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Valoración energética de residuos

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Academic year: 2020

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MASTER EN INGENIERIA Y GESTION MEDIAOMBIENTAL

MIGMA 2007 / 2008

VALORIZACION ENERGETICA DE RESIDUOS

Santiago Palomino Guzmán

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INDICE

JERARQUIZACION DE LAS ACTIVIDADES DE GESTION DE RESIDUOS (1) - Formas de valorización energética (3)

PROCESOS DE TRATAMIENTO TERMICO DE RESIDUOS - Incineración (4)

- Gasificación (5)

- Pirólisis o termolisis (5)

- Aplicaciones de los diferentes procesos en el tratamiento de residuos urbanos (6)

TIPOS DE RESIDUOS INCINERABLES (8)

CONFIGURACION GENERAL DE UNA PLANTA DE INCINERACION DE RSU (10)

HORNOS DE COMBUSTION (17) - Hornos de parrillas (18) - Hornos de lecho fluido (26)

DEPURACION DE GASES EN LOS PROCESOS DE INCINERACION DE RESIDUOS - Límites de emisiones establecidos por el RD 653/2003 (29)

- Contaminantes en las plantas de incineración de residuos (31)

- Equipos empleados en la eliminación e partículas de los gases de combustión (37) - Sistemas de depuración de gases ácidos (39)

- Sistema de inyección seca (39) - Reactor semiseco (39)

- Reactor por vía húmeda (41)

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JERARQUIZACION DE ACTIVIDADES DE GESTION DE RESIDUOS

En un esquema jerarquizado de gestión de residuos pueden definirse diferentes actividades que, aplicadas de forma ordenada, deberían conducir a modelos óptimos de gestión, desde un punto de vista ambiental.

Estas etapas pueden resumirse en las siguientes:

- prevención en la generación de residuos, que ocuparía el primer escalón estratégico y supone la optimización de los procesos de uso de los recursos de los que se derivan los residuos; la prevención debe entenderse tanto en cantidad de residuos como en la peligrosidad de los mismos; a diferencia de otras actividades que se analizan a continuación, la prevención en la generación de residuos es siempre preferible a cualquier otra opción.

- valorización de los residuos que englobaría a las diferentes formar de obtener valor económico o ambiental de los residuos; dentro de este grupo pueden considerarse tres tipos diferentes de actividades de gestión:

- la reutilización de los residuos, que es el aprovechamiento sin cambiar la forma ni las características de los residuos; da lugar al aprovechamiento completo de los mismos; el ejemplo más frecuente, pero no único, de este tipo de actuaciones es el rellenado de envases; no siempre tienen justificaciones económicas o ambientales claras.

- la valorización material, (reciclado), en la que el residuo no conserva la forma y las características originales y a veces se pierde una fracción importante de los recursos usados en la fabricación del producto del que proceden; para los residuos de origen urbano esta valorización material mas característica está constituida por los reciclados de papel, envases, metales, etc.; en general, lleva consigo una degradación de la calidad, lo que introduce una limitación implícita.

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residuos, con cambios físicos y químicos muy importantes, por lo que es incompatible con la recuperación material; puede aplicarse a gran numero de residuos, con la condición de que, en la transformación, produzcan un balance energético favorable.

- destrucción de los residuos sin aprovechamiento energético; los procesos físicos y químicos son bastante similares a otros de recuperación energética pero en este tipo de procesos se descarta la recuperación energética por razones ambientales o económicas.

- depósito de residuos en vertederos; esta alternativa de gestión, en la que confluirían algunas de las anteriores, debería ir siempre precedida de algún tipo de recuperación de los recursos presentes en los residuos.

En consecuencia, el aprovechamiento de la energía contenida en los residuos, (generalmente en forma de energía química), debería ser una actividad preferente al vertido, dentro de un esquema global de gestión de residuos y de optimización del uso de los recursos.

