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“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES Y RESIDUOS PARA EL INCINERADOR DEL CENTRO ASISTENCIAL EL GUAVIO-HOSPITAL
CENTRO ORIENTE”
MARIA CLARA HERNÁNDEZ MORALES
TRABAJO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
Director:
NÉSTOR ROJAS, PhD
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ, D.C.
2004
IQ-2004-I-25
2
Dedico este proyecto a
mis padres Rafael y Betty
IQ-2004-I-25
3
AGRADECIMIENTOS
A Néstor Rojas (profesor asistente del departamento de Ingeniería Química de la
Universidad de Los Andes), por su apoyo tanto académico como moral para
desarrollar con éxito este proyecto.
A Astrid Altamar, Felipe Muñoz, y Rubén Fajardo (profesores departamento de
Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes) por su asesoría en ciertos
temas relacionados con la tesis.
A Oliver Morales, Mariela Araque, Jorge Eduardo Herrera, (personal del Hospital
Centro Oriente) y a Olga Lucía Ramírez por su disponibilidad de tiempo y especial
colaboración en cuanto al suministro de cualquier información sobre el
funcionamiento del incinerador ubicado en el Centro Asistencial El Guavio (sede
del hospital) y acerca del manejo y disposición de los residuos patológicos
generados.
Al ingeniero Mario Suárez (gerente de mercadeo y ventas de TKF-Engineering &
Trading S.A.), por su disponibilidad para responder a cualquier inquietud sobre el
tema y conceder la información pertinente sobre el horno incinerador HI-10Pm.
Al ingeniero Cesar Augusto García (INAMCO LTDA.), por ofrecer sus servicios y
equipos para realizar las pruebas de emisiones al incinerador HI-10Pm del Centro
Asistencial El Guavio.
A Henry Torres (DAMA), por realizar los trámites necesarios para obtener el
permiso para encender el incinerador.
En general, a todas las personas que de una u otra manera colaboraron en la
realización del presente proyecto de grado.
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CONTENIDO
Pág. INTRODUCCIÓN...................................................................................................11 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.............................................................13 2. OBJETIVOS.....................................................................................................14
2.1. OBJETIVO GENERAL..................................................................................14 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.........................................................................14 3. MARCO TEÓRICO..........................................................................................15 3.1. PROCESO DE INCINERACIÓN....................................................................15
3.2. CONDICIONES ÓPTIMAS DE OPERACIÓN EN UN INCINERADOR.........16 3.3. CLASIFICACIÓN DE LOS INCINERADORES.............................................16 3.3.1. Criterios de clasificación..........................................................................16 3.3.2. Tecnologías más utilizadas......................................................................17
3.3.2.1. Horno de parrillas...................................................................................17 3.3.2.2. Horno rotatorio.......................................................................................17 3.3.2.3. Horno de lecho fluidizado.....................................................................18 3.3.2.4. Horno de solera fija...............................................................................18 3.3.2.5. Horno de pisos.......................................................................................19
3.3.2.6. Horno de inyección de líquidos............................................................19 3.4. CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN GENERADA POR INCINERADORES........................................................................................20 3.4.1. Sistemas de captación de partículas......................................................20
3.4.1.1. Ciclones..................................................................................................20 3.4.1.2. Filtros de mangas..................................................................................21 3.4.1.3. Precipitadores electrostáticos (ESP)...................................................22 3.4.1.4. Torres de lavado y lavadores venturi...................................................22
3.4.2. Sistemas de eliminación de gases ácidos (HCl, HF, SO2).....................23
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3.4.2.1. Inyección de un agente alcalino seco (Dry Sorbent Injection)..........23
3.4.2.2. Absorción con Atomizador/Secador (Spray Dryer Absorption)........23 3.4.2.3. Lavado por vía húmeda (Wet Scrubbing)............................................24 3.4.3. Remoción de dioxinas y furanos por adsorción....................................24 3.4.4. Remoción de NOx.....................................................................................25
3.4.5. Tratamiento y disposición de las cenizas y escorias............................25 3.4.5.1. Inertización in-situ.................................................................................25 3.4.5.2. Deposición en vertedero controlado (rellenos sanitarios).................25 4. CARACTERIZACIÓN DEL HORNO INCINERADOR HI-10Pm......................26
4.1. HISTORIAL DEL HORNO DENTRO DEL HOSPITAL.................................26 4.2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL HORNO....................................................27 4.3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE DISEÑO DEL HORNO....................28 4.4. CÁLCULO TEÓRICO DEL FUNCIONAMIENTO INTERNO DEL
HORNO.........................................................................................................29 4.4.1. Consideraciones previas.........................................................................29 4.4.1.1. Supuestos generales.............................................................................29 4.4.1.2. Tipo de residuos a incinerar.................................................................29
4.4.1.3. Tipo de combustible usado...................................................................31 4.4.2. Balances de masa y energía....................................................................31 4.4.3. Turbulencia................................................................................................33 4.4.4. Tiempo de residencia................................................................................35 4.4.5. Evaluación de las condiciones mecánicas y operativas del horno......39
5. ALTERNATIVAS DE SOLUCION PARA EL HORNO HI-10Pm.....................44 5.1. PLANTEAMIENTO DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN...................44 5.1.1. Alternativa 1: Diseño y adecuación de un sistema de
control de emisiones al horno del hospital Centro Oriente...................44
5.1.1.1. Diseño del equipo para el control de gases ácidos (SO2 y HCl).........45 5.1.1.2. Diseño del equipo para el control de material particulado.................51 5.1.2. Alternativa 2: Chatarrización y venta del horno, y servicio
externo de incineración de placentas y recolección de demás
desechos patológicos..................................................................................56
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5.2. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LAS ALTERNATIVAS DE
SOLUCIÓN PLANTEADAS...........................................................................57 5.2.1. Evaluación económica de la alternativa 1: Diseño y adecuación
de un sistema de control de emisiones al horno del hospital Centro Oriente............................................................................................57
5.2.2. Evaluación económica de la alternativa 2: Chatarrización y venta del horno, y servicio externo de incineración de placentas y recolección de demás desechos patológicos....................64
6. CONCLUSIONES.............................................................................................66
BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................69 ANEXOS.................................................................................................................71
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LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Ventajas y desventajas de la incineración.....................................15 Tabla 2. Especificaciones técnicas de diseño del horno HI-10Pm.............28 Tabla 3. Producción y frecuencia de recolección de los
residuos patógenos de las sedes del Hospital Centro Oriente..................29 Tabla 4. Caracterización de los residuos Tipo 4 según la Norma NFPA...30 Tabla 5. Características del combustible Fuel Oil N°2.................................31 Tabla 6. Variables de entrada para el B. Masa y el B. Energía....................33
Tabla 7. Variables de salida para el B. Masa y el B. Energía.......................33 Tabla 8. Dimensiones de las cámaras del horno..........................................34 Tabla 9. Propiedades, flujo y Re de los gases en las cámaras del horno..........................................................................................................34
Tabla 10. Tiempos de residencia en el horno considerando Plug Flow....37 Tabla 11. Tiempos de residencia de camino rápido en el horno................37 Tabla 12. Tiempos de residencia no isotérmicos cámara de combustión......................................................................................................38 Tabla 13. Tiempos de residencia no isotérmicos cámara de
post-combustión.............................................................................................38 Tabla 14. Diferencias y similitudes entre el horno del hospital y el horno estudiado por el MMA mediante simulación.....................................40 Tabla 15. Concentraciones de contaminantes asumidas en la
corriente de gas de salida del horno.............................................................41 Tabla 16. Límites máximos de MP, HCl, NO2 y SO2 permitidos por la resolución 0058 del MMA............................................................................42
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Tabla 17. Comparación entre las concentraciones emitidas por el
horno y las establecidas por la resolución 0058/2002 del MMA.................42 Tabla 18. Matriz de selección de equipos para el control de SO2 y HCl....45 Tabla 19. Matriz de selección de equipos para el control de MP...............45 Tabla 20. Gases emitidos a la atmósfera por combustión en el horno.....46
Tabla 21. Datos y resultados del balance de energía del absorbedor.......49 Tabla 22. Especificaciones de diseño del absorbedor................................50 Tabla 23. Especificaciones de diseño del filtro de mangas........................53 Tabla 24. Factores para calcular la velocidad de filtrado de un filtro
de limpieza por pulsaciones..........................................................................54 Tabla 25. Costos Totales Anuales del incinerador (US$)............................58 Tabla 26. Capital Total de Inversión del absorbedor diseñado (US$)........59 Tabla 27. Costos Totales Anuales del absorbedor diseñado (US$)...........60
Tabla 28. Capital Total de Inversión del filtro de mangas diseñado (US$).................................................................................................................61 Tabla 29. Costos Totales Anuales del filtro de mangas diseñado (US$)...62 Tabla 30. Costos del sistema Incinerador-Absorbedor-Filtro de
mangas.............................................................................................................63 Tabla 31. Flujo de caja y VPN para la alternativa de solución 1.................63 Tabla 32. Cotización del horno como chatarra.............................................64 Tabla 33. Costos anuales de servicios de incineración de placentas y de recolección de residuos patógenos.........................................................65
Tabla 34. Flujo de caja y VPN para la alternativa de solución 2.................65
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Gráfico de Temperatura vs tiempo cámara de combustión.......39 Figura 2. Gráfico de Temperatura vs tiempo cámara de post-combustión.............................................................................................39 Figura 3. Balance de masa en el absorbedor...............................................48
Figura 4. Esquema del absorbedor diseñado..............................................51 Figura 5. Esquema del filtro de mangas diseñado......................................55
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LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Fotos del horno incinerador HI-10pm del hospital Centro Oriente...................................................................................................................71 Anexo B. Balances de masa y energía...............................................................75
Anexo C. Explicación parámetros para la evaluación económica de la alternativa de solución 1: diseño y adecuación de un sistema de control de emisiones al horno del hospital centro oriente..............................85 Anexo D. Cotización del horno como chatarra..................................................89
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INTRODUCCIÓN
El proyecto que se expone a continuación, consiste en la búsqueda de una
solución efectiva e inmediata para la disposición física de el horno incinerador de
residuos ubicado en al Centro Asistencial el Guavio, sede del hospital Centro
Oriente.
Durante el desarrollo de este proyecto, se plantean dos alternativas de solución,
se evalúan sus ventajas y sus desventajas, y de acuerdo a este análisis, se
determina cuál de las opciones resulta ser la más conveniente para el hospital
tanto económica como ambientalmente. La primera alternativa puesta en estudio,
que es la de chatarrizar y vender el horno, surge por la necesidad que tienen las
directivas del hospital de deshacerse de éste lo antes posible, y se convierte en la
solución más rápida y sencilla para este problema. La segunda opción, que
consiste en diseñarle un sistema de control de emisiones y residuos al equipo,
más allá de resolver el problema de desocupar el espacio, permite su
recuperación mediante su puesta en marcha para prestarle un servicio muy útil al
hospital, que es el de destruir los desechos hospitalarios generados por todas sus
sedes.
Cabe mencionar también que, aunque la primera alternativa de solución planteada
es desde un principio la más opcionada para convertirse en la escogida, a lo largo
de este proyecto se consideran de manera equitativa ambas opciones y se
estudian bajo los mismos parámetros, con el ánimo de no llegar a tomar una
decisión final apresurada o mal fundamentada. El personal directivo del hospital
Centro Oriente aceptó la propuesta de este proyecto precisamente porque se
desea tomar la decisión más adecuada acerca de la disposición física del horno
incinerador sobre la base de un estudio de alternativas sólido y bien cimentado.
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Por último, es necesario aclarar que dentro de la metodología establecida para el
desarrollo de este proyecto estaban incluidas actividades bastante claves para el
cumplimiento de los objetivos trazados; sin embargo, por razones económicas, no
se pudieron llevar a cabo un par de ellas por lo que fue necesario acoplarse a la
información y los recursos reunidos únicamente, y a partir de esto establecer
ciertas aproximaciones. A pesar de los inconvenientes presentados durante el
desarrollo de este proyecto, finalmente se obtuvieron los resultados apenas
necesarios para alcanzar el objetivo principal.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Actualmente, el hospital Centro Oriente de la ciudad de Bogota posee un horno
incinerador de residuos, ubicado en el Centro Asistencial El Guavio (sede de dicho
hospital) en el mismo recinto en donde se encuentran la planta eléctrica y los
recipientes para el almacenamiento de los residuos. Según declaraciones del
personal directivo, este equipo fue una donación que hizo el Ministerio de Salud al
hospital hace 7 años aproximadamente, fecha en la cual se puso a funcionar pero
finalmente se dejo de usar porque empezó a provocar daños en las redes
hidráulicas y eléctricas, además de generar ruido excesivo y gases contaminantes.
Desde entonces, el horno ha estado apagado y, a juzgar por su estado físico
deteriorado, no se encuentra en óptimas condiciones de operación como para
restablecer su uso. Por tal motivo, el horno se ha convertido en un problema para
el hospital ya que bajo estas circunstancias es un estorbo y un peligro potencial
para el personal y los pacientes, por lo que la alternativa planteada siempre ha
sido chatarrizarlo y venderlo.
Por otra parte, también ha surgido la idea de plantear la posible recuperación del
horno, para que de esta manera se pueda obtener provecho de su gran potencial
para la incineración de los residuos patológicos generados, debido a que este
método es bastante efectivo para este tipo de residuos. Además, con esta
alternativa de solución, se estará suprimiendo la necesidad actual que tiene el
hospital de contar con el servicio de incineración de placentas prestado por la
empresa ECOENTORNO LTDA., y también con el de recolección de demás
residuos patológicos suministrado por la empresa CIUDAD LIMPIA (ECSA).
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2. OBJETIVOS
2.1. GENERAL
Evaluar la viabilidad de una alternativa de solución para el incinerador del Centro
Asistencial El Guavio-Hospital Centro Oriente, distinta a su chatarrización y venta.
2.2. ESPECÍFICOS
• Realizar un estudio de las especificaciones técnicas de diseño del incinerador.
• Si es posible, poner a funcionar el incinerador para evaluar y analizar las
concentraciones de las emisiones gaseosas, del material particulado y de las
cenizas producidas en la combustión.
• Diseñar un sistema de tratamiento de dichas emisiones gaseosas y residuos
sólidos con el fin de reducir sus concentraciones notablemente hasta cumplir
con los estándares establecidos por la resolución 0058/2002 del Ministerio del
Medio Ambiente de la República de Colombia.
• Realizar una análisis económico comparativo entre la alternativa de incinerar
en el horno los residuos patológicos una vez implementado el sistema de
control diseñado, y la otra opción, que consiste en vender el equipo incinerador
como chatarra y seguir con los servicios de incineración y de recolección de
residuos.
• Presentar la propuesta de diseño del sistema de tratamiento de gases y
residuos sólidos y el análisis económico respectivo al hospital Centro Oriente,
para que sus directivas evalúen las posibilidades y tomen la decisión más
conveniente.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1. PROCESO DE INCINERACIÓN
La incineración es un proceso de combustión controlada que transforma la
fracción combustible de los residuos en productos gaseosos (HCl, HF, SOx, NOx,
hidrocarburos poliaromáticos, clorobencenos, dioxinas, furanos, material
particulado (MP), metales pesados como Hg, Cd, Pb, As, Ni, Mn, Cu, Cr,
dependiendo del tipo de residuos alimentados) y en un residuo sólido inerte
(escorias y cenizas), utilizando aire como comburente.
Las ventajas y las desventajas más importantes de la incineración como método
térmico para el tratamiento de residuos se enuncian en la Tabla 11.
Tabla 1. Ventajas y desventajas de la incineración
Ventajas Desventajas
No se necesita una trituración previa de los
residuos a incinerar.
Esta limitado para residuos muy acuosos y
no combustibles.
Proporciona una reducción en volumen (80-
90%) y en peso (75%) al mismo tiempo.
El horno incinerador presenta restricciones
de ubicación con respecto a sus zonas
aledañas.
Permite la destrucción de residuos altamente
tóxicos e infecciosos.
Requiere de la implementación de equipos
de control de contaminación.
El espacio ocupado por el horno incinerador
es reducido, comparado con otros métodos de
tratamiento de residuos.
Necesita de la adición de combustible
auxiliar para mantener las temperaturas de
combustión.
Su uso hace posible la recuperación de
energía.
Implica altos costos de inversión y de
mantenimiento.
