La formación de dioxinas no se detiene en el horno
La mitad de este tema que corresponde a la combustión —la cámara secundaria a 850 °C, el tiempo de residencia de dos segundos y lo que ambos destruyen— se trata en el artículo sobre por qué los incineradores operan a 850 °C durante dos segundos. Este artículo aborda la segunda mitad, que comienza a la salida de la cámara y termina en la chimenea.
La razón es que las dioxinas no solo se destruyen y se emiten; también se forman. El carbono, el cloro, el oxígeno y una superficie con metales están presentes en el gas y en la ceniza volante que este arrastra, y entre aproximadamente 200 °C y aproximadamente 400 °C esos ingredientes pueden ensamblarse en dibenzo-p-dioxinas y dibenzofuranos policlorados más rápido de lo que pueden competir las reacciones de destrucción de la zona caliente. La formación de dioxinas en esa banda es la razón por la que una planta con una cámara de combustión perfecta puede aun así incumplir su límite en chimenea.
Dos rutas las producen y, aunque en la literatura se describen por separado, comparten una banda de temperatura y una superficie, de modo que la respuesta de ingeniería para ambas es la misma.
Síntesis de novo de dioxinas sobre la ceniza volante
De novo significa «desde lo nuevo»: el esqueleto de carbono se construye a partir del carbono que ya está presente en la ceniza volante y no de un precursor similar a las dioxinas. La reacción es heterogénea —ocurre en la superficie de las partículas y no en el gas— y necesita tres cosas a la vez que la corriente de gas aporta sin costo aguas abajo de la cámara: carbono sin quemar y hollín en la ceniza, una fuente de cloro y una superficie que catalice la reacción.
El catalizador es lo que hace que esta ruta sea tan sensible a los residuos. La superficie de la ceniza contiene metales, y se reporta que los cloruros de cobre y de hierro, en particular, promueven la reacción con fuerza. Por eso, dos residuos quemados con perfiles de temperatura idénticos y cargas de cloro idénticas pueden dar resultados muy distintos, y un flujo de residuos con alto contenido de cobre o hierro merece tratarse como una alimentación de mayor riesgo de reformación, y no solo por corrosión.
La síntesis de novo es una cloración oxidativa, así que también necesita algo de oxígeno. Eso descarta una simplificación tentadora pero errónea: un gas que solo se ha enfriado sigue estando en la banda activa, con todos los ingredientes que la reacción necesita.
Las cifras que suelen citarse sitúan la parte más rápida de esta reacción en la región de los 300 °C, con la banda de interés extendiéndose aproximadamente de 200 a 400 °C. Deben leerse como un método de partida y no como una especificación: describen dónde es más rápida la reacción en una ceniza volante típica, no una frontera en la que se enciende y se apaga.
La ruta de precursores: dioxinas ensambladas a partir de moléculas ya presentes en el gas
La segunda ruta no construye el esqueleto de carbono a partir del carbono de la ceniza. Parte de moléculas aromáticas cloradas más pequeñas —clorobencenos y clorofenoles— ya presentes en el gas, que se condensan sobre la superficie de la ceniza volante y allí se acoplan para formar dioxinas y furanos. El producto es la misma familia de compuestos; la materia prima es distinta.
Como las dos rutas comparten su banda de temperatura, se responden con las mismas medidas, pero apuntan a problemas distintos aguas arriba. La ruta de precursores necesita un suministro de aromáticos clorados, lo que es un problema de combustión: una cámara que destruye bien sus compuestos orgánicos también deja de suministrarlos. La síntesis de novo necesita la ceniza, el catalizador y el oxígeno, lo que es un problema de la línea de gases.
La ventana de 200 a 400 °C y la velocidad de enfriamiento
Las reacciones requieren tiempo. Lo que produce dioxinas no es pasar por una temperatura, sino permanecer en ella, de modo que la magnitud que controla el diseñador es el tiempo que el gas permanece dentro de la ventana, y no la temperatura en un punto cualquiera. El gas que cruza la banda en una fracción de segundo forma mucho menos que el gas que la atraviesa lentamente a lo largo de minutos, y esa es la justificación del enfriamiento rápido después de la cámara.
Por eso una sola lectura de temperatura es una especificación débil. Un enfriamiento rápido que reporta una temperatura de salida baja dice que el gas ya está fuera de la ventana; no dice nada sobre cuánto tardó el gas en llegar allí, ni sobre si parte de la corriente pasó despacio por el recipiente a lo largo de una pared. El servicio se describe con la temperatura en cada extremo de la sección de enfriamiento y el tiempo de residencia transcurrido entre ambos.
El rango de carga importa tanto como el punto de diseño. La velocidad del gas disminuye con la carga, así que una planta que opera a una fracción de su caudal nominal tarda más en cruzar la ventana que esa misma planta a plena capacidad, y una sección de enfriamiento adecuada en el punto de diseño puede quedar al límite con carga baja. La condición de carga baja es donde el tiempo de residencia en la ventana es más largo.
Enfriamiento rápido en incineradores de residuos
La respuesta más común a la ventana es un enfriamiento rápido evaporativo. Se pulveriza agua en la corriente de gas y el calor latente de evaporación baja la temperatura sin necesidad de una superficie de intercambio que el polvo pueda ensuciar; como el enfriamiento ocurre en el propio gas, la caída es rápida. Las etapas que siguen se describen en el artículo sobre tratamiento de gases de combustión en un incinerador.
La alternativa es la recuperación de calor, y ahí el compromiso es real. Una caldera de recuperación de calor residual recupera el calor sensible que un enfriamiento rápido simplemente evapora, pero presenta una gran superficie y un recorrido de gas largo, y el gas pasa en consecuencia más tiempo dentro de la ventana mientras la atraviesa. Las plantas que hacen ambas cosas disponen la caldera de modo que la banda se cruce en su sección más caliente y más compacta, o aceptan cierto grado de reformación dentro de la caldera y eliminan los productos aguas abajo.