La jerarquización de las actuaciones anteriores, que tiene una justificación básicamente ambiental y que está orientada a la optimización del uso de los recursos, no puede ser interpretada de forma dogmática sino que ésta debe ser conjugada con otros requisitos de ámbito social y económico.

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Formas de valorización energética

En líneas generales, existen dos formas básicas de realizar la valorización energética de los residuos, especialmente de los de origen urbano:

- por metanización de la materia orgánica fermentable presente en los

mismos, con producción de metano y un residuo inerte que puede ser depositado en vertedero; desde el punto de vista ambiental debe ser considerado un pretratamiento orientado a estabilizar los residuos antes de ser depositados en vertedero.

No debería confundirse con la recuperación del biogás procedente de los vertederos ya que esta recuperación es una solución de los efectos negativos del vertido que no debería tener lugar en los nuevos vertederos si se reduce la cantidad de materia orgánica admitida en los mismos.

- por tratamientos térmicos, (incineración, gasificación o pirólisis); aunque

no es un requisito imprescindible, en todos estos casos debería partirse de la fracción no fermentable de los residuos, por razones de eficiencia energética y económica.

Ambas formas de valorización energética son complementarias, puesto que se aplican, (o deberían aplicarse) a dos fracciones de residuos diferentes.

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PROCESOS DE TRATAMIENTO TERMICO DE RESIDUOS

La valorización energética de un residuo combustible pasa siempre por la transformación de su energía química en calor o en otro combustible limpio y directamente utilizable (por ejemplo, gas de síntesis), seguida de la transformación del calor liberado en otro tipo de energía útil, generalmente energía eléctrica.

No deberían confundirse los procesos de tratamiento térmico, (incineración, gasificación o pirólisis), con la valorización energética, que es uno de los resultados del tratamiento; el grado de aprovechamiento obtenido es, generalmente, modesto porque las materias primas de partida no son especialmente homogéneas y por razones exclusivamente termodinámicas.

Existen tres procesos básicos para la valorización energética de los residuos combustibles:

Incineración

Es un proceso fuertemente exotérmico, durante el cual se suministra al residuo el aire necesario para la combustión completa del mismo, quedando los productos resultantes de la combustión con el máximo grado de oxidación posible: el carbono se transforma casi cuantitativamente en CO2, el hidrógeno a H2O, etc.

La temperatura de combustión se sitúa en torno de los 850 a 1200 ºC, dependiendo del combustible y de la configuración física de la cámara de combustión.

El aire de combustión se regula de tal manera que en los gases quede siempre un cierto exceso de oxígeno, entre un 3 y un 6%, para asegurar la oxidación completa de los compuestos del residuo.

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Gasificación

Consiste en una oxidación parcial del combustible, que se produce al someterlo a temperatura elevada en una atmósfera con defecto de oxígeno; generalmente puede hacerse una inyección de agua o vapor, lo que asimila el proceso a un proceso típico de reformado.

Los productos de gasificación son:

− gas de síntesis, que contiene productos de oxidación parcial del combustible, (CO, H2, CH4); el objetivo es obtener gases combustibles que puedan ser posteriormente utilizados para valorización energética o química; debido a la temperatura, la fracción de gases condensables, de alto peso molecular, es muy reducida.

− escorias que, como en el caso de la incineración, no suelen tener valor energético porque la fracción combustible ha sido gasificada; como la temperatura suele ser inferior a la de incineración el grado de inquemados en las escorias suele ser superior a los procesos de combustión completa.

Pirólisis o termolisis

Tiene como objetivo fraccionar las moléculas orgánicas del residuo mediante un cracking térmico sin producir ninguna oxidación; para ello, se somete a temperaturas del orden de 400 a 600 ºC durante un tiempo prolongado en ausencia de oxígeno, con aportación de calor.

Los productos de pirólisis, una vez enfriados, son:

− gas de síntesis, que contiene de los hidrocarburos que son gaseosos a temperatura ambiente

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− un residuo secundario que contiene las fracciones no volátiles ni fácilmente escindibles a las temperaturas de operación; este residuo puede tener un poder calorífico suficientemente elevado para poder ser sometido a un proceso de combustión completa; en todo caso, es muy probable que se trate de un residuo peligrosos porque acumulará los compuestos más refractarios al tratamiento térmico.