1 FUNDACIÓN MAPFRE-ITSEMAP AMBIENTAL. Implicación ambiental de la incineración de residuos urbanos, hospitalarios y similares. Editorial MAPFRE S.A.. Madrid, 1994.
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3.2. CONDICIONES ÓPTIMAS DE OPERACIÓN EN UN INCINERADOR
Una combustión eficiente se consigue mediante el pleno cumplimiento de las “tres
T´s”, que son Turbulencia, Tiempo de residencia, y Temperatura. Esto quiere decir
que es necesario que se genere un flujo turbulento (sistema homogéneo), que se
alcancen altas temperaturas, y que los gases de combustión permanezcan un
mínimo tiempo de residencia. De esta manera, todas estas condiciones en
proporciones suficientes hacen posible que se lleve a cabo una destrucción
efectiva de los componentes orgánicos de los residuos. Es así como las tres T´s
forman las esquinas de un triángulo en el que cada una de ellas constituye un
componente de vital importancia para el proceso de incineración, ya que si una de
ellas disminuye, las otras dos deben aumentar para alcanzar el mismo grado de
eficiencia en la combustión2.
Por lo tanto, se ha establecido que los valores de Temperatura, Tiempo de
residencia y Turbulencia necesarios para el logro de una óptima combustión son
los siguientes3:
• La temperatura de combustión debe estar entre 705 y 815°C y la temperatura
de post-combustión debe estar entre 980 y 1200°C.
• El mínimo tiempo de residencia de los gases en la cámara de post-combustión
debe ser 2 segundos.
• El flujo de gases debe ser turbulento (Re>2300).
3.3. CLASIFICACIÓN DE LOS INCINERADORES
3.3.1. Criterios de clasificación. En la actualidad existe una gran variedad de
hornos incineradores que se pueden clasificar dentro de 3 grupos según 3 criterios
así: 1) según el tipo de residuos (estado físico, características químicas, o
2 D. LA GREGA, Michael; BUCKINGHAM, Phillip; EVANS, Jeffrey C. & Environmental Resources Management. Hazardous Waste Management. 2° ed., McGraw-Hill International Edition. Singapore, 2001. Pp. 742-743 3 Ibid. Pp. 782
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17
peligrosidad), 2) según el régimen de funcionamiento (continuo o discontinuo), y 3)
según la capacidad de tratamiento (pequeños: <50 ton/dia, grandes: >100
ton/dia)4.
3.3.2. Tecnologías más utilizadas. A continuación se describen los equipos
incineradores más comúnmente usados en la industria, los cuales pueden ser
encasillados en uno, en dos o hasta en los tres grupos de clasificación
mencionados.
3.3.2.1. Horno de parrillas5. Se utiliza para el tratamiento de desechos
irregulares y grandes, los cuales pueden ser puestos en una rejilla (fija, móvil, o
rotatoria), permitiendo que el aire primario de combustión (inyectado de forma
controlada) pase a través de la rejilla hacia el interior del desecho. El aire
secundario, por su parte, se inyecta en la cámara de post-combustión situada por
encima el horno.
Estos hornos son muy utilizados para quemar material celulósico como madera y
papel; pero no son muy útiles para los desechos peligrosos porque éstos
requieren de muy altas temperaturas para ser destruidos y por lo tanto pueden
dañarse las rejillas. Otro problema que tienen los hornos de parrillas, es que
presentan problemas mecánicos y necesitan de un frecuente mantenimiento.
3.3.2.2. Horno rotatorio6. Se usa para el tratamiento de residuos sólidos, líquidos
y gaseosos, que ocupan un 20% del volumen de la cámara; pero está limitado
para residuos redondos o cilíndricos y para altas temperaturas de operación.
Este equipo esta formado por una cámara cilíndrica refractaria que gira sobre su
eje longitudinal a una velocidad de 0.5-2 rpm. El horno esta inclinado 1-2° desde la
zona de alimentación hasta la descarga de cenizas para que los desechos se
puedan mover tanto horizontal como radialmente a través del cilindro, y de esta
4 Op. Cit. FUNDACIÓN MAPFRE-ITSEMAP AMBIENTAL. 5,6 Op. Cit. D. LA GREGA, BUCKINGHAM, EVANS, & Environmental Resources Management. Hazardous Waste Management. Pp. 777
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18
manera se quemen mientras llegan a la zona de descarga (cenizas de muy buena
calidad). Los gases resultantes pasan a una 2° cámara de combustión para ser
calentados a mayores temperaturas con el propósito de destruirlos
completamente.
3.3.2.3. Horno de lecho fluidizado. Como su nombre lo indica, este tipo de horno
consta de un lecho de arena o alúmina fluidizado con aire a presión, en el cual se
inyectan los desechos (como líquidos, lodos, o sólidos de tamaño uniforme)
mientras que las partículas del lecho están en suspensión. El aire usado para
fluidizar el lecho se calienta por lo menos hasta la temperatura de ignición de los
desechos, y éstos empiezan a oxidarse dentro del lecho. Gran parte de las
cenizas permanece en el lecho mientras que otra parte sale del incinerador7.
Entre las ventajas que presenta este equipo están que trabaja a bajas
temperaturas y bajos excesos de aire (poca formación de NOx), permite amplios
tiempos de residencia, ocupa un espacio reducido, ofrece la posibilidad de usar
catalizadores en el lecho, entre otras. Sin embargo, tiene el problema de que su
lecho debe ser cuidadosamente preparado y mantenido8.
3.3.2.4. Horno de solera fija. Consiste en una unidad de 2 cámaras (combustión
y post-combustión). En equipos pequeños, los desechos son cargados
intermitentemente a la cámara primaria, pero las cenizas no son removidas hasta
que su acumulación interfiera sobre la operación normal. En unidades más
grandes, existe una rampa que empuja los desechos hacia el interior y las cenizas
son removidas continuamente. En ambos tipos, la 2º cámara de combustión
quema los gases provenientes de la 1º cámara para destruir los compuestos
orgánicos presentes9.
7 Op. Cit. D. LA GREGA, BUCKINGHAM, EVANS, & Environmental Resources Management. Hazardous Waste Management. Pp. 780 8 Op. Cit. FUNDACIÓN MAPFRE-ITSEMAP AMBIENTAL. 9 Op. Cit. D. LA GREGA, BUCKINGHAM, EVANS, & Environmental Resources Management. Hazardous Waste Management. Pp. 778
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19
Los quemadores de este horno son capaces de desarrollar una gran potencia y
están diseñados para la puesta en marcha y calentamiento del refractario del
horno hasta alcanzar la temperatura que permita la entrada del residuo (850°C);
además, durante el funcionamiento normal del horno, se encienden de manera
automática cuando la temperatura desciende por debajo de 850 ºC.
3.3.2.5. Horno de pisos10. Sistema altamente mecanizado utilizado para quemar
lodos. Tiene uso limitado para la incineración de desechos peligrosos porque las
temperaturas requeridas para obtener eficiencias de destrucción razonables no
permiten que el equipo tenga una vida útil prolongada. Igualmente, estos equipos
son muy sensibles a cambios bruscos de temperatura por lo que debe procurarse
un trabajo continuo.
Este sistema tiene entre 2 y 6 compartimientos horizontales distribuidos en un
arreglo vertical. Los desechos son alimentados por el compartimiento superior y
calentados con quemadores por combustible; un dispositivo central de aire mueve
unos brazos sobre la superficie de cada compartimiento en forma de espiral,
desplazando los desechos hasta dirigirlos a la abertura que los lleva al
compartimiento inferior y así continúan quemándose hasta que finalmente son
enfriados y descargados como cenizas. Los gases de combustión, por su parte,
ascienden a altas temperaturas a través de la coraza externa.
3.3.2.6. Horno de inyección de líquidos11. Horno utilizado para la incineración
de líquidos o fluidos de baja densidad, los cuales son atomizados para formar
gotas y favorecer la evaporación. Es por esto que el tiempo de residencia debe ser
suficiente como para calentar, volatilizar y oxidar las gotas formadas.
Este equipo no tiene partes móviles y puede presentarse atascamiento de los
quemadores por presencia de sólidos.
10 Op. Cit. D. LA GREGA, BUCKINGHAM, EVANS, & Environmental Resources Management. Hazardous Waste Management. Pp. 779-780 11 Op. Cit. FUNDACIÓN MAPFRE-ITSEMAP AMBIENTAL.
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3.4. CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN GENERADA POR
INCINERADORES
Los productos de combustión generados por un horno incinerador dependen
fundamentalmente de la composición de los residuos quemados, y son altamente
nocivos para el medio ambiente, por lo que siempre se hace necesaria la
implementación de un sistema de control de la contaminación. Por lo general, este
sistema está compuesto por dos elementos funcionales: un equipo para la
captación de material particulado y otro para la remoción de gases ácidos. Sin
embargo, antes que tratar los productos de combustión, existe la posibilidad de
realizar un control en el origen, es decir, evitar al máximo que se generen dichos
compuestos o por lo menos que se reduzcan su emisiones mediante la
clasificación previa de los residuos a incinerar y/o el control de los factores que
afectan la eficiencia de la combustión (tres T´s).
A continuación se describen los dos elementos principales que debe tener un
sistema de control de contaminación acondicionado a un incinerador, y se incluye
también el tratamiento de otros contaminantes gaseosos y de las cenizas y
escorias.
3.4.1. Sistemas de captación de partículas.
3.4.1.1. Ciclones12. Dispositivos que separan las partículas de una corriente
gaseosa mediante la aplicación de una fuerza centrífuga. De esta manera, las
partículas chocan sobre las paredes y con el rozamiento pierden velocidad, por lo
que se separan de la corriente y caen hacia la parte inferior. Finalmente, la
corriente limpia asciende por la parte central y sale del equipo por la parte
superior.
12 ELIAS, Xavier. La incineración de residuos y su adecuación a la resolución 0058. 2ª parte: impacto ambiental. Medidas correctoras. Legislación comparada. Bogota, Agosto de 2003. Pp. 12
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Al aumentar la velocidad del gas, el diámetro de la partícula o la densidad,
aumenta la eficiencia de los ciclones, pero también la caída de presión. El rango
de tamaño de partícula que son capaces de separar (10-1000µm) se halla por
encima del tamaño generado por los incineradores, por lo que estos equipos no
son muy usados en esta industria.
Los ciclones pueden trabajar bajo condiciones severas de operación, requieren
bajos costos de capital y altos costos de operación.
3.4.1.2. Filtros de mangas13. Son dispositivos utilizados para la remoción de
material particulado seco de tamaño cargado en una corriente gaseosa. Se
caracterizan por su alta eficiencia de remoción (>99%), aún para partículas muy
finas (0.01-100µm). Constan de bolsas filtrantes (en paralelo) que retienen las
partículas del gas sucio que se hace pasar a través de ellas; y con el paso del
tiempo se va formando una capa (torta) por la acumulación del material particulado
sobre la superficie de las bolsas, con lo cual se va incrementando
significativamente la eficiencia de filtrado. Las bolsas filtrantes son hechas de
fibras naturales o sintéticas, dependiendo de la composición química del gas, de la
temperatura de operación, de la carga de partículas y de sus características físicas
y químicas.
Por su método de limpieza se clasifican en: filtro de aire en contracorriente, filtro
de limpieza mecánica, y filtro de pulsos de aire comprimido. En los dos primeros,
el gas sucio fluye de adentro hacia fuera de las bolsas y están formados por varios
módulos de bolsas, de los cuales solo uno es aislado y limpiado, mientras que los
demás módulos filtran el gas sucio. En el filtro de aire a contracorriente, la capa de
partículas formada se desprende por el paso de aire limpio en dirección contraria a
la dirección del gas sucio, y en el filtro de limpieza mecánica esto se hace
mediante la agitación de las bolsas. En el filtro de pulsos de aire comprimido, el
gas se filtra de afuera hacia adentro de las bolsas, por lo que tienen jaulas para
evitar que colapsen; y su limpieza se realiza por hileras, mediante pulsos de aire
13 COOPER, C. David and ALLEY, F.C.. Air Pollution Control, A design Approach. 3°. ed., Waveland Press Inc. U.S.A., 2002. Pp. 177-178, 184, 186,198
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22
comprimido (90-100 psi) durante un tiempo corto (30-100 mseg). El material
particulado removido cae a una tolva común ubicada debajo de las bolsas, de
donde posteriormente se recoge para ser dispuesto.
3.4.1.3. Precipitadores electrostáticos (ESP)14. Son equipos capaces de
depurar gases que contienen en partículas sólidas y/o líquidas, pero los materiales
de muy alta o baja resistividad no pueden ser separados. El gas circula a baja
velocidad en un recinto que ioniza las moléculas y estas actúan sobre el material
particulado debido a una diferencia de potencial de 40 a 120 kW en corriente
continua. Para su limpieza, contiene un mecanismo que hace caer las partículas
retenidas por intervalos regulares hacia una tolva.
Son útiles cuando se desean depurar grandes volúmenes de gases, o cuando se
trabaja a altas temperaturas y presiones. La eficiencia de remoción suele ser
superior al 98%, y remueven partículas pequeñas (0.01-100µm). La desventaja de
estos equipos es que ocupan mucho espacio y presentan altos costos de capital,
pero al mismo tiempo requieren bajos costos de operación.
3.4.1.4. Torres de lavado y lavadores venturi15. En estos dispositivos, las
partículas se adhieren a un vehículo líquido (generalmente agua) para facilitar su
separación de la corriente gaseosa, por lo que su principio de funcionamiento es la
absorción. Su eficiencia es proporcional a la pérdida de carga; al aumentar la
turbulencia, mejora la difusión y la mezcla, pero también aumenta la pérdida de
carga.
Las torres de lavado son el sistema más comúnmente usado, en las cuales el gas
atraviesa una serie de bandejas o bandejas de cuerpos rellenos en contracorriente
al líquido de lavado. En estos equipos, la baja velocidad del gas restringe su
aplicación a partículas superiores a 30 µm y su eficiencia es limitada pero los
costos de capital y el consumo de energía son bajos.
14 Op. Cit. ELIAS. Pp. 14 15 Ibid. Pp. 18
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23
Los lavadores venturi tienen un cuello a través del cual pasa el gas, alcanzando
una velocidad máxima y una presión mínima. Igualmente, durante esta zona de
saturación del gas, la velocidad relativa partícula/agua es alta por lo que la
transferencia de partículas al agua se facilita. Su eficiencia es alta para la
remoción de partículas sólidas, sin embargo, para aquellas muy finas (0,2–1 µm),
se requieren velocidades del orden de 50-150 m/s lo que significa un incremento
en el consumo de energía.
3.4.2. Sistemas de eliminación de gases ácidos (HCl, HF, SO2)16.
3.4.2.1. Inyección de un agente alcalino seco (Dry Sorbent Injection: DSI).
Este método involucra la adición de un material alcalino, lima hidratada (Ca(OH)2)
o soda cáustica (Na2(CO3)), a la corriente gaseosa para que reaccione con los
componentes ácidos presentes, produciendo una sal.
Este proceso tiene una eficiencia de remoción de HCl mayor un 90% y de SO2
alrededor de un 50%, pero la relación de agente alcalino agregado por ácido
presente en el gas es de 2-4 la cantidad estequiométrica de reacción, por lo que
su uso es bastante limitado debido a los altos costos asociados a la gran cantidad
de agente necesario. Para aumentar el rendimiento (>90% de HCl y 90% de SO2)
y disminuir el consumo de agente alcali (relación alcali/acido entre 1 y 2 veces la
estequiométrica) se implementa un sistema que incremente la humedad del gas
(enfriamiento previo del gas usando intercambiador de calor o por rociado de
agua) y otro que recicle los productos de reacción. Estos dispositivos van seguidos
de un recolector de material sólido típicamente un filtro de mangas.
3.4.2.2. Absorción con Atomizador/Secador (Spray Dryer Absorption: SDA).
Este método combina un atomizador/secador con un equipo de recolección de
partículas. En el primero de ellos se lleva a cabo la inyección de un agente alcalino
en forma de gotas (típicamente una lechada de cal hidratada) a la corriente
16 AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION. Air Pollution Engineering Manual. John Wiley & Sons, Inc. U.S.A.,2000. Pp. 264-266
IQ-2004-I-25
24
gaseosa que viene a muy altas temperaturas. En el momento en que entran en
contacto, la temperatura del gas disminuye y su humedad aumenta al mismo
tiempo que la lechada reacciona con los gases ácidos y se evapora el agua hasta
quedar las sales sólidas como productos de la reacción. La mayoría de estos
residuos sólidos son acumulados en el fondo de la torre atomizadora/secadora,
pero una parte puede ser arrastrada por el gas y retenida posteriormente por el
filtro de mangas instalado inmediatamente después.
