de d como de δ.
A continuación debemos calcular las condiciones de flujo, es decir calcular el nº
de Reynolds, para verificar que nos encontramos dentro de los límites
establecidos. En caso contrario, habrá que volver a recalcular considerando
otra longitud L.
22

2.4. Sistemas Comerciales De Descontaminación Basados En El
Plasma
Son muchos los dispositivos desarrollados basados en técnicas de plasma.
Algunos de estos sistemas son:
PACT (Plasma Arc Centrifugal Treatment): es un proceso desarrollado por
Retech en el que utiliza el calor generado por una antorcha de plasma para
fundir y vitrificar una alimentación sólida, incluso suelos contaminados. Los
contaminantes orgánicos son vaporizados y se descomponen como
consecuencia de la intensidad de calor. Los residuos metálicos son vitrificados
en un bloque monolítico. La corriente gaseosa pasa a una cámara secundaria
de combustión y a continuación por una serie de sistemas de control de gases.
Mediante esta técnica se pueden tratar tanto residuos sólidos como líquidos de
naturaleza orgánica y también metálica. El índice DRE que se alcanza para
compuestos orgánicos supera el 99,99%. Sin embargo los metales volátiles los
productos de combustión incompleta han de ser recogidos mediante scrubber.
Los suelos tratados por tal técnica son convertidos en cenizas, que son
devueltos a su lugar de origen sin complejidad alguna.
PLASCON (In-Flight Plasma Arc System): en este sistema una corriente líquida
o gaseosa contaminada se mezcla con argón para inyectar directamente en el
arco de plasma. Los compuestos orgánicos se disocian en iones elementales y
átomos, recombinándose en el área de enfriamiento. Los productos de salida
no son más que gases y una solución acuosa de sales inorgánicas. Con este
sistema se alcanzan índices DRE alrededor del 99,9999% hasta 99,999999%.
23

3. Reactores eléctricos/Hornos eléctricos de alta temperatura
Emplean una resistencia que calienta la pared refractaria del incinerador
hasta 2200 ºC transmitiendo el calor a los residuos.
Son similares a los sistemas de infrarrojos que generan una intensa
radiación infrarroja cuando pasa la electricidad a través de un elemento
de carburo de silicona. El núcleo está completamente encapsulado y
aislado en un recipiente hermético con un fluido a presión.
Ventajas:
• Debido a las altas temperaturas, se produce una descomposición
química del residuo en elementos sin que haya compuestos
intermedios. Ello reduce al mínimos las necesidades de depuración
posteriores.
• Las cenizas están formadas por partículas vitrificadas.
Desventajas:
• El núcleo del reactor está pensado para residuos sólidos, por lo que
los líquidos y gases habrán de ser previamente mezclado para
adecuar la alimentación.
• El sistema de alimentación obliga a pasar los residuos a través de
mallas, lo cual hace necesario un sistema de pretratamiento en la
mayoría de las ocasiones.
24

4. Combustión con sales fundidas
Son baños de CO3Na2, NaCl, Na2SO4, Na3PO4..., fundidos a 900ºC para
destruir los residuos peligrosos.
• Los gases tóxicos como HCl, NOx y SO2 son retenidos en la sal
fundida.
• El S queda como Na2SO4 o Na2SO3
• el P como Na Na3PO4 PO
• el Cl como NaCl
• la sílice como Na2SiO3.
Esta retención de sales en el lecho hace que este tenga que regenerarse
con cierta frecuencia, lo que va a ser un factor decisivo del coste de
operación.
El material se inyecta directamente en la cámara con aire o aire enriquecido.
25

5. Procesos en vidrio fundido
Emplean vidrio fundido para transmitir calor a los residuos y retener
elementos como los metales en la estructura del vidrio (figura).
Son hornos eléctricos de unos 6 m de longitud y 1 m de ancho con una
única cámara de combustión, cuyo fondo está cubierto por un lecho de
cristal fundido, muy utilizado en la industria del vidrio.
• Los residuos sólidos son vertidos directamente sobre el lecho,
independientemente de su forma física (cajas, gruesos, etc.) mientras
que los líquidos se inyecta.
• La temperatura de trabajo es superior a los 1260ºC, conseguida
gracias a los electrodos sumergidos.
26

Paint Booth Emissions Control
Project Application and Advantages
• VOCs go through redox reaction in the plasma reaction chamber
• The low temperature of the plasma prevents recombination of
VOCs
• VOC destruction
27

Paint Booth Emissions Control
Project Considerations and Limitations
• Low concentrations of VOCs may generate NOx that needs to be
controlled
• Mostly R&D work being done
• Currently, vendors are scarce
• Facility air permit considerations (construction permit to implement
and operating permit changes)
• Control of variable throughput
28

Paint Booth Emissions Control
Project Status
• Baseline data generation
• Vendor negotiations (overseas)
29

Parts Surface Cleaning
Project Description and Drivers
• New parts are currently cleaned using solvents prior
to nondestructive testing
• Surface contaminants are destroyed in oxidation/
reduction reactions
30