Aplicaciones de los diferentes procesos en el tratamiento de residuos urbanos

El proceso de incineración cuenta con una implantación muy extendida en la mayor parte de los países europeos, que desarrollaron estos sistemas de tratamiento de forma muy intensiva durante los años 80, aunque la incineración de residuos viene desarrollándose, como tecnología específica, desde los años 30 del siglo pasado.

El gran desarrollo tecnológico de la incineración tuvo lugar en los últimos 15 años, centrándose tanto en la optimización de los diseños de los hogares y cámaras de combustión como en los sistemas de depuración de gases.

En este sentido, se han desarrollado los sistemas de combustión en lecho fluido, tanto estacionario como circulante al tiempo que se han integrado los ciclos térmicos convencionales de las plantas de incineración, (de vapor de agua a presiones medias), con ciclos de gas complementarios o con otros ciclos de vapor a presiones más elevadas, (propios de centrales térmicas); de esta manera se pretenden aumentar el aprovechamiento energético global.

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los motores; algunos procesos de pirólisis en funcionamiento se dedican, de forma casi exclusiva, a la producción de un combustible sólido que pueda ser utilizado en otras instalaciones, como las plastas de cemento.

Esta tecnología podría ser de aplicación específica a residuos muy homogéneos como los residuos plásticos; mediante la pirólisis puede obtenerse una corriente de gas combustible que posteriormente puede quemarse, con un residuo mínimo.

Sin embargo, bastantes propuestas de plantas de pirólisis sólo pretenden la obtención de una fracción de gases y líquidos combustibles, que son posteriormente incinerados, con o sin tratamiento previo; en definitiva, se presenta una combustión en dos etapas en la que una parte de los residuos quedan sin tratamiento y con un incremento de su carácter peligroso.

En el proceso de gasificación los gases obtenidos, compuesto por mezclas de CO, H2, CO2, N2 y otros gases, se depuran y son posteriormente utilizables en turbinas de gas o motores, con el consiguiente aumento de rendimiento de transformación.

Como ejemplo de ello cabe mencionar la experiencia alemana en Schwarze Pumpe, consistente en una gasificación a presión de los RDF, donde se alcanzan unos rendimientos energéticos muy superiores a la incineración convencional y unas emisiones extraordinariamente bajas, aunque con unos costes de inversión muy elevados, unas instalaciones muy complejas y, de momento, con notables incertidumbres tecnológicas.

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TIPOS DE RESIDUOS INCINERABLES

La característica fundamental de los residuos que permite su incineración es el poder calorífico de los mismos junto con la presencia de algunos contaminantes que condicionan la forma de tratamiento por incineración.

Pueden distinguirse diferentes tipos de residuos urbanos, atendiendo a la forma de recogida y al tratamiento posterior, en relación con la incineración:

− RSU: Residuos sólidos urbanos en general; suelen referirse a residuos recogidos sin separación en origen, en masa; una gran parte de los mismos, (casi el 50%), está constituido por residuos no combustibles, con una cantidad importante de agua, lo que resta eficacia al proceso de valorización energética.

− RDF: fracción combustible de los residuos urbanos procedente de la separación mecánica de los residuos recogidos en masa; esta fracción es aproximadamente la mitad de la cantidad total de residuos urbanos recogidos; su poder calorífico del orden de 2,500 kcal/kg aunque éste depende de la coexistencia con otros sistema de recogida selectiva.

Otras fracciones, menos trascendentes para los procesos de incineración, son las procedentes re recogida separada en origen:

− la fracción húmeda separada de los RSU procedente de recogidas en masa; aunque suele dedicarse a la producción de compost, la calidad del mismo no suele ser adecuada; la forma más adecuada de gestión es mediante un tratamiento mecánico biológico, que permita una metanización; la fracción no digerible puede ser depositada en vertedero porque su estabilidad será alta.