Estos dispositivos tienen una eficiencia mayor a 99% en la remoción de HCl y de
SO3 y un 95% de SO2 y de HF, así como también son capaces de remover con
muy buen rendimiento trazas de metales y compuestos orgánicos, usando
relaciones de lechada/ácido entre 1 y 1.8 veces la cantidad estequiométrica de
reacción.
3.4.2.3. Lavado por vía húmeda (Wet Scrubbing). Una aplicación típica de éste
método es el sistema formado por un lavador en dos etapas (remoción de HCl y
de SO2) ubicados después de un precipitador electrostático. En este caso, se usa
agua para la eliminación del HCl y soda cáustica o lima hidratada para la del SO2.
Los lavadores húmedos requieren bajos costos de instalación, ocupan
relativamente poco espacio, son capaces de alcanzar eficiencias de más de un
99% de HCl y de más de un 95% de SO2, y utilizan una relación de alcali/ácido de
1-1.2 veces la relación estequiométrica. Sin embargo, producen un efluente líquido
por lo que se necesita de un post-tratamiento, requieren de materiales de
construcción más resistentes a la corrosión, y experimentan mayores problemas
operacionales que los otros dos métodos.
3.4.3. Remoción de dioxinas y furanos por adsorción17. Este método consiste
en hacer pasar el gas por un sólido adsorbedor, selectivo y de gran superficie
especifica, como el carbón activado (1000 m2/g) o la alúmina (200 m2/g), para la
remoción de compuestos orgánicos como las dioxinas y los furanos.
17 Op. Cit. FUNDACIÓN MAPFRE-ITSEMAP AMBIENTAL.
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25
Existen dos tipos de adsorción que son:
• Adsorbedor a contracorriente (lecho fijo de carbón activado).
• Reactor de transporte (inyección de carbón activado y caliza).
• Lecho de fluido circulante (intermedio).
3.4.4. Reducción de NOx18. Como su nombre lo indica, este método consiste en
reducir el NOx a N2 y H2O usando H2, NH3, CO e hidrocarburos. Existen dos tipos
de reducción que son:
• Reducción catalítica selectiva (SCR):
o Disminución de la temperatura hasta 300-400°C.
o Adición de NH3 en proporción estequimétrica al NOx
o Paso por catalizador (TiO2, VaO, TgO).
• Reducción no catalítica selectiva (SNC):
o Adición de una solución de NH3 o urea, dos veces la relación
estequiomértrica, en la cámara de combustión.
o Temperatura: 850-1000°C.
3.4.5. Tratamiento y disposición de las cenizas y escorias19.
3.4.5.1. Inertización in-situ. La inertización in-situ consiste en tratar las cenizas y
escorias resultantes de la combustión directamente en el sitio donde son
generadas. Existen dos métodos de inertización que son:
• Cementación: Adición de cemento y compactación de los residuos sólidos .
• Vitrificación: Adición de borosilicatos y fusión de los residuos a temperaturas
mayores a 200°C, y posterior enfriamiento rápido para formar un vidrio.
3.4.5.2. Deposición en vertedero controlado (rellenos sanitarios).
18,19 Op. Cit. FUNDACIÓN MAPFRE-ITSEMAP AMBIENTAL.
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26
4. CARACTERIZACIÓN DEL HORNO INCINERADOR HI-10Pm
4.1. HISTORIAL DEL HORNO DENTRO DEL HOSPITAL El equipo incinerador se encuentra ubicado en las instalaciones del Centro
Asistencial El Guavio (sede del hospital Centro Oriente ESE II Nivel) en el mismo
recinto en donde se encuentran la planta eléctrica y los recipientes para el
almacenamiento de los residuos generados en el hospital. El hecho de ubicar
estos tres elementos dentro de un mismo espacio constituye un riesgo potencial y
más aún cuando el espacio en este recinto es bastante reducido, y la circulación
peatonal se dificulta mucho.
Según el personal administrativo, el horno incinerador fue una donación que el
Ministerio de Salud ofreció al hospital Centro Oriente hace aproximadamente 7
años con el objetivo de ser utilizado para la incineración de los residuos
patológicos generados en las sedes de este hospital. Una vez adquirido, este
equipo fue encendido por un par de veces para efectuar las respectivas pruebas
de funcionamiento, quemando residuos anatomopatológicos y cortopunzantes. Sin
embargo, se decidió que no debía seguirse usando porque se empezaron a
observar problemas durante su funcionamiento tales como daños en las redes
hidráulicas y eléctricas del Centro Asistencial El Guavio debido a su inadecuada
ubicación, producción de ruido excesivo y, generación de gases altamente
contaminantes (El DAMA, por simple inspección ocular, determinó que estos
gases de chimenea no cumplían con los límites máximos permisibles de emisión
para incineradores, establecidos por la resolución 0058/2002 del Ministerio del
Medio Ambiente). Por tales razones, el horno nunca se ha usado a lo largo de
todos estos años hasta el día de hoy, por lo que se ha deteriorado con el paso del
tiempo, lo cual hace creer que no está en sus óptimas condiciones de operación,
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27
además de estar ocupando un espacio que puede ser útil para la reacomodación
de los demás elementos del recinto donde se encuentra y/o para la libre
circulación peatonal.
4.2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL HORNO20 La información que se describe a continuación sobre el horno incinerador
antipolución HI-10Pm A.C.P.M., para todo tipo de basuras (incluyendo los residuos
patológicos; de ahí el sufijo P) fue extraída de su manual de operación y
mantenimiento21 suministrado por TKF Engineering & Trading S.A., empresa
proveedora de este horno.
El horno incinerador HI-10Pm está compuesto por dos cámaras, una primaria
(cámara de combustión) y otra secundaria (cámara de post-combustión), las
cuales tienen forma cilíndrica. La cámara secundaria se encuentra situada
horizontalmente encima de la primaria, la cual esta ubicada en forma vertical.
Cada cámara está construida externamente en lámina de acero H.R., luego tiene
una capa de fibra mineral (aislante) y finalmente, en su parte interna, están
recubiertas con cemento refractario. Además, cada una tiene un quemador
automático a base de A.C.P.M. con encendido por chispa eléctrica y detección de
llama por medio de fotocelda. La cámara primaria contiene una puerta de cargue
por donde se introducen los residuos a incinerar y otra puerta de descargue por
donde se remueven las cenizas resultantes del proceso de combustión. La cámara
secundaria se encarga de oxidar los gases contaminantes generados por los
residuos quemados en la cámara primaria. Finalmente, los gases que provienen
de la cámara secundaria, salen a la atmósfera a través de una chimenea.
El aire necesario para la quema de residuos en la primera cámara y para la quema
de combustible en ambas cámaras es suministrado por un ventilador. Así mismo,
20 En el Anexo A se muestran fotos del equipo incinerador HI-10Pm TKF en estudio. 21 MINISTERIO DE SALUD. Horno incinerador antipolución para todo tipo de basuras modelo HI-10Pm ACPM. Manual de operación y mantenimiento. TKF Engineering & Trading S.A.
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28
la inyección del combustible a los quemadores de cada cámara se hace por medio
de una bomba de tipo pistón.
El horno también cuenta con un tablero de control general donde se ubican los
controles de temperatura, contactores, conmutadores, bombillos pilotos (rojos: luz
poder; falla llama combustión; falla llama post-combustión, y verde: incinerador
encendido), el encendido general y el botón para iniciar la incineración.
4.3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE DISEÑO DEL HORNO
La Tabla 2 contiene las especificaciones técnicas de diseño del horno HI-10Pm,
cuya información fue extraída de su manual de operación y mantenimiento22.
Tabla 2. Especificaciones técnicas de diseño del horno HI-10Pm
Capacidad sólidos 45 lb/h CÁMARA INFERIOR Estructura exterior Lámina de acero H.R. Aislante 1" Fibra mineral Refractario 3" Cemento refractario Puerta de cargue 12"x12" Apertura horizontal, sello de cordón de asbesto Puerta de remoción de cenizas 9"x9" Apertura horizontal, sello de cordón de asbesto 1 Quemador ACPM, 200000 Btu/h Encendido Arco eléctrico de transformación de ignición 120V/10000voltios1 Control de llama Electrónico por detección de fotocelda 1 Control de temperatura Control VEMER, Rango 0-1200°C, Tipo "K" 1 Ventilador 0.9 HP, 500cfm Combustible ACPM Temperatura de operación 800 °C Voltaje de operación 220 o 440 V, 3 F, 6 Hz CÁMAR SUPERIOR Estructura Lámina de acero H.R. Aislante 1" Fibra mineral Refractario 4" Cemento refractario 1 Quemador ACPM, 200000 Btu/h 1 Control de llama Electrónico por detección de fotocelda 1 Control de temperatura Control VEMER, Rango 0-1200°C, Tipo "K" Combustible ACPM Temperatura de operación 900 °C
22 Op. Cit. MINISTERIO DE SALUD
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29
4.4. CÁLCULO TEÓRICO DEL FUNCIONAMIENTO INTERNO DEL HORNO
4.4.1. Consideraciones previas. 4.4.1.1. Supuestos generales. Primero que todo, es necesario suponer que el
horno funciona bajo sus especificaciones de diseño y que sus partes mecánicas
(bomba, ventilador, quemadores, controles de temperatura y de llama, encendido,
etc.) trabajan en perfecto estado. De esta manera se considera que las
temperaturas de operación son de 800 y 900°C, para la 1° y 2° cámara,
respectivamente. Además se asume que el horno funciona a su máxima
capacidad, es decir que se incineran 45 lb/h de residuos sólidos (300 lb/h de
residuos totales), y que se inyecta un 150% de exceso de aire.
4.4.1.2. Tipo de residuos a incinerar. En caso de que se lograra poner a
funcionar el horno, sería utilizado para el tratamiento por incineración de los
residuos patógenos generados en todas las sedes del hospital Centro Oriente. En
la Tabla 3 se presenta la producción promedio de los residuos patológicos en cada
una de las sedes y la frecuencia con la que la empresa CIUDAD LIMPIA S.A. hace
su recolección a la semana23.
Tabla 3. Producción y frecuencia de recolección de los residuos patógenos de las sedes del Hospital Centro Oriente
Unidad asistencial Peso (Kg/mes) Peso (Kg/semana) Porcentaje Recolección (veces/sem) Dias
Guavio 807.700 186.392 59.51% 3 L I VSamper Mendoza 271.800 62.723 20.03% 2 I S
Perseverancia 191.600 44.215 14.12% 2 M JCandelaria 23.250 5.365 1.71% 1 M Las Cruces 16.425 3.790 1.21% 1 S La Fayette 15.325 3.537 1.13% 1 S
Lourdes 12.300 2.838 0.91% 1 M Santa Rosa de Lima 9.100 2.100 0.67% 1 S
Laches 9.750 2.250 0.72% 1 S TOTAL 1357.250 313.212 100.00%
23 HOSPITAL CENTRO ORIENTE ESE II NIVEL. Plan de gestión integral de residuos hospitalarios y similares PGIRH-Componente interno. Bogotá D.C., 2003. Pp. 50-53.
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30
Estos residuos patológicos incluyen jeringas, gasas, algodón, ampolletas, guantes,
pañales, papel higiénico, envases plásticos, entre otros. Además de estos
residuos, el horno incinerador también se usaría para destruir las placentas que se
generan en las sedes de El Guavio (52.8 Kg/mes), Samper Mendoza (8.5 Kg/mes)
y Perseverancia (17.5 Kg/mes), que en total suman 78.8 Kg/mes (18.185
Kg/semana). Es decir que finalmente se incinerarían un total de 1436.05 Kg/mes
(331.396 Kg/semana) de residuos.
Para obtener una caracterización teórica del funcionamiento del horno y una
determinación de los productos de combustión precisas, los cálculos respectivos
deben realizarse con base en el tipo de residuos a incinerar y su composición real,
es decir los patógenos y placentas generados por las sedes del Hospital Centro
Oriente. Sin embargo, debido a la escasa información existente sobre la
caracterización de dichos residuos y además por la complejidad que representa su
análisis teórico de combustión, se tomó la decisión de utilizar las características de
los residuos Tipo 4 (que según la NFPA incluye los residuos hospitalarios) tales
como % de humedad, % de cenizas, % de volátiles, y potencia calorífica del
residuo alimentado, para realizar los balances de masa y de energía dentro del
horno. La Tabla 4 resume las características de los Residuos Tipo 4 según la
Norma internacional NFPA, información que se convierte en el último recurso para
poder realizar los cálculos necesarios.
Tabla 4. Caracterización de los residuos Tipo 4 según la Norma NFPA24 Residuo Tipo 4
Características Residuos de animales y humanos, esqueletos y partes orgánicas. Corresponde a los residuos de hospitales,
mataderos, expendios de carne y sitios similares. % Humedad 85 % Volátiles 10 % Cenizas 5
Potencia calorífica (Btu/lb de residuo alimentado) 1000
24 MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, República de Colombia. Proyecto de norma para límites máximos permisibles de emisión para incineradores de residuos sólidos y líquidos. Pp. 24.
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31
4.4.1.3. Tipo de combustible usado. Según las especificaciones técnicas de
diseño del horno incinerador HI-10Pm arriba descritas, éste equipo trabaja con
ACPM (también conocido como Fuel Oil N°2) como combustible. Por lo tanto, para
la realización de los cálculos se tomaron en cuenta todas sus características, que
se resumen en la Tabla 5.
Tabla 5. Características del combustible Fuel Oil N°225 CARACTERÍSTICAS GENERALES
Tipo de combustible Fuel Oil N° 2 (ACPM) 1 lb 19430 Btu
1 galón 7.21 lb Capacidad calorífica 140000 Btu/gal
% C 87.46 % H 12.54
CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIÓN Humedad 0.005 lb H2O/lb aire seco
Salida de CO2 3.2 lb/lb combustible Aire requerido 4.3197*3.32*(1+X) lb/lb combustible
Nitrógeno residual 3.3197*3.32*X lb/lb combustible Oxigeno residual 3.32*X lb/lb combustible
Salida de gas seco Nitrógeno+Oxígeno residual+CO2 Salida de H2O H2O del combustible+Humedad
En donde el valor de X corresponde a la fracción de aire en exceso para la quema
del combustible. Sin embargo, para facilitar y agilizar los cálculos, los datos de las
características de combustión se encuentran también ya tabulados26 de acuerdo a
las ecuaciones mostradas en la Tabla 5.
4.4.2. Balances de masa y energía. La caracterización teórica del horno
incinerador en estudio se empezó por la realización de los cálculos de los
balances de masa y energía siguiendo el método estandarizado reportado por
Calvin Brunner en su libro “Hazardous Waste Incineration”, el cual parte de una
composición de cenizas, volátiles, y humedad del residuo alimentado, y de su
potencia calorífica27. Por lo tanto, como ya se había mencionado, se uso la
25 BRUNNER, Calvin R. Hazardous Waste Incineration. 2° ed., McGraw-Hill. U.S.A., 1993. Apédice G, Pp. 391. 26 Ibid. Apédice G, Pp. 392-399. 27 Ibid. Cap. 16
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32
información correspondiente a los residuos Tipo 4 (norma NFPA) como punto de
partida para efectuar dichos cálculos.
Además de proporcionar los flujos de salida una vez efectuada la combustión
(productos), estos balances también permitieron calcular las cantidades requeridas
de aire y de combustible extra para el proceso según las condiciones de operación
y las características de los residuos quemados.
Para los balances de masa y energía se uso la primera ley de la Termodinámica:
“En un sistema en estado estable, las entradas son iguales a las salidas, las masa
y la energía se conservan”. Igualmente, fue necesario partir de una serie de
suposiciones para agilizar los cálculos respectivos de los balances, así28:
• Todo el hidrógeno se convierte en vapor de agua.
• Todo el cloro o fósforo se convierten en HCl o HF, respectivamente.
• Todo el carbono se convierte en CO2.
• Todo el azufre se convierte en SO2.
• Los metales alcalinos se convierten en hidróxidos: sodio en hidróxido de sodio
y potasio en hidróxido de potasio.
• Los metales no alcalinos se oxidan completamente: cobre a oxido de cobre y
hierro a óxido de hierro.
• Todo el nitrógeno presente en el residuo, en el combustible, o en el aire tomará
la forma de molécula diatómica.
