Qué mide el poder calorífico de los residuos
El poder calorífico de los residuos es el calor liberado cuando una masa unitaria del residuo se quema por completo, expresado en MJ/kg o en kcal/kg. Circulan dos cifras para cada combustible y cada residuo. El poder calorífico superior cuenta todo el calor liberado, incluido el calor latente del vapor de agua que produce la combustión. El poder calorífico inferior resta ese calor latente, y es el que importa aquí, porque los gases de combustión salen de un incinerador por encima del punto de rocío de su agua y el calor latente nunca se recupera.
La otra distinción que hay que fijar antes de usar cualquier cifra es la base. Un valor expresado en base seca describe el material combustible del residuo; un valor expresado tal como se recibe describe el residuo que llega a la puerta, incluidos el agua y los inertes, y es la cifra tal como se recibe la que el horno ve realmente. Mezclar las dos es el error más común en un balance térmico.
Para un químico único o un plástico clasificado, el poder calorífico es un número. Para los residuos municipales, los residuos clínicos o un tanque de lodo industrial es una distribución, y la cifra con la que hay que diseñar es el extremo bajo del rango que presentará realmente la alimentación y no su promedio.
El poder calorífico de los residuos para dimensionar el incinerador: el balance térmico
El balance térmico de una cámara de combustión es breve, y todo lo demás se deriva de él. El calor que entra es igual al caudal de alimentación multiplicado por el valor calorífico inferior de la alimentación. El calor que sale se reparte en cuatro vías: en calentar y evaporar el agua de la alimentación; en calentar los gases de combustión, el término más grande con diferencia, cuya masa la fija el exceso de aire; en pérdidas por las paredes, las puertas y la ceniza; y en mantener la cámara y su refractario a la temperatura que el proceso necesita.
La consecuencia es que la temperatura de la cámara es un resultado y no un mando. El exceso de aire es la palanca más potente disponible: el aire que no se necesita para la combustión igualmente hay que calentarlo desde la temperatura ambiente hasta la de la cámara con la misma liberación de calor, de modo que el aire sobrante diluye la llama y baja la temperatura, mientras que el aire escaso deja monóxido de carbono y material sin quemar en el gas. Eso es lo que ajusta el recorte de oxígeno del control de combustión.
El agua es la segunda palanca y, en alimentaciones húmedas, la dominante. Cada kilogramo de agua en la alimentación consume calor para evaporarse, y ese calor sale del mismo presupuesto que la temperatura de la cámara. Una alimentación que parece aceptable en un análisis en base seca puede dar una combustión fría y humeante tal como se recibe, y por eso el contenido de humedad es la primera cifra que hay que revisar y la más fácil de cambiar.
El poder calorífico de las corrientes de residuo comunes
Las bandas siguientes son las que suelen citarse en las guías de diseño, y deben leerse como un método de partida y no como una especificación: describen clases de residuo, no su residuo, y son amplias porque la humedad y el contenido de inertes mueven la cifra más que la composición.
- El poder calorífico de los residuos sólidos municipales se cita comúnmente entre unos 5 y unos 12 MJ/kg tal como se recibe, con los residuos ricos en envases en la parte alta y los residuos con mucha materia orgánica o de temporada de monzón en la parte baja. Las cifras de diseño suelen tomarse por debajo de la media anual.
- Los residuos clínicos y médicos son ricos en plástico y textil, así que se sitúan cómodamente por encima de los residuos domésticos, y una unidad dimensionada para ellos es una máquina distinta de una dimensionada para residuos con la misma capacidad.
- El poder calorífico en la incineración de lodos hay que calcularlo y no buscarlo en tablas. Una torta deshidratada es en su mayor parte agua, y con 20 % de sólidos secos casi toda la liberación de calor se destina a evaporar el resto, así que la aritmética corresponde a la torta real y no a una banda.
- Los plásticos, el caucho, los aceites y los solventes se sitúan alto, y una corriente dominada por ellos sobrecalentará un horno dimensionado para residuos mezclados en lugar de subcalentarlo.
Consumo de combustible auxiliar del incinerador: cuando la alimentación no puede mantener la temperatura
Una cámara de combustión debe alcanzar su temperatura de trabajo y mantenerse en ella. Por debajo de cierto poder calorífico, el residuo no puede lograrlo sin ayuda, y la planta necesita un quemador funcionando de forma continua y no solo en el arranque. En la práctica de los residuos municipales, una regla empírica de diseño sitúa ese umbral en torno a 7 MJ/kg tal como se recibe; es una regla empírica y no una norma, porque la cifra real varía con el exceso de aire, la temperatura del aire de combustión y las pérdidas de calor de la cámara.
Un quemador de apoyo es un costo de operación y no una previsión de emergencia, y pertenece al presupuesto operativo desde el primer cálculo. El consumo de combustible auxiliar del incinerador se deriva de la diferencia entre el calor que aporta la alimentación y el calor que necesita la cámara, y sube en tiempo lluvioso, con carga baja y siempre que el exceso de aire se ajusta alto.
Cuando la alimentación carece de calor hay cuatro respuestas, normalmente combinadas: reducir el agua, mediante deshidratación, drenaje o cobertura del búnker de almacenamiento; precalentar el aire de combustión; reducir el exceso de aire al valor más bajo que aún dé una combustión completa; o aceptar el combustible auxiliar y dimensionar con honestidad el quemador y el almacén de combustible.