Una consecuencia de cualquiera de las dos opciones es la temperatura a la entrada del filtro de partículas. Ese valor lo fija el material de las mangas y aquí tiene un efecto secundario útil: un filtro que opera por debajo de la ventana deja la ceniza recolectada fuera del rango que promueve más síntesis de novo.
Después del enfriamiento rápido: adsorción y efecto de memoria
El enfriamiento reduce la formación; no elimina lo que ya se formó. Esa función recae en la adsorción, y la disposición habitual es carbón activado en polvo inyectado en el conducto antes del filtro de mangas, de modo que el carbón se acumula formando la torta del filtro y el gas pasa a través de un lecho de carbón y no solo junto a él.
Hay un comportamiento que conviene conocer antes de especificar la planta. Las dioxinas que se adsorbieron antes pueden liberarse de nuevo cuando cambian las condiciones —una oscilación de temperatura, un cambio de carga, una parada y un rearranque—, de modo que una planta puede emitir más después de un trastorno de lo que predice su diseño en régimen permanente. Mantener la ceniza recolectada fría y estable, y mantener la inyección de carbón funcionando de forma continua, es lo que lo limita.
Cómo se calcula el valor en chimenea
Las dioxinas no son un solo compuesto. La familia llega a 210 congéneres de dibenzo-p-dioxinas y dibenzofuranos policlorados, de los cuales los diecisiete con cloro en las posiciones 2,3,7,8 son los que aportan la toxicidad. Por eso un resultado en chimenea es una suma ponderada: cada congénere se multiplica por un factor de equivalencia tóxica y los productos se suman, lo que da una sola cifra en nanogramos de equivalente tóxico por metro cúbico, escrita ng TEQ/m³.
Los límites que aplican a los incineradores de este sitio se fijan en esa unidad. En el gráfico de emisiones de incineradores, la incineración de residuos médicos y peligrosos tiene un límite de 0.5 ng TEQ/m³ como media de medición, y la incineración de residuos sólidos urbanos, un límite de 0.1 ng TEQ/m³ para dioxinas y furanos. Por eso el control de dioxinas en incineradores de residuos médicos es una cuestión de toda la cadena, desde la cámara hasta el carbón, y no de una sola de sus etapas.
Una propiedad de esa cifra determina cómo debe usarse. Es una media sobre un periodo de muestreo definido, no una lectura puntual, así que describe la planta en operación normal y no durante su peor minuto. Una cifra que cumple no demuestra por sí sola que el diseño del enfriamiento sea holgado, por lo que la sección de enfriamiento se diseña a partir del perfil de temperatura y del tiempo de residencia, y la cifra de chimenea se usa para confirmar el resultado y no para fijar el diseño.
Errores comunes
- Especificar una temperatura de salida del enfriamiento rápido y nada sobre el tiempo que el gas permanece en la ventana. La temperatura dice dónde está el gas, no cuánto tardó en llegar allí.
- Ralentizar el enfriamiento rápido en incineradores de residuos para recuperar más calor sin preguntar por lo que el gas atraviesa al bajar. La recuperación de calor y el control de dioxinas tiran en direcciones opuestas dentro de la misma banda.
- Tratar los 850 °C y los dos segundos como toda la respuesta frente a las dioxinas. Rigen la destrucción en la cámara y no dicen nada sobre lo que se forma después.
- Dejar que la temperatura de entrada del filtro derive hacia arriba, de modo que la ceniza recolectada vuelva hacia la ventana de la que se la sacó.
- Ignorar la química de la ceniza. Una alimentación con alto contenido de cobre o hierro le da a la ceniza volante una superficie más activa, y el mismo perfil de temperatura produce entonces más.
- Muestrear una sola vez y tratar el resultado como una propiedad de la planta. La cifra es una media sobre un periodo, y solo tiene sentido si se indica el periodo, la carga y las condiciones de operación.
Autoverificación antes de especificar la sección de enfriamiento
- ¿Se conoce la temperatura del gas en todos los puntos entre la salida de la cámara y la entrada del filtro, y no solo en los dos extremos?
- ¿Se declara el tiempo de residencia entre el extremo superior y el inferior de la ventana como dato de diseño?
- ¿Se ha verificado el enfriamiento con la carga más baja a la que operará la planta, donde el gas es más lento?
- ¿La temperatura de entrada del filtro está ajustada al material de las mangas y se mantiene por debajo de la ventana?
- ¿La tasa de inyección de adsorbente está dimensionada para la carga de reformación y es un servicio continuo?
- ¿Están cubiertas las condiciones de arranque, parada y cambio de carga, dado que el material adsorbido puede liberarse de nuevo?
- ¿La cifra objetivo en chimenea se expresa en ng TEQ/m³ sobre un periodo de muestreo declarado?
De un perfil de temperatura a una cifra en chimenea
La reformación de dioxinas en los gases de combustión se controla con una cadena y no con un solo equipo: la destrucción en la cámara, una sección de enfriamiento que saca el gas de la ventana activa con rapidez y una etapa de adsorción que captura lo que se formó de todos modos. El gráfico de emisiones de incineradores fija el límite que la cadena debe cumplir, y el artículo sobre tratamiento de gases de combustión cubre las etapas que siguen a la sección de enfriamiento. Envíenos la composición de los residuos y la norma aplicable, y la disposición de enfriamiento, la tasa de inyección de adsorbente y el servicio del filtro para su planta se confirman con la fábrica para sus residuos y su límite.