• El gas de salida consiste en sólo dos partes: humedad y gas seco.
• Se asume que el gas seco tiene las propiedades del aire seco (entalpía y
propiedades de saturación), particularmente cuando el exceso de aire es arriba
de 50%.
• La cantidad de aire en exceso sale por el gas de salida.
• El gas de salida muy probablemente tendrá humedad, O2, N2, CO2, HCl, SO2.
• Todos los cálculos están sobre una base de 60°F. Todas las entradas al
sistema (corriente de residuos alimentados, aire y combustible) se asumen a 28 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 345
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33
60°F. Al establecer esta base de 60°F se elimina la necesidad de agregar
términos en los cálculos para las entradas de calor al sistema.
Teniendo en cuenta estos supuestos, se calcularon los balances de masa y de
energía para el horno del hospital, haciendo uso de una hoja de cálculo en Excel
para ir obteniendo paso a paso, de manera clara y ordenada, cada uno de los
parámetros incluidos. En las Tablas 6 y 7 sólo se muestran las variables de
entrada y de salida, respectivamente, de los balances de realizados; sin embargo,
en el Anexo B se describe con mayor profundidad cada uno de los cálculos
efectuados.
Tabla 6. Variables de entrada para el B. Masa y el B. Energía
Variable Cantidad Residuos sólidos 45lb/h Residuos totales 300lb/h
% humedad 85 % cenizas 5 % volátiles 10
Potencia calorífica 1000 Btu/lb de residuo alimentado
T° cámara de combustión 800°C
T° cámara de post-combustion 900°C
% aire en exceso 150
Tabla 7. Variables de salida para el B. Masa y el B. Energía Variable Cantidad
Humedad en gas de salida 367.06 lb/h Gas seco de salida 1739.14 lb/h
Calor de salida 1390679.81 Btu/h Consumo de combustible
(ACPM) 8.02 gal/h
Consumo de aire 389.69 scfm 4.4.3. Turbulencia29. Un flujo turbulento de la corriente gaseosa dentro del horno
incinerador asegura un mezclado completamente uniforme y por lo tanto favorece
enormemente la eficiencia del proceso de combustión.
29 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 333-335
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34
Debido a que la turbulencia es bastante difícil de cuantificar, un estimativo de este
fenómeno puede ser obtenido mediante el cálculo del número adimensional de
Reynolds (Re). Teniendo en cuenta que las 2 cámaras del horno tienen forma
cilíndrica, es posible considerar que el cambio de flujo laminar a flujo turbulento se
presenta cuando se tiene un Re de 2300 (punto crítico para tubería lisa). Por lo
tanto, la turbulencia en cada cámara de combustión fue evaluada mediante el
cálculo de Re partiendo de las dimensiones de las mismas (registradas en una
visita al equipo porque no se tenia esta información; Tabla 8), y de las propiedades
de los gases (asumidos como aire y evaluadas a las temperaturas de operación;
Tabla 9) y del flujo (obtenido por los balances de masa y energía realizados; Tabla
7).
Tabla 8. Dimensiones de las cámaras del horno
Dimensión Combustión Post-combustión Diámetro interno (ft) 1.83 0.97 Diámetro externo (ft) 2.49 1.80
Longitud (ft) 3.25 3.94 Area transversal (ft2) 2.62 0.74
Volumen (ft3) 8.51 2.92
Tabla 9. Propiedades, flujo y Re de los gases en las cámaras del horno Parámetro Combustión Post-combustión
Temperatura de operación (°F) 1472 1652 Viscosidad cinemática (ft2/s) 0.00145 0.00169
Q ´= Caudal (ft3/s) 11.71 31.22 Re 5613.78 24228.72
El número de Re (reportado en la Tabla 9) fue calculado mediante la siguiente
ecuación:
υ*´*Re
AdQ
= Ec. 1
Donde, Q´ = Caudal de la corriente gaseosa a la temperatura de la cámara
(ft3/seg)
d = Diámetro interno de la cámara (ft)
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35
A = Área transversal de la cámara (ft2)
υ = Viscosidad cinemática de la corriente gaseosa a la temperatura
de la cámara (ft2/seg)
4.4.4. Tiempo de residencia30. Además de la turbulencia, el tiempo que demora
el gas recorriendo la cámara de post-combustión es un factor influyente también
en la eficiencia de combustión de los residuos, ya que éste debe ser de 2
segundos como mínimo para garantizar la oxidación completa de los
contaminantes presentes en los gases de combustión. Por lo tanto, se llevaron a
cabo los cálculos de los tiempos de residencia (t) para cada cámara teniendo en
cuenta la geometría del equipo. Para esto, se asumió un Plug Flow, que es un flujo
ideal que considera que no existe mezclado longitudinal de los gases de
combustión, bajo condiciones isotérmicas y no isotérmicas.
Para condiciones isotérmicas, el tiempo medio de residencia (reportado en la
Tabla 10) se calculó mediante la siguiente ecuación:
´QVt = Ec. 2
Donde, V = Volumen de la cámara (ft3)
Mientras que para el caso de condiciones no isotérmicas, que es lo que realmente
sucede dentro del horno, se tiene que las temperaturas de salida del gas son
inferiores a las de las zonas de máxima reacción. Por lo que deben construirse
perfiles de temperatura para determinar si existe un tiempo de residencia
suficiente para proporcionar los parámetros necesarios de destrucción de un
determinado componente de los desechos peligrosos quemados. Para esto, debe
calcularse la temperatura como función de la distancia desde la zona de más alta
temperatura dentro de cada cámara. Por lo que se determina un tiempo medio de
residencia diferencial así:
30 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 336-340
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36
´/ QdVdt = Ec. 3
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
°=
segRTQQ
60min1
67.527´ Ec. 4
Donde, Q = Caudal de la corriente gaseosa a condiciones estándar, T=20°C
y P=1 atm (scfm)
T= Temperatura de la cámara (°R)
dxAdV *= Ec. 5
( )[ ] dxTQAdt **/*67.527*60= Ec. 6
Una solución aproximada de la Ec. 6 puede ser obtenida asumiendo un perfil lineal
de temperatura del gas versus distancia axial entre el punto máximo de
temperatura y la salida del horno. Si la temperatura es Tm a una distancia xm y la
temperatura de salida es Te a una distancia xe, entonces es posible establecer una
relación lineal así:
( )( )
( )( )me
me
m
m
xxTT
xxTT
−−
=−− Ec. 7
( ){ }( )em
emmeem
xxxTxTxTT
T−
−+−=
*** Ec. 8
Sustituyendo esta relación lineal en la Ec. 6 e integrando se obtiene la siguiente
ecuación:
( ) ( )( )em
em
mm TT
xxTT
QAtt
−−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=− ln*67.527*60 Ec. 9
Si se asume que la máxima temperatura (Tm) ocurre a muy cerca de la entrada del
horno (xm<<xe), entonces tm=0, y el producto A*xe es equivalente al volumen de
cada cámara V. Por lo tanto la Ec. 9 se convierte en la siguiente ecuación:
( )me
m
TTQTTV
t−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=*
ln**67.527*60 Ec. 10
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37
El tiempo de residencia medio de la corriente de gas (te) a la temperatura de salida
(Te) esta dado por:
( )me
m
e
e TTQTT
Vt
−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=*
ln**67.527*60 Ec. 11
De esta manera, los tiempos medios de residencia a la salida en condiciones
isotérmicas (te) se reportan en la Tabla 10.
Tabla 10. Tiempos de residencia en el horno considerando Plug Flow
Sin embargo, este patrón de flujo no es precisamente el que se presenta en
realidad dentro del horno, debido a que siempre habrá posibilidad de ocurrir un
mezclado longitudinal de los gases y también una parte de ellos puede encontrar
una camino más rápido que el flujo promedio, por lo que los tiempos de residencia
se reducen con respecto a los ya calculados. Estos tiempos más cortos, llamados
tiempos de residencia de camino rápido (τ=0.5t), también fueron calculados para
los casos isotérmicos y no isotérmicos, y se reportan en la Tabla 11.
Tabla 11. Tiempos de residencia de camino rápido en el horno
Igualmente, se calcularon los valores de tiempo de residencia medio para
diferentes temperaturas, usando la Ec. 10, de tal forma que se construyó un perfil
Parámetro Combustión Post-combustión t = tiempo de residencia
(Isotérmico) 0.73 seg 0.09 seg
te = tiempo de residencia (No Isotérmico) 1.01 seg 0.13 seg
Parámetro Combustión Post-combustión Tiempo de residencia (Isotérmico) 0.36 seg 0.05 seg
Tiempo de residencia (No Isotérmico) 0.50 seg 0.06 seg
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38
de temperaturas versus tiempo, encontrando los resultados reportados en las
Tablas 12 y 13.
Tabla 12. Tiempos de residencia no isotérmicos cámara de combustión T (°R) t residencia (seg) t rápido residencia (seg) 966 1.0077 0.5038 1066 0.8644 0.4322 1166 0.7341 0.3670 1266 0.6144 0.3072 1366 0.5039 0.2520 1466 0.4012 0.2006 1566 0.3052 0.1526 1666 0.2152 0.1076 1766 0.1305 0.0652
Tabla 13. Tiempos de residencia no isotérmicos cámara de post-combustión
T (°R) t residencia (seg) t rápido residencia (seg) 1056 0.1295 0.0647 1156 0.1126 0.0563 1256 0.0971 0.0485 1356 0.0828 0.0414 1456 0.0695 0.0347 1556 0.0571 0.0285 1656 0.0454 0.0227 1756 0.0345 0.0172 1856 0.0241 0.0121 1956 0.0143 0.0072
También se realizaron las gráficas respectivas de estos perfiles de temperaturas
obteniendo los curvas que se muestran en las Figuras 1 y 2.
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39
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1t residencia (s)
Tem
pera
tura
(°R
)
t res medio t res rápido
Figura 1. Gráfico de Temperatura vs tiempo cámara de combustión
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
t residencia (s)
Tem
pera
tura
(°R
)
t res t res rápido
Figura 2. Gráfico de Temperatura vs tiempo cámara de post-combustión
4.4.5. Evaluación de las condiciones mecánicas y operativas del horno. Para
la evaluación del funcionamiento mecánico (controles de temperatura y de llama,
ventilador, bomba, quemadores) y operacional (combustión eficiente), se planeaba
encender el equipo incinerador por un par de veces para realizar pruebas de
funcionamiento y mediciones de emisiones gaseosas (muestreo isocinético y
muestreo de gases de combustión). Sin embargo, a pesar de que se logró
conseguir el permiso del DAMA para encender el horno, y los equipos y el servicio
para hacer la evaluación de gases (por acuerdo con la empresa INAMCO LTDA),
IQ-2004-I-25
40
estas pruebas finalmente no se pudieron llevar a cabo porque la llave de
encendido del horno se extravió y era necesario cambiar todo el sistema de
encendido, para lo cual no había presupuesto en el hospital.
Desde un principio, las pruebas eran claves para obtener las concentraciones
reales de HCl, NO2, SO2 y material particulado que se producirían al poner en
funcionamiento el horno de hospital trabajando bajo sus condiciones actuales. Sin
embargo, debido a este inconveniente, se decidió hacer uso de los flujos de salida
encontrados a partir de los balances de masa y energía (flujo de gas seco, de
humedad, y total), y de los datos encontrados de emisiones de HCl, NO2, SO2 y
material particulado para los hornos de la empresa colombiana de Incineración
PROINDUL LTDA reportados en el mismo proyecto de norma de donde se obtuvo
la información de la composición de residuos Tipo 4 usada. Esta información fue
producto de una simulación realizada por el Ministerio del Medio Ambiente (MMA)
mediante en un programa de propiedad de la misma empresa, cuyos resultados se
compararon con datos de emisiones reales de equipos existentes, comprobando
su estrecha proximidad. Vale la pena destacar que aunque los equipos de
PROINDUL tienen geometrías y temperaturas de operación diferentes a las del
horno HI-10Pm de TKF que se esta evaluando, estos datos encontrados se
convirtieron en el último recurso para empezar a diseñar el sistema de control de
emisiones. En la Tabla 14 se hace una comparación de las principales
características entre el horno en estudio y el equipo de PROINDUL para el cual se
hizo la simulación.
Tabla 14. Diferencias y similitudes entre el horno del hospital y el horno estudiado por el MMA mediante simulación
Parámetros Horno en estudio Horno Estudio MMA Marca TKF PROINDUL
Capacidad 300 lb/h 300 lb/h Combustible ACPM ACPM
Residuos Tipo 4 Tipo 4 T. cámara combustión 800 °C 850°C
T. cámara post-combustión 900°C 1200°C
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41
Por lo tanto, se escogieron los valores más altos de concentraciones de HCl, NO2,
SO2 y material particulado presentes en el gas de salida, reportados en el estudio
realizado por el MMA, con el objetivo de abarcar las condiciones más extremas de
producción de contaminantes de combustión. La Tabla 15 presenta los valores de
las concentraciones finalmente escogidas y usadas para determinar el tipo de
equipo de control de emisiones necesario para el horno.
Tabla 15. Concentraciones de contaminantes asumidas en la corriente de gas de salida del horno31 Contaminante Estudio MMA
MP 465 mg/m3 HCl 728 mg/m3 NO2 153 mg/m3 SO2 2205 mg/m3
Como se puede observar en la Tabla 15, el sistema de control se diseñaría con
base en sólo 4 contaminantes (MP, HCl, NO2 y SO2), excluyendo otros
importantes como CO, HF, dioxinas, furanos, entre otros, que por el tipo de
desechos quemados (hospitalarios), muy probablemente se generarían también.
Sin embargo, como no fue posible hacer mediciones de ningún tipo y tampoco se
tiene reporte de estos contaminantes en el estudio del MMA, entonces se hizo
énfasis únicamente en el control de estos 4 contaminantes en los gases de salida.
El MMA, por su parte, mediante la Resolución 0058 (Enero 21 de 2002) establece
los límites máximos permisibles de emisión para incineradores y hornos
crematorios de residuos sólidos y líquidos. La Tabla 16 presenta las
concentraciones máximas permitidas para los 4 contaminantes que necesitan ser
controlados en el horno, MP, HCl, NO2 y SO2.
31 Op. Cit. Proyecto de Norma para Límites Máximos Permisibles de Emisión para Incineradores de Residuos Sólidos y Líquidos. Pp.54
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42
Tabla 16. Límites máximos de MP, HCl, NO2 y SO2 permitidos por la
resolución 0058/2002 del MMA32 Contaminante Resolución 0058 de 2002
MP 10 mg/m3 HCl 10 mg/m3 NO2 200 mg/m3 SO2 50 mg/m3
Estableciendo comparaciones entre las concentraciones de contaminantes
emitidas por el horno y las exigidas por el MMA en la resolución 0058/2002, se
encontró que se deben controlar únicamente 3 de los 4 contaminantes
considerados anteriormente; es decir que, debido a que el NO2 esta por debajo del
límite permitido por la norma, por lo tanto no sería necesario implementar un
equipo de control para este contaminante, sólo para el HCl, SO2 y MP, cuyos
valores sí superan ampliamente los valores establecidos por la norma. Además,
como los NOx se producen a altas temperaturas, en el caso del horno del hospital
existe menos probabilidad de generarse valores mayores, debido a que las
temperaturas de las cámaras son inferiores a las del equipo de PROINDUL
simulado (Tabla 14). En la Tabla 17 se muestran claramente dicha
comparaciones, y se establecen las eficiencias de remoción necesarias para
alcanzar finalmente las concentraciones exigidas por la resolución 0058/2002 del
MMA.
Tabla 17. Comparación entre las concentraciones emitidas por el horno y las establecidas por la resolución 0058/2002 del MMA
Contaminante Estudio MMA Resolución 0058 de 2002 Cumple? Eficiencia de remociónMP 465 mg/m3 10 mg/m3 NO 97.85% HCl 728 mg/m3 10 mg/m3 NO 98.63% NO2 153 mg/m3 200 mg/m3 SI - SO2 2205 mg/m3 50 mg/m3 NO 97.73%
32 REPÚBLICA DE COLOMBIA, MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE. Resolución 0058 (Enero 21 de 2002), por la cual se establecen normas y límites máximos permisibles de emisión para Incineradores y hornos crematorios de residuos Sólidos y Líquidos. Tabla N°1
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43
Según la resolución 0058/2002 del MMA, otros requisitos que el equipo
incinerador en estudio debe cumplir para alcanzar eficiencias de combustión altas
son los siguientes33:
• Tener mínimo 2 cámaras: una de combustión y otra de post-combustión.
