Inyección de carbón activado en gases de combustión: qué elimina
Para cuando el gas se ha enfriado y sus gases ácidos se han neutralizado, queda una lista corta de contaminantes que no son lo bastante solubles para lavarlos ni lo bastante sólidos para retirarlos por filtración como polvo. El mercurio sale del horno como vapor y sigue siéndolo a las temperaturas a las que opera un filtro de mangas. Las dioxinas y furanos sobreviven a la cámara en pequeñas cantidades y se vuelven a formar sobre la ceniza volante a medida que el gas se enfría. Ninguno se disuelve en un líquido de lavado a una velocidad útil, y ninguno se separa del gas por sí solo.
Ambos se capturan sobre el carbón, y la inyección de carbón activado es la forma habitual de poner a los dos en contacto. El carbón en polvo se dosifica en el conducto y el gas lo arrastra hasta el filtro de partículas. Un gramo del polvo presenta una superficie interna medida en cientos de metros cuadrados —una propiedad del material y no un dato de diseño—, y esa superficie es donde se detiene una molécula orgánica o un átomo de mercurio.
Eso también fija el límite exterior de la función. El carbón se dosifica para el mercurio y para las dioxinas y furanos. No es la respuesta a los gases ácidos, que el lavador o un sorbente seco aguas arriba ya eliminó, ni es la respuesta a los óxidos de nitrógeno, que no se adsorben sobre el carbón en cantidad útil a estas temperaturas.
- Mercurio — el contaminante que con más frecuencia decide si se instala o no la inyección de carbón activado en gases de combustión, y el que no puede capturarse como polvo.
- Dioxinas y furanos — la fracción que sobrevivió a la cámara junto con la fracción que se volvió a formar sobre la ceniza volante aguas abajo.
- Otros orgánicos traza — aromáticos clorados y compuestos similares, retenidos sobre la misma superficie sin una etapa propia.
- Metales pesados distintos del mercurio — transportados sobre la ceniza volante como sólidos, por lo que son función del colector de polvo y no del carbón.
- Gases ácidos y óxidos de nitrógeno — fuera de esta etapa; se resuelven aguas arriba o en el horno.
Eliminación de mercurio en los gases de combustión de incineradores
El mercurio se comporta de manera distinta a cualquier otro metal del gas, y esa diferencia es lo que lo convierte en un problema de adsorción. Los demás metales salen del horno sobre la ceniza volante, así que un filtro de mangas los retira junto con el polvo. El mercurio sale como vapor, y parte de él sigue siendo vapor a lo largo de toda la línea, donde ningún filtro puede interceptarlo.
También llega en más de una forma. El mercurio oxidado es soluble en agua y un lavador húmedo elimina parte de él; el mercurio elemental es casi insoluble y atraviesa un lavador casi intacto. La proporción entre ambos depende del cloro en los residuos, del oxígeno en el gas y del historial de temperatura del gas, ninguno de los cuales es fijo, así que la fracción que debe capturarse sobre el carbón tampoco es una constante.
Dos propiedades de esa captura importan más adelante en el diseño. La adsorción se debilita a medida que el gas se calienta, así que el punto de inyección se sitúa lo más aguas abajo que la temperatura permita. Y el mercurio que se ha adsorbido puede liberarse de nuevo desde la ceniza recolectada si la ceniza se calienta, por lo que la temperatura de entrada del filtro y la ruta de manejo de la ceniza pertenecen a la respuesta frente al mercurio y no solo a la de las dioxinas.
Eliminación de dioxinas en los gases de combustión: la etapa de adsorción
La mitad de este tema relativa a la formación se trata en otro lugar. El artículo sobre por qué los incineradores operan a 850 °C durante dos segundos cubre la destrucción dentro de la cámara, y el de la síntesis de novo y la ventana de enfriamiento cubre lo que se forma aguas abajo sobre la ceniza volante. Lo que queda para el carbón es el material presente a la entrada del filtro: los compuestos que la cámara no destruyó y que la sección de enfriamiento no pudo evitar.
La adsorción es más débil cuando el gas está caliente y más fuerte cuando está frío, lo que sitúa preferentemente el punto de inyección en el extremo frío de la línea. También es reversible. Las dioxinas retenidas antes sobre el carbón pueden liberarse de nuevo cuando las condiciones cambian: una subida de temperatura, un cambio de carga, una parada y un rearranque. Por eso una planta puede emitir más después de un trastorno de lo que predicen sus cifras en régimen permanente, y la respuesta es mantener la dosificación de carbón funcionando durante los transitorios en lugar de apagarla junto con la alimentación de residuos.
Cómo se fija la tasa de inyección de carbón en incineradores de residuos
Ninguna tabla da la tasa. La demanda de carbón de un gas depende de las concentraciones de mercurio y dioxinas en él, de la temperatura y la humedad con las que llega, del tiempo que el polvo tiene para mezclarse con él antes del filtro y de cuánto carbón ya retenido hay sobre las mangas, nada de lo cual es una propiedad del equipo que se compra. Una tasa copiada de una planta que quema residuos distintos es una conjetura de partida, no un diseño.
Lo que se especifica es el método. Se elige una tasa de partida en el extremo conservador, se opera la planta con ella y el resultado se lee en la chimenea: el mercurio y las dioxinas a partir de una campaña de muestreo durante un periodo definido, y los parámetros medidos de forma continua, del sistema de monitoreo. Luego la tasa se ajusta hasta que las cifras se mantengan con margen en la carga más baja a la que opera la planta, donde el gas es más lento y el contacto, más pobre, y se vuelve a verificar siempre que el flujo de residuos cambie de forma sustancial.