Volumen del horno: por qué los mismos kilogramos por hora no son la misma carga
La cámara debe mantener el gas a la temperatura requerida durante el tiempo de residencia que fija la norma —2.0 segundos para residuos médicos y peligrosos, 2 segundos para residuos municipales—, y ese requisito es una afirmación sobre el volumen frente al caudal volumétrico de gas. El caudal de gas proviene del aire de combustión, que a su vez proviene del oxígeno que necesita la alimentación más el exceso que se esté aplicando.
Por eso, dos residuos quemados con los mismos kilogramos por hora no producen el mismo horno. Una alimentación de alto poder calorífico libera más calor en el mismo volumen de cámara, así que sube la tasa volumétrica de liberación de calor, y el refractario y el comportamiento de fusión de la ceniza del residuo le ponen un techo. Cuando ese techo se superaría, el diseño o agranda la cámara, o diluye la alimentación, o añade un sumidero de calor como una pared de agua o una caldera de recuperación de calor. Una alimentación de bajo poder calorífico tiene el problema contrario: la cámara es fácil de mantener fría y difícil de mantener caliente.
Por eso una cifra de capacidad en kilogramos por hora carece de sentido sin el residuo para el que se dimensionó. La forma honesta de comparar dos ofertas es pedir el poder calorífico de diseño, el contenido de humedad, el exceso de aire y el volumen de cámara resultante detrás de cada cifra. El artículo complementario sobre cómo dimensionar un incinerador de residuos médicos lleva el mismo razonamiento a una capacidad diaria y a un número de ciclos.
Medir el poder calorífico de su propio residuo
Una banda tomada de una tabla es donde empieza el trabajo, no donde termina, porque la cifra que dimensiona el horno es una propiedad del residuo que genera el emplazamiento. Hay tres rutas para llegar a ella, en orden creciente de esfuerzo.
- Muestrear el residuo tal como se recibe, durante un período lo bastante largo para cubrir la variación, en proporción a la masa que representa cada muestra. Para una corriente heterogénea esta es la parte difícil: una sola muestra puntual de un contenedor vale muy poco.
- Hacer analizar las muestras. Un análisis próximo da humedad, materia volátil, ceniza y carbono fijo; un análisis elemental da carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, oxígeno y cloro; una bomba calorimétrica da el poder calorífico superior, del cual se deduce el valor calorífico inferior.
- Hacer un balance de energía en la propia planta. Pesar el residuo y el combustible auxiliar durante un período de operación normal, registrar la temperatura de la cámara y el exceso de aire, y calcular hacia atrás el poder calorífico efectivo que implica el consumo de combustible. Esto no necesita laboratorio y utiliza la alimentación tal como llega realmente.
Incineración de residuos de bajo poder calorífico: los errores que se derivan de una cifra equivocada
- Dimensionar con una cifra en base seca o de poder calorífico superior. El horno ve el residuo tal como se recibe, con toda su agua, y el error siempre va en la dirección optimista.
- Usar un promedio anual. La planta también tiene que operar en la semana húmeda, y un horno dimensionado con la media queda subdimensionado y sobrealimentado de combustible cuando más importa.
- Comprar una cifra de capacidad en kilogramos por hora sin preguntar para qué residuo se dimensionó. Dos ofertas pueden citar el mismo número y describir máquinas distintas.
- Tratar el quemador auxiliar como equipo de emergencia. Con una alimentación de bajo poder calorífico forma parte de la condición normal de operación.
- Subir el exceso de aire para perseguir una chimenea limpia. El aire extra baja la temperatura de la cámara y aumenta el volumen de gas que la cámara y el tren de gases deben manejar.
- Ignorar la humedad en el almacenamiento. Un búnker abierto a la lluvia convierte una alimentación que era marginal sobre el papel en una que no puede mantener la temperatura.
Autoevaluación antes de dimensionar un horno
- ¿La cifra es un valor calorífico inferior, en base tal como se recibe, medido sobre residuo de este emplazamiento durante un período que cubra la variación?
- ¿Se conoce el contenido de humedad, y se sabe cuánto varía a lo largo del año?
- ¿Está registrado el extremo bajo del rango, y se dimensiona el horno contra él y no contra la media?
- ¿Se ha hecho el balance térmico, incluido el exceso de aire con el que realmente operará la planta?
- ¿Se declara la función del combustible auxiliar como continua cuando la alimentación la necesita, con el consumo de combustible y el almacenamiento que la acompañan?
- ¿Se verifica el volumen de la cámara contra el tiempo de residencia con el caudal de gas más alto que verá la planta?
- ¿La cifra de capacidad de la oferta está calificada por el residuo para el que se dimensionó?
De un análisis de residuo a un tamaño de horno
El tamaño de un horno es el resultado de un balance térmico, y el balance térmico vale solo tanto como el poder calorífico y el contenido de humedad que se introducen en él. Esas dos cifras provienen del residuo que genera el emplazamiento, no de una tabla general, y todo lo demás —el volumen de la cámara, el quemador auxiliar, la capacidad que la unidad aceptará realmente, el tren de gases detrás— se deriva de ello. El gráfico de emisiones de incineradores expone la temperatura y el tiempo de residencia que la cámara debe mantener, y las páginas de incineradores describen las unidades en las que se integran las cámaras. Envíenos el análisis del residuo y el tonelaje diario, y el volumen de cámara, la función del quemador y la cifra de capacidad para su residuo se confirman con la fábrica para su análisis de residuo en lugar de leerse de una tabla.