• Debe generarse turbulencia para asegurar un mezclado uniforme de los gases
(Re>2300).
• El horno debe tener suministro de aire en exceso y de combustible auxiliar.
• Debe tener un registro automático de la temperatura de operación de cada
cámara.
• Cada cámara debe tener su propio quemador y control automático de
temperatura.
• La temperatura de combustión mínima debe ser 850°C y la de post-combustión
mínima, 1200°C.
• El tiempo de residencia en la cámara de post-combustión debe ser mínimo 2
segundos.
• Deben tenerse quemadores suplementarios.
Al evaluar las condiciones óptimas mencionadas arriba se encontró que el horno
cumple con todos los requisitos excepto los 3 últimos, ya que las temperaturas de
diseño son inferiores a las requeridas (Tabla 14), los tiempos de residencia de la
segunda cámara, calculados teóricamente, son menores a 2 segundos (Tablas 10
y 11), y el equipo no cuenta con quemadores suplementarios.
33 Op. Cit. Resolución 0058 (Enero 21 de 2002), por la cual se establecen normas y límites máximos permisibles de emisión para Incineradores y hornos crematorios de residuos Sólidos y Líquidos. Artículo 13.
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44
5. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PARA EL HORNO HI-10Pm
5.1. PLANTEAMIENTO DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
Para dar solución al problema de disposición del incinerador del hospital Centro
Oriente, se planteó una alternativa diferente a la de su chatarrización y venta, es
decir, la de diseñarle e implementarle un sistema de control de emisiones y
residuos de tal manera que existiera la posibilidad de aprovechar su capacidad y
potencial para reducir los desechos hospitalarios. Por lo tanto, teniendo en cuenta
las condiciones en las que se encuentra el horno y las posibilidades del hospital,
finalmente se propusieron 2 alternativas de solución.
5.1.1. Alternativa 1: Diseño y adecuación de un sistema de control de emisiones al horno del hospital Centro Oriente. La primera alternativa
planteada consiste en el diseño de un sistema de control de MP, de SO2 y de HCl
con el objetivo de utilizar el horno para quemar los residuos generados en el
hospital Centro Oriente, una vez implementado este sistema, el cual cumpliría con
los máximos límites permitidos por la resolución 0058/2002 del MMA.
Primero que todo, se estudiaron los métodos y los respectivos equipos utilizados
actualmente para el control de MP, SO2 y HCl, con el objetivo de evaluar sus
ventajas y sus desventajas, y así determinar cual de ellos es el más adecuado
para ser implementado en el horno. Esta selección se hizo elaborando una matriz
de suma de pesos tanto para los gases ácidos (SO2 y HCl) como para el material
particulado, teniendo en cuenta una serie de criterios importantes para la
adecuada escogencia de los equipos. Las Tablas 18 y 19 muestran dichas
matrices de selección.
IQ-2004-I-25
45
Tabla 18. Matriz de selección de equipos para el control de SO2 y HCl
OPCIONES SO2 , HCl Wet Scrubbing Spray Dryer Absorption Dry Sorbent Injection
CRITERIO Peso criterio Peso opciones Eficiencia 10 8 9 9 Mantenimiento 9 5 7 7 Espacio ocupado 5 5 5 5 Costo de operación 7 6 6 5 Costo de mantenimiento 7 4 7 7 Post-tratamiento 8 4 4 4
Total 252 301 294
Tabla 19. Matriz de selección de equipos para el control de MP
OPCIONES MATERIAL PARTICULADO (MP) Ciclón Lavador Lavador venturi ESP Filtro mangas
CRITERIO Peso criterio Peso opciones Eficiencia 10 5 6 8 10 9 Mantenimiento 9 8 7 7 6 5 Espacio ocupado 5 6 5 6 3 4 Costo de operación 7 4 6 4 7 6 Costo de mantenimiento 7 8 7 7 5 5 Post-tratamiento 8 6 5 5 6 7 Consumo de energía 6 4 6 4 3 6 Total 308 315 314 319 324
La selección de los equipos se hizo mediante la multiplicación del peso del criterio
por el peso de la opción para cada uno de los criterios y las opciones planteadas.
Así pues, al final se sumaron las multiplicaciones respectivas para cada opción,
obteniéndose que los equipos más adecuados para el control de gases ácidos y
de material particulado, son una torre de absorción por atomizado/secado (SDA)
seguido de un filtro de mangas, por ser las opciones que finalmente obtuvieron
más puntaje en cada una de las matrices.
5.1.1.1. Diseño del equipo para el control de gases ácidos (SO2 y HCl). El
punto de partida para el diseño del absorbedor fueron los datos de la corriente de
gas de salida del horno incinerador y de las concentraciones de SO2 y de HCl
tomadas del estudio del MMA, los cuales se reportan en la Tabla 20.
IQ-2004-I-25
46
Tabla 20. Gases emitidos a la atmósfera por combustión en el horno Gas total salida (lb/h) 2106.195 Gas seco salida (lb/h) 1739.138 Humedad gas salida (lb/h) 367.057 Humedad gas salida (lbmol/h) 20.369 Temperatura gas salida (°R) 2111.670 Gas total salida (ft3/min) 1873.052 Gas total salida (m3/h) 3182.756 Concentración HCl (mg/m3) 728 HCl (lb/h) 5.108 HCl (lbmol/h) 0.140 Concentracion SO2 (mg/m3) 2205 SO2 (lb/h) 15.47 SO2 (lbmol/h) 0.242 Concentración NO2 (mg/m3) 153 NO2 (lb/h) 1.07 NO2 (lbmol/h) 0.023
El equipo seleccionado para el control de los gases ácidos, HCl y SO2, fue la torre
de absorción con atomizado y secado (SDA). Este equipo permite la neutralización
de los componentes ácidos de una corriente gaseosa mediante la absorción y
reacción con una lechada de cal hidratada (Ca(OH)2) que es inyectada en forma
de gotas por un rociador giratorio. La principal ventaja de este equipo sobre los
demás, es que usa un método semiseco, porque permite la reacción y
evaporación simultánea del agua de las gotas que contienen los productos de
reacción, evitando que se forme un desecho acuoso, el cual debe ser tratado. A
cambio de esto, las partículas secas son arrastradas por el gas y retenidas en el
filtro que se instala a continuación. El Ca(OH)2 es preferido sobre la soda cáustica
y el hidróxido de sodio, debido a que éstos son mucho mas costosos y porque las
sales de sodio son más higroscópicas34.
La eficiencia de remoción de éste método es de más de 99% de HCl y de 95% de
SO2 y las reacciones que lo rigen son las siguientes35:
34 Op. Cit. D. LA GREGA, BUCKINGHAM, EVANS, & Environmental Resources Management. Pp. 792 35 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 298
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47
2HCl+Ca(OH)2 CaCl2+2H2O Ec. 12
SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O Ec.13
Según la literatura, normalmente se usa una relación de lechada/ácido entre 1 y
1.8 veces la cantidad estequiométrica de reacción36, una proporción de 30% en
peso de sólidos en la lechada37 y una temperatura de salida del gas, después de
su paso por el absorbedor, de 300°F38. Sin embargo, para empezar, se realizó el
balance de masa para el absorbedor utilizando estas proporciones recomendadas
y también se hizo un balance energético entre la lechada y el gas de entrada al
absorbedor, considerando la temperatura de salida del gas recomendada. Luego,
se cambió el valor de la relación lechada/ácido de tal manera que al iterar la
temperatura de entrada de la lechada ésta quedara aproximadamente igual a la
temperatura ambiente de Bogotá (20°C) y al mismo tiempo se cumpliera el
balance de energía planteado.
Una vez realizado este procedimiento, se obtuvieron los resultados para el
balance de masa que se muestra en la Figura 3, usando una relación
lechada/ácido de 3.699 veces la relación estequiométrica de reacción (0.312 lb) y
una proporción de 10%Ca(OH)2/90%H2O en la lechada.
36 Op. Cit. AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION. Pp. 265 37 DE NEVERS, Noel. Air Pollution Control Engineering. 2° ed., McGraw-Hill, Inc., 2000. Pp.423 38 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 300
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48
F2 43.784 lbmol Ca(OH)2 1.152 lbmol H2O liquida 42.632 lbmol
F1 79.998 lbmol HCl 0.140 lbmol F4 79.616 lbmolSO2 0.242 lbmol NO2 0.023 lbmolNO2 0.023 lbmol Otros 59.224 lbmol
H2O vapor 20.369 lbmol H2O vapor 20.369 lbmolOtros 59.224 lbmol
F3 44.165 lbmol H2O liquida 43.013 lbmol Reacciones: CaSO3 0.242 lbmol 2HCl+Ca(OH)2 CaCl2+2H2O CaCl2 0.070 lbmol SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O Ca(OH)2 0.840 lbmol
Figura 3. Balance de masa en el absorbedor
En la Figura 3, F1 = Gases de combustión
F2 = Lechada
F3 = Gotas de agua + productos de reacción (sales)
F4 = Gases después de la absorción y reacción
El balance de energía en el absorbedor se realizó teniendo en cuenta las
siguientes ecuaciones:
aguaganagaspierde QQ = Ec. 14
dTyCpyCpyCpyCpyCpdTCpQT
TaireaireNONOSOSOHClHClOHOH
T
Tmezclagaspierde ))()()()()((
2
1
2
1
222222∫∫ ++++==
Ec. 15
)())((( lvaguaaguagotaebaguaaguaaguagana HmTTCpmQ ∆+−= Ec. 16
Donde, T2 = 422.04K = Temperatura de los gases a la salida del absorbedor
T1 = 1173.15K = Temperatura de los gases a la entrada del
absorbedor
SDA
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49
yi = Fracción molar de cada componente de la corriente gaseosa a la
entrada del absorbedor
Cpagua = Calor específico del agua a temperatura de 20°C (J/g*K)
magua = Masa de agua una vez ocurrida la reacción (Kg)
Teb = 373.15K = Temperatura de ebullición del agua
Tgota = Temperatura de cada gota (K)
∆Hlvagua = Entalpía de vaporización del agua a Teb (J/g)
En la Tabla 21 se muestran los datos utilizados en las ecuaciones arriba descritas
para el balance de energía y los resultados obtenidos para la temperatura de la
gota de lechada y el calor transferido.
Tabla 21. Datos y resultados del balance de energía del absorbedor
Según la heurística reportada en la literatura, el tiempo promedio de residencia del
gas es de 10-12 segundos39, y la relación L/D es de 0.8-1.0 para un atomizador
giratorio que es el más usado en este tipo de absorbedor, sobretodo para el
manejo de lechadas40. El atomizador giratorio típicamente utilizado es el de disco y
es situado en la parte superior del absorbedor, su diámetro es de 0.3 m
aproximadamente y gira a una velocidad de 5000-10000 rpm41. Por lo tanto, se
usaron estos datos recomendados para el diseño de la estructura básica del
absorbedor, obteniéndose los resultados que se muestran en la Tabla 22. 39 Op. Cit. AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION. Pp. 213 40 PERRY, Robert. Perry's chemical engineers' handbook. 7° ed., McGraw-Hill, USA, 1997. Cap14, Pp. 66 41 McCABE, Warren L. Unit Operations of Chemical Engineering. 6° ed., McGraw-Hill, 2001. Pp. 803
yHCl 1.751E-03 ySO2 3.019E-03 yNO2 2.917E-04 yH2O 0.255
yOtros (aire) 0.740 ∆Hlv
agua (J/g) 2264.107 Cpagua (J/g*K) 4.184
Tgota (K) 293.294 Qtransferido (J) 913474630.350
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50
Tabla 22. Especificaciones de diseño del absorbedor Tipo de atomizador Disco rotatorio
Diámetro de gota rociada 103.579 µm Velocidad de rotación 10000 rpm
Diámetro de disco 0.3 m t residencia 10 s
Diámetro cilindro 2.241 m Longitud cilindro 2.241 m Volumen cilindro 8.840 m3
Área superficial cilindro 19.722 m2 Diámetro inicial tolva 2.241 m Diámetro final tolva 0.320 m
Longitud tolva 1.664 m Volumen tolva 2.544 m3
Ärea superficial tolva 7.728 m2 Area superficial absorbedor 27.450 m2 Volumen total absorbedor 11.384 m3
El diámetro de gota de la lechada atomizada reportado en la literatura para los
atomizadores rotativos es de 25-150 mm42, lo cual indica que el valor calculado
para el diseño del atomizador del absorbedor (Tabla 22) obtenido mediante la Ec.
1743, es coherente ya que se incluye dentro de este rango. 1.0
2
2.06.0
2
****
**4.0 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛Γ
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛Γ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Γ= pL
Lgota
Lrn
rDρσµ
ρ Ec.17
Donde, Dgota = Diámetro de gota (m)
r = Radio de disco (m)
Γ = Flujo másico de atomizado (Kg/s)
σ = Tensión superficial del líquido (N/m)
ρL = Densidad del líquido (Kg/m3)
n = Velocidad de rotación del disco (r/s)
µ = Viscosidad del líquido (Pa*s)
Lp = Periferia del disco, 2*π*r (m)
42 Op. Cit. AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION. Pp. 209 43 McCABE, Warren L. Unit Operations of Chemical Engineering. 6° ed., McGraw-Hill, 2001. Pp. 803
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51
Teniendo el tiempo de residencia (Tabla 22), y el flujo de gas de entrada al
absorbedor (Tabla 20), se obtuvo el volumen del cilindro de la parte superior de la
estructura del absorbedor y luego, usando la relación de L/D = 1.0, se
determinaron la longitud (L), el diámetro (D) y el área superficial del mismo.
Igualmente, se calcularon las dimensiones de la tolva que va situada en la parte
inferior del absorbedor, su volumen y su área superficial. Finalmente, una vez
obtenidos los datos para el cilindro y la tolva, se calcularon los valores para el
volumen y el área superficial totales para el absorbedor.
La Figura 4 muestra el esquema básico del absorbedor finalmente diseñado para
el control de los gases ácidos provenientes del horno incinerador.
Figura 4. Esquema del absorbedor diseñado44
5.1.1.2. Diseño del equipo para el control de material particulado. Para la
remoción del material particulado generado en la combustión, y de los productos
sólidos de reacción (CaSO3 y CaCl2) del absorbedor, se decidió implementar un
filtro de mangas, ya que según la matriz de selección respectiva analizada, éste
dispositivo es el que más ventajas presenta con respecto a los otros evaluados,
44 Op. Cit. AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION. Pp.213
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52
sobretodo porque es bastante eficiente para la remoción de partículas cuyo
diámetro esta entre 0.01 y 100 µm45.
Se escogió diseñar un filtro cuya limpieza funciona por pulsos de aire comprimido
(Pulse-Jet Baghouse), ya que se encontró que la velocidad de filtrado calculada
para este tipo de filtro era más alta que la de los otros filtros (filtro de aire en
contracorriente y filtro de limpieza mecánica), lo cual hace que se necesite un área
neta de filtrado menor y por lo tanto resulta más pequeño y económico. Además,
este tipo de filtro, ofrece una importante ventaja sobre los demás debido a que
permite la limpieza de algunas bolsas mientras el aire sucio continua fluyendo a
través del filtro, ya que no posee compartimientos. En este filtro, el aire es filtrado
de afuera hacia adentro de las bolsas, las cuales poseen una jaula que evita que
colapsen. Las bolsas están cerradas en su parte inferior y abiertas en su parte
superior para permitir el paso del aire de limpieza, el cual es inyectado por
periodos de tiempo de 30-100 mseg a una presión de 90-100 psi46.
La Tabla 23 resume las especificaciones del filtro de mangas diseñado para el
control del material particulado cuyo tamaño de partícula está en un rango de
0.01-0.1 µm, ya que según la literatura éste es el correspondiente a los núcleos de
combustión47.