La tasa en sí suele expresarse como una masa de carbón por un volumen de gas, o como una proporción de la ceniza que recolecta el filtro, y cualquiera de las dos formas debe convertirse en kilogramos por hora de polvo para el equipo de dosificación. Qué cifras se publican para una unidad dada, y el punto de partida que conviene a un residuo en particular, se confirman con la fábrica para su composición de residuos.
- La carga de mercurio y dioxinas del gas crudo, que depende de los residuos y no de la planta.
- La temperatura del gas en el punto de inyección, porque la adsorción disminuye a medida que el gas se calienta.
- La humedad y el punto de rocío ácido en ese punto, porque el polvo húmedo se adhiere a las paredes del conducto y a las mangas.
- La longitud de mezcla entre la lanza y el filtro, que determina cuánto contacto recibe el polvo antes de ser recolectado.
- El ciclo de limpieza del filtro, que determina cuánto carbón queda sobre las mangas entre pulsos.
Inyección de carbón activado y el filtro de mangas
La disposición funciona por lo que ocurre sobre las mangas. El carbón llega como polvo disperso y la tela lo retiene; la torta que se forma sobre las mangas se convierte entonces en el lecho por el que se fuerza el paso del gas. El gas pasa a través del carbón y no junto a él, y el tiempo de contacto que la lanza de inyección por sí sola no puede aportar lo suministra el filtro. Por eso el punto de inyección se sitúa aguas arriba del colector de polvo, y por eso una planta que envía su gas directamente a la chimenea después de la inyección no ha instalado ninguna etapa de adsorción.
De ahí se derivan tres consecuencias. El filtro debe operar por debajo del límite de temperatura de su material de mangas, lo que mantiene fría la torta y la adsorción en funcionamiento. Una manga que ha fallado, o un compartimento que se puentea, envía carbón —y todo lo que ya haya capturado— a la chimenea. Y la ceniza recolectada sale de la planta cargando el mercurio y las dioxinas que se retiraron del gas, así que su ruta de disposición forma parte de la misma función y no es un detalle aguas abajo.
La alternativa a la inyección es un lecho fijo de carbón: el gas se hace pasar por un recipiente con carbón, y el carbón se reemplaza o se regenera según un calendario. Un lecho es más fácil de monitorear y más fácil de mantener a una tasa estable, y necesita más espacio y un recipiente más pesado que una lanza. Ambas disposiciones dependen de que el gas llegue dentro del rango de temperatura en el que funciona la adsorción, y un gas demasiado frío arrastra polvo húmedo y pegajoso hacia el filtro.
Errores comunes
- Especificar una tasa de inyección como un número fijo sin declarar para qué residuo se fijó. La tasa sigue al gas, y el gas sigue a la alimentación.
- Inyectar aguas arriba del enfriamiento rápido o del lavador, donde el polvo se lava fuera del gas antes de llegar al filtro y nunca forma un lecho.
- Operar el filtro por encima del límite de temperatura de sus mangas para mejorar la adsorción, lo que acorta la vida de las mangas y devuelve la ceniza recolectada hacia el rango donde las dioxinas se vuelven a formar.
- Tratar el colector de polvo solo como colector de polvo, y no verificar que la torta sobre sus mangas sea el lecho de contacto que supone el diseño de adsorción.
- Detener la alimentación de carbón durante una parada o un cambio de carga, cuando el material adsorbido puede liberarse de nuevo y esa liberación es lo que ve la chimenea.
- Suponer que la ceniza está limpia porque el gas lo está. El mercurio y las dioxinas están en la ceniza, y la ceniza tiene su propia ruta de disposición.
Autoverificación antes de especificar el sistema de inyección
- ¿Se conocen las concentraciones de mercurio y dioxinas en el gas crudo, o al menos las características de los residuos de las que dependen?
- ¿El punto de inyección está aguas abajo de las etapas de enfriamiento y lavado, y aguas arriba del filtro de partículas?
- ¿Se declara la temperatura del gas en el punto de inyección y a la entrada del filtro, y está la entrada del filtro por debajo del límite del material de las mangas?
- ¿La tasa de carbón se expresa respecto de la carga a la que realmente opera la planta, con una cifra para la carga más baja además de para el punto de diseño?
- ¿Se ha caracterizado la ceniza del filtro para su disposición, dado lo que ahora contiene?
- ¿La inyección es un servicio continuo, incluso durante el arranque, la parada y el cambio de carga?
- ¿La prueba en chimenea que cierra el ciclo está programada para una carga representativa y un periodo de muestreo declarado?
De un límite en chimenea a una tasa de dosificación de carbón
La inyección de carbón activado es una etapa pequeña en superficie ocupada y decisiva en resultado: es la que captura los dos contaminantes que el resto de la línea no puede alcanzar. Las etapas entre las que se sitúa se exponen en el artículo sobre tratamiento de gases de combustión en un incinerador, y los límites que debe cumplir en mercurio, dioxinas y partículas están en el gráfico de emisiones de incineradores. La tasa de inyección, el punto en el que se dosifica y la función del filtro para su planta se confirman con la fábrica para su composición de residuos y la norma de emisión aplicable.