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bien realizada este grupo de residuos podrá ser destinado a reciclado de forma preferente.

− fracciones húmedas de residuos procedentes de recogida separada; en general, cuando se recoge esta fracción es porque el modelo de gestión considera la producción de cantidades importantes d e compost de calidad; en cualquier caso, como cualquier otra fracción húmeda, la mejor forma de valorización energética es por vía biológica, (metanización) y no por tratamiento térmico.

− necesariamente deben ser considerados candidatos a la incineración.

En definitiva, dependiendo de la estructura de recogida de residuos, separada en origen o en masa, se obtendrán diferentes flujos de residuos y se propiciarán determinadas formas de gestión

En general, la recogida separada de fracciones no combustibles está orientada a la producción de compost y al reciclado de materiales plásticos; en todo caso, los rechazos combustibles de ambas fracciones suponen un porcentaje muy elevado de los residuos recogidos.

Los procesos de recogida en masa exigirán progresivamente la separación y el pretratamiento de la fracción húmeda, para estabilizar los residuos fermentables; el rechazo procedente de la separación mecánica es el RDF, debería ser destinado a incineración.

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CONFIGURACION GENERAL DE UNA PLANTA DE INCINERACION

La mayor parte de las incineradoras aprovechan el calor producido en la combustión de los residuos urbanos en un ciclo de vapor, con producción posterior de electricidad; en numerosos caso, especialmente en climas fríos, la producción de electricidad se sacrifica parcialmente aprovechándose el calor a temperaturas inferiores para la producción de agua caliente, para calefacción y otros usos; en algunos otros caso, dependiendo de la localización de la planta, la valoración energética se realiza cediendo vapor a otros usuarios cercanos, (industrias).

El esquema básico es:

En general, el combustible adicional solo se utiliza durante la etapa de puesta en marcha y en algunas circunstancias concretas, pero no representa una aportación significativa en el balance energético de la planta.

El calor para calefacción central suele extraerse de la turbina, bien en forma de extracción o utilizando turbinas de contrapresión; de esta forma, la menor producción de electricidad se compensa con un mejor aprovechamiento del calor a baja temperatura.

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Existen algunas variantes a esta configuración habitual, orientadas a obtener mayores rendimientos energéticos, incluyendo la planta de incineración como una de las etapas de ciclos combinados que utilizan gas natural; aunque desde el punto de vista económico y tecnológico supongan un avance, desde el punto de vista de valorización de la energía obtenida de los residuos no existen diferencias con sistemas clásicos de incineración, porque el aprovechamiento de la energía de combustión se hace siempre en forma de vapor de alta presión.

Independientemente de la posibilidad de asociación de una planta de incineración con otras instalaciones térmicas, para la búsqueda de un mejor rendimiento energético global, la estructura clásica de una planta de incineración de RSU es como se indica en la figura:

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Foso de recepción, en la que se reciben los residuos, en masa desde los servicios de recogida cuando ésta no es separada en origen, o RDF desde instalaciones de clasificación; los fosos suelen tener una capacidad de almacenamiento equivalente a 3 a 5 días de recogida; junto a la función directa de almacenamiento, los fosos tienen también la posibilidad de mezcla de los residuos, de forma que los residuos alimentados a la planta mantengan una cierta homogeneidad; esta mezcla se produce mediante grúas-pulpo, que, además sirven para alimentar el residuo a las tolvas de alimentación de los hornos.

En los fosos de alimentación comienzan reacciones de descomposición de los residuos, generando gases y malos olores; para evitar estos efectos, los fosos de recepción se mantienen cerrados, realizando la toma de aire de combustión a través de los mismos.

Los residuos depositados en la tolva fluyen hasta la entrada al horno donde se dispone de sistemas de alimentación al horno que permite una regulación precisa de la cantidad de residuos introducidos.