Parts Surface Cleaning
Project Application and Advantages
• Achieve molecular-level cleaning
• Can clean metallic and nonmetallic parts
• Reduce/eliminate solvent use and related wastes
• How clean is clean?
31

Parts Surface Cleaning
Project Considerations and Limitations
• Atmospheric vs. subatmospheric
technologies
• Atmospheric pressure
Wand-type
Use ambient air to react with
electrical source
• Subatmospheric pressure
Reaction chamber
Supply gas (argon) to react
with electrical source
Atmospheric plasma
Source: Plasma Science and
Technology,
32

Parts Surface Cleaning
Project Status
• Determine appropriate technology type – atmospheric or
subatmospheric
• Determine appropriate application – too dirty vs. too clean
33

Subsurface Soil Treatment
Project Description and Drivers
• Subsurface soils contaminated with VOCs
• In situ treatment with plasma followed by carbon polishing
• Concentration of VOCs is greater than halved by the
plasma treatment, extending the life of the carbon
34

Subsurface Soil Treatment
Project Application and Advantages
• Pull air from soil using 3-hp blowers
• Pass air through electric discharge (plasma)
• Follow with carbon polish
• Inject clean air back into soil (eliminates air emissions/
permit issues)
35

Subsurface Soil Treatment
Project Considerations, Limitations,
and Status
• Actual application parameters are different
from pilot study results
• Active project
• Treatment phase
36

Mobile Spectroscopy
Project Description and Drivers
• Determine concentrations of heavy metals in paints in
the field and in situ
• Laser is used to create a plasma from the sample
• The resulting light is analyzed using a spectrometer to
determine the identity and concentration of the metals
present
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Mobile Spectroscopy
Project Application and Advantages
• Equipment is briefcase-sized, with an accompanying laptop
and battery
• One sample point can be analyzed in seconds, but accuracy
may depend on how many sample points are taken (sample
is the size of a pin point)
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Mobile Spectroscopy
Project Considerations and Limitations
• Early stages of commercialization
• Operator certification
• Laser is not “eye safe”
• Determine how to set an acceptable detection limit
(i.e., wind mixing)
• OSHA exposure regulations
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Mobile Spectroscopy
Project Status
• Calibration samples have been collected
• Samples are being analyzed by an independent laboratory
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Conclusions
• Adding energy to a gas causes plasma electrons to collide with
background molecules, changing the hazardous materials to less
toxic compounds
• Consider every situation carefully to determine the appropriate
application of the plasma
• Plasma technology for hazardous materials/waste treatment has
been well studied in the university arena, and marketable products
are now being developed and utilized by industry
• The Navy is testing these new products in several different
applications
41

Contact Information
Donna Switzer, CHMM
Universal Technical Resource Services, Inc.
950 North Kings Highway, Suite 208
Cherry Hill, NJ 08034
(856) 667-6770
(856) 667-7586
dswitzer@utrsmail.com
www.utrs.com
42

Sources
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Collins, Graham P. “Tabletop Capillary-Discharge Soft-X-ray Laser Demonstration,”
Physics Today, October 1994, Vol. 47, Issue 10, p. 19.
Ecozone Technologies, Inc. website. Non-Thermal Plasma Pollution Control,
.
Grothaus, Michael and Robert Fanick. “Harmful Compounds Yield to Non-thermal Plasma
Reactor,” Technology Today. Southwest Research Institute, Spring 1996.
Kline, Michael. “Electro-Chemical Engineering, Non-Thermal Plasma Process.” Pioneer
Industrial Technologies, Pennsauken, NJ.
Malik, Muhammad Arif and Jiang Xuan-zhen. “Destruction of VOCs by Combination of
Corona Discharge and Catalysis Techniques,” Journal of Environmental Sciences,
September 1998, Vol. 10, Issue 3, p. 276.
National Research Council (NRC). Plasma Plasma Science: Science: From From Fundamental Fundamental Research Research to to
Technological Applications. National Academy Press, Washington, DC, 1995.
Pinnaduwage, Dr. Lal. Energy-Efficient Plasma Chemical Process for Volatile Toxic
Compounds. Compounds. Oak Ridge National Laboratory, 1999.
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Sources
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NO NO and and Hydrocarbons Hydrocarbons in in a a Non-thermal Non-thermal Plasma. Plasma. Lawrence Livermore
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Plasma Science and Technology website (PST), .
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, 1998.
Smith, Ed. D. and Hany Zaghloul. “All Fired Up,” Civil Engineering,
November 1997, Vol. 67, Issue 11, p. 34.
Up-to-Date Environmental Engineering AG website, .
Westbrook, Charles K. “The Internal Combustion Engine at Work,” Science &
Technology Technology Review Review 1999. Lawrence Livermore National Laboratory.
Yu, Zhang; Jin Xin-yu; Jiang Xuan-zhen; and Wang Rui. “Analysis of Impulse
Electric Field Effect on Organic Exhaust Gas Decomposition,” Journal of
Environmental Environmental Sciences, Sciences, March 1999, Vol. 11, Issue 1, p. 57.
44