45 Op. Cit. ELIAS. Pp. 11 46 Op. Cit. COOPER. Pp. 194 47 Op. Cit. DE NEVERS. Pp. 210
IQ-2004-I-25
53
Tabla 23. Especificaciones de diseño del filtro de mangas
Caudal de gas 0.318 m3/s Material de bolsas Fibra de vidrio
Velocidad de filtrado 0.023 m/s Área neta de filtrado 13.992 m2 Diámetro de bolsas 0.114 m Longitud de bolsas 2.438 m
Área de bolsa 0.876 m2 Número de bolsas 16 Número de jaulas 16
Área de piso caja/1000 cfm 6.730 m2 Volumen caja/1000 cfm 12.382 m3
Ancho caja 1.380 m Largo caja 2.300 m Altura caja 2.628 m
Volumen caja 8.343 m3 Ancho salida tolva 0.276 m Largo salida tolva 0.460 m
Altura tolva 0.876 m Volumen tolva 1.149 m3
Volumen total filtro 9.492 m3 Caída de Presión 364.55 Pa
Se escogió la fibra de vidrio como material filtrante por su resistencia a altas
temperaturas (hasta 500°F) y a compuestos ácidos y alcalinos48. Las dimensiones
de las bolsas (diámetro de 4 1/2 in y longitud de 8 ft) se establecieron porque
corresponden a tamaños comerciales según la literatura49.
La velocidad de filtrado (air-to-cloth ratio) fue calculada usando la siguiente
ecuación50:
)ln0853.07471.0(*)(*)(***878.2 06021.02335.0pg DlTBAv += −− Ec. 18
Donde, v = Velocidad de filtrado (ft/min)
A = Factor de material (Tabla 24) = 9 (Fly ash)
B = Factor de aplicación (Tabla 24) = 0.8 (Process gas filtration)
Tg = Temperatura del gas (°F, 50-275°F) = 275°F
l = Carga de partículas de entrada (granos/ft3, 0.05-100 granos/ft3)
l = 465 mg/m3 = 0.273 granos/ft3
Dp = Diámetro de partícula (µm, 3-100 µm) = 0.8 µm
48 Op. Cit. AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION. Pp. 104 49 Op. Cit. COOPER. Pp. 202, Tabla 6.9 50 EPA. Air Pollution Control Cost Manual. 6° ed., USA, 2002. Sección 6, Capítulo 1 Pp. 586
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54
En la Ec. 18 para Tg<50°F, usar 50°F y para Tg>275°F, usar 275°F; para Dp<3
mm, usar 0.8 y para Dp>100, usar 1.2; para l<0.05 granos/ft3, usar 0.05 y para
l>100 granos/ft3 usar 100.
Tabla 24. Factores para calcular la velocidad de filtrado de un filtro de
limpieza por pulsaciones
El área neta de filtrado se calculó mediante la siguiente ecuación:
vQA filtradoneta
´= Ec. 19
Donde, Q´= Caudal de gases a 300°F (temperatura salida del absorbedor (m3/s)
v = Velocidad de filtrado (m/s)
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55
Una vez obtenida el área neta de filtrado se calculó el número de bolsas
necesarias para la limpieza del gas (equivalente al número de jaulas requeridas)
usando la Ec. 20.
bolsa
filtradoneta
AA
bolsasdeNúmero = Ec. 20
Para el diseño de la estructura externa del filtro, se utilizó el área de piso y el
volumen recomendados en la literatura para este tipo de filtro (limpieza por pulsos
comprimidos), según la velocidad de filtrado encontrada51 (Tabla 23).
La Figura 5 muestra un esquema del filtro de mangas finalmente diseñado para el
control del material particulado y de las sales como producto de las reacciones en
el absorbedor.
Figura 5. Esquema del filtro de mangas diseñado52
51 U.S. DEPARTMENT OF HEALTH, EDUCATION, AND WELFARE. Control of particulate emissions, Training course manual in air pollution. Sección VI, Tabla 1.1., Pp. 11 52 Op. Cit. COOPER. Pp. 195
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56
Una vez diseñados los equipos de control de gases ácidos (SDA) y del material
particulado (filtro de mangas), esta alternativa de solución tiene como objetivo
adecuar este sistema antipolución al horno para aprovechar su gran utilidad para
el tratamiento de las placentas producidas en las sedes El Guavio, Perseverancia,
y Samper Mendoza y de los demás residuos patológicos generados por todas las
sedes del hospital Centro Oriente, cuya producción mensual fue descrita en la
Tabla 3. El horno se pondría a funcionar por 3 turnos de 1 hora, sólo un día a la
semana, de tal forma que de acuerdo a la capacidad máxima del horno (136.077
Kg/h), se puedan eliminar 408.231 Kg/semana de residuos, capacidad suficiente
para tratar la cantidad total de residuos generados por el hospital (331.396
Kg/semana). Por consiguiente, se elimina al mismo tiempo la necesidad de seguir
utilizando los servicios externos de recolección e incineración.
5.1.2. Alternativa 2: Chatarrización y venta del horno, y servicio externo de incineración de placentas y recolección de demás desechos patológicos.
Esta segunda alternativa planteada es la opción que desde un principio existió
como solución más sencilla e inmediata para el problema de disposición del horno
dentro del hospital Centro Oriente, debido a que el horno nunca funcionó
adecuadamente, no se ha utilizado durante 7 años, y sobretodo porque se ha
convertido en un estorbo y un peligro potencial.
Primero que todo, se realizó una valoración del horno incinerador por parte del
señor Reinaldo Rativa de TALLERES REY RAGAR, empresa dedicada a la
compra y venta de chatarra, con el objetivo final de desmontarlo y venderlo, ya
que así completo no resulta ser muy apetecido debido a que no se encuentra en
las mejores condiciones físico-mecánicas ni operativas, de tal manera que se
pueda obtener el último provecho del mismo aunque ya no como equipo
incinerador de los residuos generados por el hospital. Después de realizada la
visita, se llegó a la conclusión de que la única parte del equipo rescatable, porque
es de acero puro, es la chimenea, ya que lo demás es chatarra no valiosa. Por lo
tanto se solicitó una cotización a esta empresa del horno totalmente desarmado
como chatatarra.
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57
Por otra parte, el hospital Centro Oriente cuenta con el servicio de recolección de
residuos patológicos generados por todas las sedes del hospital por parte de la
empresa CIUDAD LIMPIA S.A. (de ECSA), y con el servicio de incineración de las
placentas generadas en 3 sedes (El Guavio, Samper Mendoza, y Perseverancia)
por parte de la empresa ECOENTORNO LTDA. Por lo tanto, esta segunda
alternativa de solución, además de servir para deshacerse del horno mediante su
chatarrización, también incluye el hecho de que el hospital tenga que seguir
pagando por la prestación estos servicios.
5.2. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PLANTEADAS
Después de descritas cada una de las alternativas de solución planteadas para el
horno incinerador del hospital Centro Oriente, se realizó también un análisis
económico para cada una de ellas, con el objetivo de estudiar su viabilidad y
determinar finalmente cual es la opción más adecuada para el hospital de acuerdo
a los recursos disponibles.
5.2.1. Evaluación económica de la alternativa 1: Diseño y adecuación de un sistema de control de emisiones al horno del hospital Centro Oriente. Para
evaluar la viabilidad del uso del incinerador con la implementación del sistema de
control diseñado (absorberdor y filtro de mangas) se siguió un procedimiento
recomendado por el manual de costos “EPA Air Pollution Control Cost Manual”,
que consiste básicamente en la estimación del Capital Total de Inversión (TCI) y
de los Costos Anuales (CA) para cada uno de los equipos (Tablas 25, 26, 27, 28,
29.). El TCI incluye los costos de compra del equipo y su instrumentación, y los
costos directos e indirectos de su instalación. Los costos anuales, incluyen los
costos de operación directos (servicios, materias primas, tratamiento de desechos,
costos de operación, supervisión y mantenimiento) y los indirectos (impuestos de
propiedad, cargos administrativos, seguros). Una vez obtenidos estos costos, se
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58
estimaron los flujos de caja netos a lo largo de un tiempo de vida de 10 años y se
calculó el VPN al 7% de tasa de descuento (Tabla 31), teniendo en cuenta que la
inversión total inicial se realizará en el primer año.
Tabla 25. Costos Totales Anuales del incinerador (US$)
COSTOS ANUALES (CA) COSTOS DIRECTOS ANUALES (CDA)
MANO DE OBRA OPERACIONAL $2,323 Operador $2,020 h/turno 1 turnos/dia 3 dias/año 52 $/h $12.95 Supervisor (15% operador) $303 MATERIALES DE OPERACIÓN $0 MANTENIMIENTO $538 Trabajo de mantenimiento $269 h/turno 1 turnos/día 3 dias/año 6 $/h $14.95 Material de mantenimiento (100%trab manten) $269 ELECTRICIDAD $7 $/kW-h 0.0684 Ventilador $7 COMBUSTIBLE (ACPM) $752 $/gal $0.601 DISPOSICIÓN DE CENIZAS $176 $/ton 150
COSTOS INDIRECTOS ANUALES (CIA) IMPUESTO DE PROPIEDAD (1% TCI) $0 SEGURO (1% TCI) $0 COSTOS ADMINISTRATIVOS (2% TCI) $0 OVERHEAD (60%mano de obra oper+manten) $1,717 COSTOS TOTALES ANUALES (1998) $5,513 COSTOS TOTALES ANUALES (2002) $5,587
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Tabla 26. Capital Total de Inversión del absorbedor diseñado (US$)
CAPITAL TOTAL DE INVERSIÓN (TCI) COSTOS DIRECTOS (DI)
COSTOS DE COMPRA DEL EQUIPO (PEC) EQUIPOS AUXILIARES Absorbedor $33,980Canalización $19,000 Bomba (desplazamiento positivo) $30,000 Motor $12,000 Tanque de almacenamiento de lechada $29,000 COSTO EQUIPO (A) $123,980 INSTRUMENTACIÓN (0,1*A) $12,398 IMPUESTOS DE VENTA (0,03*A) $3,719 CARGA (0,05*A) $6,199COSTO EQUIPOS AUXILIARES $90,000PEC (B=1,18*A) $146,296
COSTOS DIRECTOS DE INSTALACION (DIC) Bases y soporte (0,12*B) $17,556 Dirección y levantamiento (0,4*B) $58,518 Electricidad (0,01*B) $1,463 Tubería (0,3*B) $43,889 Aislamiento para canalización (0,01*B) $1,463 Pintura (0,01*B) $1,463 DIC (0,85*B) $124,352DI (1,85*B) (1998) $270,648
COSTOS INDIRECTOS (IC) Ingeniería (0,1*B) $14,630 Construcción y costo del terreno (0,1*B) $14,630 Honorarios (0,1*B) $14,630 Arranque (0,01*B) $1,463 Prueba de funcionamiento (0,01*B) $1,463
Contingencias (0,03*B) $4,389TCI (2,2*B) (1998) $321,851IC (0,35*B) $51,204TCI (2,2*B) (2002) $326,892
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Tabla 27. Costos Totales Anuales del absorbedor diseñado (US$)
COSTOS ANUALES (CA) COSTOS DIRECTOS ANUALES (CDA)
MANO DE OBRA OPERACIONAL $2,806Operador $2,440h/turno 1turnos/dia 3dias/año 52$/h $15.64Supervisor (15% operador) $366MATERIALES DE OPERACIÓN $52,187Reactivo (Ca(OH)2) $433$/ton $65Solvente (Agua) $51,754$/gal $0.0002MANTENIMIENTO $620Trabajo de mantenimiento $310h/turno 1turnos/día 3dias/año 6$/h $17.21Material de mantenimiento (100%trabajo mantenimiento) $310
COSTOS INDIRECTOS ANUALES (CIA) IMPUESTO DE PROPIEDAD (1% TCI) $3,219SEGURO (1% TCI) $3,219COSTOS ADMINISTRATIVOS (2% TCI) $6,437OVERHEAD (60%mano de obra oper+manten) $2,055COSTO DE RECUPERACIÓN DE CAPITAL (CRCS) $35,338Vida útil del equipo 15 añosTasa de interés anual 7%Factor de recuperación de capital (CRFS) 0.110
COSTOS TOTALES ANUALES (1998) $105,879COSTOS TOTALES ANUALES (2002) $107,537
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Tabla 28. Capital Total de Inversión del filtro de mangas diseñado (US$)
CAPITAL TOTAL DE INVERSIÓN (TCI) COSTOS DIRECTOS (DI)
COSTOS DE COMPRA DEL EQUIPO (PEC) Canalización $19,000Filtro de mangas $3,386Ventilador $19,000Aislamiento del filtro $1,377Motor $12,000Bolsas $255Compresor $8,000Jaulas $175 Chimenea $7,137 COSTO EQUIPO (A) $70,330 INSTRUMENTACIÓN (0,1*A) $7,033 IMPUESTOS DE VENTA (0,03*A) $2,110 CARGA (0,05*A) $3,516COSTO EQUIPOS AUXILIARES $65,137PEC (B=1,18*A) $82,989
COSTOS DIRECTOS DE INSTALACION (DIC) Bases y soporte (0,04*B) $3,320 Dirección y levantamiento (0,5*B) $41,494 Electricidad (0,08*B) $6,639 Tubería (0,01*B) $830 Aislamiento para canalización (0,07*B) $5,809 Pintura (0,04*B) $3,320 DIC (0,74*B) $61,412DI (1,74*B) $144,401
COSTOS INDIRECTOS (IC) Ingeniería (0,1*B) $8,299 Construcción y costo del terreno (0,2*B) $16,598 Honorarios (0,1*B) $8,299 Arranque (0,01*B) $830 Prueba de funcionamiento (0,01*B) $830
Contingencias (0,03*B) $2,490TCI (2,19*B) (1998) $181,746IC (0,45*B) $37,345TCI (2,19*B) (2002) $184,592
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Tabla 29. Costos Totales Anuales del filtro de mangas diseñado (US$)
COSTOS ANUALES (CA) COSTOS DIRECTOS ANUALES (CDA)
MANO DE OBRA OPERACIONAL $3,096Operador $2,693h/turno 1turnos/dia 3dias/año 52$/h $17.26Supervisor (15% operador) $404MATERIALES DE OPERACIÓN $0MANTENIMIENTO $639Trabajo de mantenimiento $319h/turno 1turnos/día 3dias/año 6$/h $17.74Material de mantenimiento (100%trabajo mantenimiento) $319COSTO REEMPLAZO BOLSAS (CRCB) $301Vida útil bolsas 2 añosTiempo de reemplazo 10 min/bolsaNumero de bolsas 16Tiempo total de reemplazo 2.7 h$/h $29.65Mano de obra reemplazo bolsas (CL) $79Costo bolsas y jaulas incluyendo impuestos y carga (CB) $464Tasa de interés anual 7%
Factor de recuperación de capital (CRFB) 0.553ELECTRICIDAD $8$/kW-h 0.0684Bomba $2Compresor $6AIRE COMPRIMIDO $5$/1000 scfm $0.25DISPOSICIÓN DE DESECHOS $207.05Disposición del polvo $13.731$/ton 150Disposición de las sales $193$/ton 25
COSTOS INDIRECTOS ANUALES (CIA) IMPUESTO DE PROPIEDAD (1% TCI) $1,817SEGURO (1% TCI) $1,817COSTOS ADMINISTRATIVOS (2% TCI) $3,635OVERHEAD (60%mano de obra oper+manten) $2,241COSTO DE RECUPERACIÓN DE CAPITAL (CRCS) $17,104
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63
Vida útil del equipo 20 añosTasa de interés anual 7%Factor de recuperación de capital (CRFS) 0.094
COSTOS TOTALES ANUALES (1998) $30,871COSTOS TOTALES ANUALES (2002) $31,347
La Tabla 30 resume los resultados obtenidos para el Capital Total de Inversión y
los Costos Anuales que implicaría la selección y aplicación de la alternativa 1. Es
necesario aclarar que los costos fueron calculados primero al año de 1998 porque
las fuentes de donde se obtuvieron tienen esta fecha; pero finalmente fueron
actualizados al año 2002 usando el Chemical Engineering Plant Cost Index53, el
cual sólo se ha publicado hasta este año.
Tabla 30. Costos del sistema Incinerador-Absorbedor-Filtro de mangas
EQUIPO CAPITAL TOTAL DE INVERSIÓN COSTOS ANUALES Absorbedor US$326,892 US$107,537
Filtro de mangas US$184,592 US$31,347 Incinerador US$0 US$5,587
Total US$511,484 US$144,471
Tabla 31. Flujo de caja y VPN para la alternativa de solución 1 Año Año Inversión Costos Anuales Flujo de caja neto
0 2004 -US$511,484 -US$511,484 1 2005 -US$144,471 -US$511,484 2 2006 -US$144,471 -US$511,484 3 2007 -US$144,471 -US$511,484 4 2008 -US$144,471 -US$511,484 5 2009 -US$144,471 -US$511,484 6 2010 -US$144,471 -US$511,484 7 2011 -US$144,471 -US$511,484 8 2012 -US$144,471 -US$511,484 9 2013 -US$144,471 -US$511,484
10 2014 -US$144,471 -US$511,484 VPN7% -US$1,526,188
Como se puede observar a partir del resultado obtenido para el VPN de esta
alternativa de solución para el horno, la viabilidad es realmente casi nula y más
53 www.che.com consultada el 12 de Noviembre de 2003
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64
aun cuando el hospital no cuenta con los suficientes recursos ni siquiera para
cubrir la inversión inicial de los equipos.
En el Anexo C se explican más detalladamente los parámetros que se utilizaron
para la evaluación económica de esta alternativa de solución. 5.2.2. Evaluación económica de la alternativa 2: Chatarrización y venta del horno, y servicio externo de incineración de placentas y recolección de demás desechos patológicos. La segunda alternativa también fue evaluada
mediante la estimación de los flujos de caja netos durante una vida útil de 10 años,
con el objetivo de compararla directamente con la opción de instalar el sistema
antipolución al horno, que corresponde a la alternativa 1. Estos flujos de caja
incluyen la venta del incinerador desmontado como chatarra al señor Reinaldo
Rativa de TALLERES REY RAGAR en el primer año, y los costos anuales que
implicaría la prestación de los servicios de incineración de placentas y de
recolección de patógenos por parte de ECOENTORNO LTDA y CIUDAD LIMPIA,
respectivamente (Tabla 34).
El señor chatarrero Reinaldo Rativa en la cotización presentada (Anexo D), ofrece
dos alternativas de precio para la compra del horno como chatarra, las cuales se
describen en la Tabla 32.
Tabla 32. Cotización del horno como chatarra OPCIÓN PRECIO CONDICIONES
1 $120000 Si el chatarrero debe desmontar el horno y su chimenea. Compromiso de dejar limpio el espacio.
2 $180000 Si el hospital desmonta el horno y su chimenea y lo entrega al chatarrero ya listo.
Sin embargo, en el hospital no existe personal que se comprometa a desmontar el
horno, por lo que muy seguramente la opción escogida para su chatarrización será
la primera de las dos mencionadas en la Tabla 32, es decir la correspondiente a
recibir $120000 por el equipo.
IQ-2004-I-25
65
Por otra parte, como ya se mencionó, el hospital Centro Oriente continuaría con el
servicio de incineración de las placentas producidas en las Sedes Guavio,
Perseverancia y Samper, el cual es prestado por la empresa ECOENTORNO
LTDA, la cual cobra un valor de $1150/Kg al hospital. Así mismo, la empresa
CIUDAD LIMPIA S.A. (de ECSA) seguiría prestando al hospital el servicio de
recolección de los demás residuos patógenos por un precio de $472/Kg. De
acuerdo a esto y a la producción mensual de residuos patológicos y placentas, se
obtuvieron los costos que tendría que pagar cada año el hospital, los cuales se
reportan en la Tabla 33.
Tabla 33. Costos anuales de servicios de incineración de placentas y de recolección de residuos patógenos
Residuos Kg/mes $/Kg $/mes $/año Total placentas 78.800 1150 $90,620 US$403
Total demás patógenos 1357.250 472 $640,622 US$2,847 Total 1436.050 $731,242 US$3,250
Tabla 34. Flujo de caja y VPN para la alternativa de solución 2
Año Año Ingresos Costos Anuales Flujo de caja neto 0 2004 $120,000 $120,000 1 2005 -$8,774,904 -$8,774,904 2 2006 -$8,774,904 -$8,774,904 3 2007 -$8,774,904 -$8,774,904 4 2008 -$8,774,904 -$8,774,904 5 2009 -$8,774,904 -$8,774,904 6 2010 -$8,774,904 -$8,774,904 7 2011 -$8,774,904 -$8,774,904 8 2012 -$8,774,904 -$8,774,904 9 2013 -$8,774,904 -$8,774,904
10 2014 -$8,774,904 -$8,774,904 VPN7% -US$22,782
Finalmente también se obtuvo un valor para el VPN al 7% de tasa de descuento
que comparado con el de la primera alternativa (-US$1,526,188) es bastante más
bajo, por lo que económicamente, ésta segunda opción resultaría mucho más
conveniente para el hospital Centro Oriente.
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66
6. CONCLUSIONES
• A partir de las especificaciones técnicas de diseño y de los cálculos teóricos
realizados para el horno incinerador del hospital Centro Oriente, se comprobó
que este equipo no cumple con todos los requisitos fundamentales para que el
proceso de combustión de los desechos hospitalarios sea altamente eficiente,
de tal manera que los productos no tengan concentraciones excesivas de HCl,
SO2, y material particulado. Si bien, cumple con la mayoría de condiciones, el
problema es que no con las más importantes tales como el tiempo de
residencia de la cámara de post-combustión (2 seg mínimo) ni con la
temperatura de la cámara de combustión (850°C mínimo) y la de post-
combustión (1200°C mínimo).
• Por otra parte, también se notó que el horno está bastante descuidado
físicamente debido a que ha estado en desuso durante 7 años
aproximadamente por lo cual el funcionamiento mecánico de cada una de sus
partes no debe ser el más adecuado actualmente. Entre tanto, si se desea
poner a funcionar el horno para incinerar los residuos de todas las sedes de
hospital Centro Oriente, es necesario que se le efectúe un mantenimiento
previo. Aunque también necesita de ciertas modificaciones en su diseño
estructural inicial para poder cumplir con la resolución 0058/2002 del MMA;
labor que no es viable porque la estructura del horno es bastante compacta e
implica desbaratarlo casi por completo.
• Teóricamente, el sistema de control absorbedor y filtro de mangas se diseñó
para la reducción del HCl, SO2 y material particulado contenidos en el gas de
salida de combustión hasta los valores límites establecidos por la resolución
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67
0058/2002 del MMA. Este sistema, además de evitar la salida de estos
contaminantes en grandes concentraciones a la atmósfera, no genera residuos
adicionales que requieran tratamientos complicados.
• Técnica y ambientalmente, la solución de implementar el sistema de control de
emisiones resultó ser la más conveniente porque de esta manera no se deja
perder el horno y se aprovecha su potencial para incinerar residuos
hospitalarios, los cuales deben ser preferiblemente tratados por este método
debido a su alta patogenicidad.
• Económicamente, la situación cambia, debido a que como se demostró, los
equipos de control de SO2, HCl y material particulado implican un capital de
inversión y de operación bastante alto, además de que el proceso de
incineración también le suma una cantidad considerable a los costos totales.
Es por esto que el hospital Centro Oriente no está en condiciones de recuperar
el horno invirtiendo en la implementación del sistema antipolución porque sus
restricciones económicas no se lo permiten.
• Una opción adicional a las dos alternativas estudiadas, que ofrece una
reducción significativa en los costos, es la de incinerar sólo las placentas y
seguir con el servicio de recolección de los demás residuos patógenos que
presta CIUDAD LIMPIA S.A.; sin embargo, no vale la pena utilizar el horno
para quemar tan poca cantidad de residuos (78.8 Kg/mes), ya que se
desaprovecharía capacidad y no se usaría periódicamente, lo que podría
implicar problemas en su operación por falta de uso durante largos periodos de
tiempo.
• De acuerdo a los resultados obtenidos, la alternativa más conveniente para el
hospital Centro Oriente es la de continuar con los servicios de incineración de
placentas y de recolección de residuos patológicos, y vender el horno como
chatarra, ya que tanto económica como ambientalmente resulta ser
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68
beneficiosa. Además, con esto se elimina inmediatamente el riesgo que
actualmente corren el personal y los pacientes de la sede El Guavio porque el
horno está situado en el mismo recinto que la planta eléctrica y que los
recipientes para el almacenamiento de los residuos generados.
• Los resultados obtenidos eran predecibles debido a las condiciones en las que
se encuentra el horno; sin embargo, se logró construir un fundamento teórico
de tal manera que el hospital pueda tener bases sólidas para tomar la decisión
más adecuada sobre la disposición del equipo incinerador.
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69
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2° ed., John Wiley & Sons, Inc. U.S.A., 2000. Cap. 3.
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U.S. DEPARTMENT OF HEALTH, EDUCATION, AND WELFARE. Control of
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71
ANEXOS
Anexo A. Fotos del horno incinerador HI-10pm del hospital Centro Oriente
Foto 2: Tablero de control del
horno
Foto 1: Cámaras del horno
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72
Foto 3. Cámara de post-combustión del horno y ducto de chimenea
Foto 4. Cámara de combustión del horno (puerta de carga de residuos
abierta)
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73
Foto 5. Chimenea del horno
Foto 6: Salida de la chimenea del horno
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74
Figura 8. Quemador de la cámara de
post-combustión
Figura 7. Quemador de la cámara de combustión
Figura 9. Sistema de alimentación del combustible (Bomba)
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75
Anexo B. Balances de masa y energía
Los cálculos respectivos para cada balance fueron efectuados con base en el
método estandarizado descrito por Calvin Brunner en su libro “Hazardous Waste
Incineration”, partiendo de una composición de 5% de cenizas, 10% de volátiles, y
85% de humedad de 300lb/h de residuos alimentados, y de su potencia calorífica,
1000 Btu/lb.
Balance de masa Paso Descripción Unidades Cantidad Derivación M1 Alimentación lb/h 300 Conocido
M2 Humedad Alimentación % 85 Conocido M3 Humedad Alimentación lb/h 255 (M2/100)*M1 M4 Alimentación seca lb/h 45 M1-M3 M5 Cenizas Alimentación % 5 Conocido M6 Cenizas Alimentación lb/h 15 (M5/100)*M1
M6A Volátiles Alimentación % 10 Conocido M7 Volátiles Alimentación lb/h 30 (M6A/100)*M1 M8 Calor Alimentación Btu/lb 1000 Conocido M9 Contenido calorífico alimentación Btu/h 300000 (M1*M8)
M9A Calor volátiles Btu/lb 10000 M9/M7 M10 Gas seco generado combustión volátiles lb/10000Btu 6.5 Tabla 14.6 M11 Gas seco generado lb/h 195 (M10/10000)*M9 M12 Humedad generada combustión volátiles lb/10000Btu 1.25 Tabla 14.6 M13 Humedad generada lb/h 37.50 (M12/10000)*M9 M14 Total productos combustión volátiles lb/h 232.50 M11+M13 M15 Cantidad aire estequiométrico 100% lb/h 202.50 M14-M7
M15A Cantidad aire estequiométrico 100% scfm 45.00 M15/(60min*0.075lb/ft3)M20 Humedad aire (60°F y 90% humedad relativa) lb H2O/lb aire seco 0.01 Apéndice E M21 Humedad aire lb/h 2.0250 M20*M15 M22 Humedad total lb/h 294.53 M3+M13+M21 M23 Gas seco total lb/h 195.00 M11 M24 Consumo total de aire scfm 389.69 M15A+H27+E27 M25 Consumo total de combustible gal/h 8.02 H23+E23
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76
M1: Flujo total de alimentación de residuos correspondiente a la capacidad
máxima del horno.
M2: Porcentaje de humedad de los residuos Tipo 4 (Norma NFPA).
M3: Humedad contenida en los residuos, correspondiente al % de humedad del
flujo total alimentado.
M4: Alimentación seca de los residuos.
M5: Porcentaje de cenizas de los residuos Tipo 4 (Norma NFPA).
M6: Cenizas contenidas en los residuos, correspondiente al % de cenizas del flujo
total alimentado.
M6A: Porcentaje de volátiles de los residuos Tipo 4 (Norma NFPA).
M7: Volátiles contenidas en los residuos, correspondiente al % de cenizas del flujo
total alimentado.
M8: Valor calorífico de los residuos Tipo 4 (Norma NFPA).
M9: Contenido calorífico de la corriente de alimentación.
M9A: Valor calorífico de los volátiles.
M10: Gas seco generado por la quema del contenido de volátiles en los residuos.
Esta rata de generación puede ser determinada a partir de los componentes
químicos de los residuos (1lb de carbono genera 3.66lb de CO2 y 8.77lb de N2; 1lb
de hidrógeno genera 8.92lb de H2O y 26.08lb de N2). Sin embargo, cuando la
composición química de los residuos es desconocida, como en este caso, un
estimativo de los productos de combustión pueden ser tomados de la Tabla 14.654,
partiendo del valor calorífico de los volátiles. Este método es el resultado de una
serie de cálculos basados en las convenciones de tecnología de quemado de
carbón, en el que el valor calorífico de los volátiles del carbón es
aproximadamente 10000 Btu/lb.
M11: Flujo de gas seco generado por la quema del contenido de volátiles en los
residuos.
54 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 326
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77
M12: Humedad generada por la quema del contenido de volátiles en los residuos
(Tabla 14.6).
M13: Flujo de humedad generada por la quema del contenido de volátiles en los
residuos.
M14: Flujo total de los productos de combustión de los volátiles.
M15: Aire estequiométrico requerido para quemar la corriente de residuos
alimentados.
M15A: Aire estequiométrico requerido a condiciones estándar (T=20°C, P=1 atm)
M20: Humedad presente en el aire como función de la temperatura ambiente. De
la carta psicrométrica (Apéndice E55) se escoge un valor de 0.01lb de agua por lb
de aire seco, basado en aire a 60°F y 90% de humedad relativa.
M21: Cantidad de humedad en el aire como función de la temperatura ambiente.
M22: Flujo total de humedad presente en la corriente de gas de salida.
M23: Flujo total de gas seco presente en la corriente de gas de salida.
M24: Consumo total de aire (suministrado por el ventilador).
M25: Consumo total de combustible Fuel Oil #2 (ACPM).
55 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 385
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78
Balance de energía para la cámara de combustión Paso Descripción Unidades Cantidad Derivación
M6 Cenizas alimentación lb/h 15 (M5/100)*M1 M9 Contenido calorífica alimentación Btu/h 300000 (M1*M8) M21 Humedad aire lb/h 2.0250 M20*M17 M22 Humedad total lb/h 294.53 M3+M13+M21 M23 Gas seco total lb/h 195.00 M11 H5 Temperatura cenizas (descarga) °F 1000 Asumido H6 Contenido calor descarga cenizas Btu/lb 159.80 0.17Btu/(lb* °F)*(H5-60°F) H7 Pérdida de calor descarga cenizas Btu/h -2397.00 M6*H6 H8 Radiación Fracción 0.03 Tabla 16.6 H9 Pérdida calor radiación Btu/h -9000.00 M9*H8
H10 Humedad aire corregida (calor ganado) Btu/h 1964.25 970Btu/lb*M21 H11 Pérdida calor total Btu/h -9432.75 H7+H9+H10 H12 Calor sale (generado) Btu/h 290567.25 M9+H11 H13 Temperatura gases salida °F 140.30 M22, M23, H12 interpolación H14 Temperatura requerida 1° cámara °F 1472 Conocida H15 Entalpía gas seco (a Temp requerida) Btu/lb 358.196 Apéndice B H16 Calor contenido gas seco salida Btu/h 69848.22 M23*H15 H17 Entalpía humedad (a Temp requerida) Btu/lb 1759.932 Apéndice B H18 Calor contenido humedad salida Btu/h 518343.97 M22*H17 H19 Entalpía gas salida (a Temp requerida) Btu/h 588192.19 H16+H18 H20 Deficiencia calor Btu/h 297624.94 H19-H12 H21 Exceso aire quema combustible extra % 0 Conocido
H22 Calor disponible de combustible extra para alcanzar Temp requerida Btu/galon Fuel Oil #2 88385.00 Apéndice G
H23 Cantidad combustible extra gal/h 3.37 H20/H22 H24 Calor suministrado por combustible extra Btu/h 471431.71 (140000Btu/gal)*H23 H25 Aire requerido quema combustible extra lb/gal 103.39 Apéndice G H26 Flujo Aire requerido quema combustible extra lb/h 348.15 H23*H25 H27 Flujo Aire equivalente a cond. Stdar scfm 77.37 H26/(60min*0.075lb/ft3) H28 Aire seco generado quema combustible extra lb/gal 102.53 Apéndice G H29 Aire seco quema combustible extra lb/h 345.26 H23*H28 H30 Humedad generada quema combustible extra lb/gal 8.59 Apéndice G H31 Humedad quema combustible extra lb/h 28.93 H23*H30 H32 Calor total salida Btu/h 761998.96 H12+H24 H33 Salida total aire seco lb/h 540.26 M23+H29 H34 Salida total humedad lb/h 323.45 M22+H31 H35 Cantidad combustible extra lb/h 24.28 H23*7.21lb/gal H36 Salida total de gas lb/h 863.71 H33+H34 H37 Salida total de gas scfm 191.93 H36/(60min*0.075lb/ft3)
H5: Temperatura de descarga de cenizas después de la combustión.
H6: Contenido calorífico de la descarga de cenizas. Generalmente las cenizas
contienen calor en proporción a su temperatura. Para este cálculo se uso la
capacidad calorífica del suelo que es aproximadamente 0.17Btu/(lb°F).
IQ-2004-I-25
79
H7: Pérdida de calor debido a la descarga de cenizas.
H8: Porcentaje tomado de la Tabla 16.656 para calcular un valor aproximado para
la pérdida de calor por radiación desde la superficie de la cámara de combustión,
expresado como fracción del calor alimentado a través de los residuos.
H9: Pérdida de calor por radiación en la cámara de combustión.
H10: Humedad de aire corregida. La humedad entra al proceso con el aire de
combustión en forma de vapor no de líquido, y por lo tanto su entalpía es mayor
que la que tendría si entrara al proceso como líquido debido a que ya absorbido
calor al ser llevado al estado gaseoso. Esto significa que si la humedad fue
incluida en los cálculos como agua líquida, deber hacerse una corrección para
representar su elevado nivel de energía. En el balance de masa, la humedad del
aire fue considerada como agua líquida en el paso M22, cuando fue sumada a la
humedad de combustión y al agua contenida en los residuos, las cuales se
encontraban a 60°F. Por lo tanto, la corrección que debe hacerse es el calor de
vaporización del agua a 1 atm, 970Btu/lb.
H11: Pérdida total de calor, correspondiente al calor generado por el proceso pero
que no sale en la corriente de gas.
H12: Calor que sale en la corriente de gas.
H13: Temperatura de gases de salida. Esta temperatura debe ser asumida hasta
que la entalpía de los gases sea igual al calor disponible (H12). La entalpía del
gas, calculada con los datos el Apéndice B57, se obtiene mediante prueba y error:
(a) (b) (c) (d) (e) (f) Temperatura Haire M23*Haire Hhumedad M22*Hhumedad Total
°F Btu/lb Btu Btu/lb Btu Btu/h 60.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
140.30 290567.25 150.00 21.00 4095.00 1091.90 321591.85 325686.85
(a) Temperatura asumida
(b) Entalpía del aire (Apéndice B)
(c) Calor en el aire a la temperatura asumida
(d) Entalpía de humedad (Apéndice B)
(e) Calor en la humedad a la temperatura asumida 56 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 353 57 Ibid. Pp. 380
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80
(f) Calor total en la corriente, (f) = (c)+(e)
H14: Temperatura requerida en la cámara de combustión, correspondiente a la
temperatura de diseño. Como la temperatura de salida del gas es inferior a la
requerida, esto significa que debe ser incrementada, lo cual se logra mediante la
adición del combustible extra.
H15: Entalpía del gas seco de salida a la temperatura requerida en la cámara de
combustión, interpolada del Apéndice B.
H16: Contenido calorífico del gas seco de salida a la temperatura requerida en la
cámara de combustión.
H17: Entalpía de la humedad de salida a la temperatura requerida en la cámara de
combustión, interpolada del Apéndice B.
H18: Contenido calorífico de la humedad de salida a la temperatura requerida en
la cámara de combustión.
H19: Entalpía total del gas de salida a la temperatura requerida.
H20: Deficiencia de calor que debe ser satisfecha para alcanzar la temperatura
requerida (quema de combustible extra).
H21: Exceso de aire para la quema de combustible extra.
H22: Cuando el combustible se quema libera sus propios productos de
combustión. Se requiere calor para subir la temperatura de estos productos de
combustión (humedad y gas seco) a la temperatura requerida. De las tablas del
Apéndice G58 se obtiene el calor neto disponible para el combustible Fuel Oil #2
(ACPM) como función de la temperatura requerida y del exceso de aire.
H23: Cantidad de combustible requerido para suplir la deficiencia de calor del
proceso.
H24: Cantidad de calor suministrado por combustible extra, teniendo en cuenta
que un galón de combustible Fuel Oil #2 suministra 140000 Btu59.
H25: Aire requerido para la quema del combustible extra, reportado en el
Apéndice G60.
58 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 392 59 Ibid. Pp. 391 60 Op. Cit BRUNNER. Pp. 392
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81
H26: Flujo de aire requerido para la quema de combustible extra.
H27: Flujo de aire requerido para la quema de combustible extra a condiciones
estándar (T=20°C, P=1 atm).
H28: Gas seco generado por la quema de combustible extra, reportado en el
Apéndice G61.
H29: Flujo de gas seco generado por la quema de combustible extra.
H30: Humedad generada por la quema de combustible extra, reportada en el
Apéndice G62.
H31: Flujo de humedad generada por la quema de combustible extra.
H32: Calor total de los gases de salida, incluyendo el calor generado por la quema
de combustible extra.
H33: Flujo total de gas seco de salida, incluyendo el generado por la quema de
combustible extra.
H34: Flujo total de humedad de salida, incluyendo el generado por la quema de
combustible extra.
H35: Flujo de combustible requerido para suplir la deficiencia de calor del proceso.
H36: Gas total de salida.
H37: Gas total de salida a condiciones estándar (T=20°C, P=1 atm).
61,62 Ibid. Pp. 392
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82
Balance de energía para la cámara de post-combustión Paso Descripción Unidades Cantidad Derivación H32 Calor total entrada a cámara post-combustión Btu/h 761998.96 H12+H24 H33 Salida total aire seco (entrada a post-combustión) lb/h 540.26 M23+H29 H34 Salida total humedad (entrada a post-combustión)lb/h 323.45 M22+H31 E8 Radiación Fracción 0.03 Tabla 16.6 E9 Pérdida calor radiación Btu/h -22859.97 H32*E8 E10 Pérdida calor total Btu/h -22859.97 E9 E12 Calor sale (generado) Btu/h 739138.99 M9+H11 E13 Temperatura gases salida °F 1399.31 H33, H34, E12 interpolaciónE14 Temperatura requerida incinerador °F 1652 Conocida E15 Entalpía gas seco (a Temp requerida) Btu/lb 406.792 Apéndice B E16 Calor contenido gas seco salida Btu/h 219771.97 H33*E15 E17 Entalpía humedad (a Temp requerida) Btu/lb 1862.260 Apéndice B E18 Calor contenido humedad salida Btu/h 602349.31 H34*E17 E19 Entalpía gas salida (a Temp requerida) Btu/h 822121.28 E16+E18 E20 Deficiencia calor Btu/h 82982.29 E19-E12 E21 Exceso aire quema combustible extra % 150 Conocido E22 Calor neto disponible del combustible extra Btu/galon comb#2 17830.84 Apéndice G E23 Cantidad combustible extra gal/h 4.65 E20/E22 E24 Calor suministrado por combustible extra Btu/h 651540.82 (140000Btu/gal)*H23 E25 Aire requerido quema combustible extra lb/gal 258.48 Apéndice G E26 Flujo Aire requerido quema combustible extra lb/h 1202.93 E23*E25 E27 Flujo Aire equivalente a cond. Stdar scfm 267.32 E26/(60min*0.075lb/ft3) E28 Aire seco generado quema combustible extra lb/gal 257.61 Apéndice G E29 Aire seco quema combustible extra lb/h 1198.88 E23*E28 E30 Humedad generada quema combustible extra lb/gal 9.37 Apéndice G E31 Humedad quema combustible extra lb/h 43.61 E23*E30 E32 Calor total salida Btu/h 1390679.81 E12+E24 E33 Salida total aire seco de camara superior lb/h 1739.14 H33+E29 E34 Salida total humedad de cámara superior lb/h 367.06 H34+E31 E35 Cantidad combustible extra lb/h 33.55 E23*7.21lb/gal E36 Salida total de gas lb/h 2106.20 E33+E34 E37 Salida total de gas scfm 468.04 E36/(60min*0.075lb/ft3)
E8: Porcentaje tomado de la Tabla 16.6 para calcular un valor aproximado para la
pérdida de calor por radiación desde la superficie de la cámara de post-
combustión, expresado como fracción del calor alimentado a través de los
residuos.
E9: Pérdida de calor por radiación en la cámara de post-combustión.
E10: Pérdida total de calor, correspondiente al calor generado por el proceso pero
que no sale en la corriente de gas.
E12: Calor que sale en la corriente de gas.
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E13: Temperatura de gases de salida. Esta temperatura debe ser asumida hasta
que la entalpía de los gases sea igual al calor disponible (E12). La entalpía del
gas, calculada con los datos el Apéndice B, se obtiene mediante prueba y error:
(a) (b) (c) (d) (e) (f) Temperatura Haire H33*Haire Hhumedad H34*Hhumedad Total
°F Btu/lb Btu Btu/lb Btu Btu/h 1400.00 338.90 183092.89 1719.80 556270.52 739363.41 1399.31 739138.99 1450.00 352.30 190332.32 1747.70 565294.79 755627.12
(a) Temperatura asumida
(b) Entalpía del aire (Apéndice B)
(c) Calor en el aire a la temperatura asumida
(d) Entalpía de humedad (Apéndice B)
(e) Calor en la humedad a la temperatura asumida
(f) Calor total en la corriente, (f) = (c)+(e)
E14: Temperatura requerida en la cámara de post-combustión, correspondiente a
la temperatura de diseño. Como la temperatura de salida del gas es inferior a la
requerida, esto significa que debe ser incrementada, lo cual se logra mediante la
adición del combustible extra.
E15: Entalpía del gas seco de salida a la temperatura requerida en la cámara de
post-combustión, interpolada del Apéndice B.
E16: Contenido calorífico del gas seco de salida a la temperatura requerida en la
cámara de post-combustión.
E17: Entalpía de la humedad de salida a la temperatura requerida en la cámara de
post-combustión, interpolada del Apéndice B.
E18: Contenido calorífico de la humedad de salida a la temperatura requerida en
la cámara de post-combustión.
E19: Entalpía total del gas de salida a la temperatura requerida.
E20: Deficiencia de calor que debe ser satisfecha para alcanzar la temperatura
requerida (quema de combustible extra).
E21: Exceso de aire para la quema de combustible extra.
E22: Cuando el combustible se quema libera sus propios productos de
combustión. Se requiere calor para subir la temperatura de estos productos de
IQ-2004-I-25
84
combustión (humedad y gas seco) a la temperatura requerida. De las tablas del
Apéndice G63 se obtiene el calor neto disponible para el combustible Fuel Oil #2
(ACPM) como función de la temperatura requerida y del exceso de aire.
E23: Cantidad de combustible requerido para suplir la deficiencia de calor del
proceso.
E24: Cantidad de calor suministrado por combustible extra, teniendo en cuenta
que un galón de combustible Fuel Oil #2 suministra 140000 Btu64.
E25: Aire requerido para la quema del combustible extra, reportado en el Apéndice
G65.
E26: Flujo de aire requerido para la quema de combustible extra.
E27: Flujo de aire requerido para la quema de combustible extra a condiciones
estandar (T=20°C, P=1 atm).
E28: Gas seco generado por la quema de combustible extra, reportado en el
Apéndice G66.
E29: Flujo de gas seco generado por la quema de combustible extra.
E30: Humedad generada por la quema de combustible extra, reportada en el
Apéndice G67.
E31: Flujo de humedad generada por la quema de combustible extra.
E32: Calor total de los gases de salida, incluyendo el calor generado por la quema
de combustible extra.
E33: Flujo total de gas seco de salida, incluyendo el generado por la quema de
combustible extra.
E34: Flujo total de humedad de salida, incluyendo el generado por la quema de
combustible extra.
E35: Flujo de combustible requerido para suplir la deficiencia de calor del proceso.
E36: Gas total de salida.
E37: Gas total de salida a condiciones estándar (T=20°C, P=1 atm).
63,65,66,67 Op. Cit. BRUNNER. Pp. 399 64 Ibid. Pp. 391
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85
Anexo C. Explicación parámetros para la evaluación económica de la alternativa de solución 1: diseño y adecuación de un sistema de control de
emisiones al horno del hospital centro oriente
Costo Total de Inversión (CTI)
El Costo Total de Inversión se calculó mediante las siguientes ecuaciones:
DIICTCI +=
DICPECDI +=
APEC 18.1=
Donde, IC = Costos indirectos
DI = Costos directos
PEC = Costos de compra del equipo
DIC = Costos directos de Instalación
A = Costo del equipo
Para el absorbedor,
BTCIBICBDI
BDICBPEC
SA
2.235.085.1
85.0
*115
=====
=
Donde, S = Área superficial del absorbedor (69 ft2<S<1507 ft2).
El costo del absorbedor (A) se basa en que el material usado es fibra de vidrio con
plástico reforzado (FRP), e incluye la coraza de la torre de absorción, los puertos
de entrada y salida del gas, la entrada y salida del líquido y drenaje, el atomizador,
la tubería interna, las plataformas y escaleras.
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86
Para el filtro de mangas,
BTCIBICBDI
BDICBPEC
AJaulasJaulasft
AreaBolsas
AreaoAislamient
AreaFiltroJaulasBolsasoAislamientFiltroA
bolsa
filtradoneta
filtradoneta
filtradoneta
19.245.074.1
74.0
)*0355.0exp(*8444.7*#$
69.1$*$
)*23.2(1041$
)*163.7(2307$$$$$
2
=====
=
=
+=
+=+++=
Donde, Anetafiltrado y Abolsa deben estar en ft2.
Las ecuaciones para $Filtro y $Aislamiento se obtienen de la Figura 1.8 del
Manual de Costos de la EPA68.
La ecuación para $Jaulas y el término $1.69/ft2 de la ecuación para $Bolsas se
obtienen de la Tabla 1.8 del Manual de Costos de la EPA69.
Para el incinerador no existe el TCI, porque el horno ya se tiene, no hay que
comprarlo.
68 Op. Cit. EPA. Air Pollution Control Cost Manual. Sección 6, Capítulo 1, Pp. 38 69 Ibid. Sección 6, Capítulo 1, Pp. 42,43
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87
Costos Anuales (CA) Los Costos Anuales se calcularon mediante las siguientes ecuaciones:
capitalcupSeguropropiedadpAdmonOverheadCIAhodeunidad
hosdeoducciónhosdeDispos
serviciounidadservicioConsumoServicios
mantenimTrabajomantenimMaterialhaño
semanassemana
diadia
turnosturno
hmantenimTrabajo
mantenimMaterialmantenimTrabajoMantenimmaterialunidad
materialCantidadoperMateriales
OperadorSupervisorhaño
semanassemana
diadia
turnosturno
hOperador
SupervisorOperadoroperobraManohosdeDisposServiciospartesemplMantenimoperMaterialesoperobraManoCDA
CIACDACA
ReImsec
$*secPrsec
$*
%100
$52131
$*
%15
$52131
secRe
++++=
=
=
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+=
=
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+=+++++=
+=
Donde, CDA = Costos Directos Anuales
CIA = Costos Indirectos Anuales
Para el absorbedor,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
+=
==
1)1()1(
*Re
n
n
S
SS
iiiCRF
CRFTCICRCcapitalcup
Donde, CRFS = Factor de recuperación de capital (absorbedor)
i = Tasa de interés anual
n = Vida útil del equipo (absorbedor)
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88
Para el filtro de mangas,
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
+=
−−==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−+
+=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+=+==
1)1()1(
*)(Re1)1(
)1(
$**#
08.1*)$($*)()(Re
n
n
S
SLBS
m
m
B
L
B
BLBB
iiiCRF
CRFCCTCICRCcapitalcupi
iiCRF
reemplazohorasbolsas
bolsareemplazohorasC
JaulasBolsasCCRFCCCRCbolsaspartesempl
Donde, CB = Costo bolsas + jaulas, incluyendo impuestos y carga (0.08%
más)
CL= Trabajo de reemplazo de bolsas
CRFB = Factor de recuperación de capital (bolsas)
CRFS = Factor de recuperación de capital (filtro de mangas)
i = Tasa de interés anual
m = Vida útil de las bolsas
n = Vida útil del equipo (filtro de mangas)
La actualización de los costos se hizo usando el Chemical Engineering Plant Cost
Index70 mediante la siguiente ecuación:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
baseañoIndexactualañoIndexbaseañoCostoactualañoCosto
70 www.che.com consultada el 12 de Noviembre de 2003
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89
Anexo D. Cotización del horno como chatarra