Horno de combustión, constituido por la parrilla y por la cámara de combustión; existen diferentes tipos de hornos, aunque los más usados para RSU son los hornos de parrillas y los de lecho fluido.

En el caso de los hornos de parrilla, los residuos se van desplazando hacia la parte inferior de la misma mientras arden; el aire de combustión de introduce, al menos parcialmente, en la propia parrilla.

La parte final de la parrilla descarga las escorias no combustibles en un foso con cierre de agua; aquí se produce el enfriamiento de las mismas y su posterior traslado a un foso de escorias.

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la composición, evitando la presencia de puntos calientes que pueden conducir a la formación de cantidades importantes de óxidos de nitrógeno.

En la parte superior del horno se encuentra la cámara de postcombustión, que es un espacio vacío que el gas tarda en recorrerlo mas de 2 segundos y durante los cuales la temperatura es superior a 850 ºC; la finalidad de esta cámara de postcombustión, que no debe confundirse con una segunda cámara de combustión, es asegurar que el tiempo se mantiene a una temperatura elevada durante un tiempo suficiente para permitir la destrucción de los componentes peligrosos de los residuos.

La caldera de recuperación se encuentra a continuación de la cámara de postcombustión, (a veces ésta forma parte de la zona de radiación de propia caldera); el gas caliente es enfriado desde la temperatura de combustión, del orden de 1000 ºC, hasta una temperatura cercana a 220 – 250 ºC; el calor recuperado se transforma en vapor recalentado de alta presión.

En la caldera deben diferenciarse varias zonas, en función de la forma preferente de transferencia de calor y del resultado de la transferencia: por orden decreciente de temperatura se encuentran:

− la zona de radiación, de temperatura mas elevada, donde la transferencia de calor se realiza por radiación; el contacto entre el flujo de gas caliente y los elementos de la caldera se reducen al mínimo; los tubos de generación de vapor suelen estar protegidos por refractarios evitando su exposición directa al gas, que tiene una gran cantidad de partículas incandescentes; de esta forma se reducen las abrasiones y corrosiones en la caldera.

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golpeo en los haces tubulares, que hace que el polvo se desprenda y se recoja en las tolvas inferiores de cenizas volantes.

− formando parte de la caldera existen otros haces de recuperación energética en los que no se produce vapor sino que se caliente el agua de alimentación, son los economizadores y el mecanismo de transferencia de calor es, también, por convección; estos haces se diseñan de forma que no se produzca un enfriamiento excesivo de los gases para evitar la condensación de los componentes ácidos que podrían dar lugar a una corrosión intensa de las superficies metálicas; por esto la temperatura mínima de las calderas se mantiene en torno a 200 –250 ºC.

En la caldera, además de la recuperación de calor y el enfriamiento de gases, (que son efectos simultáneos), se produce una separación importante de las partículas de polvo; el grado se desempolvado suele ser suficiente para el adecuado funcionamiento de los sistemas de depuración de gases.

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− reactor de absorción de gases ácidos, (spray dryer), en el que se pulveriza una solución de lechada de cal, a veces mezclada con carbón activo en polvo; el reactivo reacciona con los gases ácidos produciendo la neutralización de los mismos; los productos de reacción son sólidos en polvo, que se depositan en el fondo del reactor; el carbón activo adsorbe compuestos orgánicos y metales pesados volátiles.

− sistema de desempolvado de los gases neutralizados, constituido generalmente por un filtro de mangas, que tiene una gran eficiencia de separación; además del efecto de filtración, los filtros de mangas tienen la ventaja de permitir que se completen las reacciones de neutralización y adsorción de contaminantes en el paso de los gases a través de la capa de finos depositados sobre las telas filtrantes.

Los sistemas de depuración como los descritos suelen ser completamente eficientes para alcanzar las especificaciones del RD 653/2003, incluyendo las exigentes especificaciones de emisión de dioxinas y furanos.

Para conseguir la reducción de los óxidos de nitrógeno procedentes de la combustión existen varios sistemas que combinan el mejor diseño de la geometría de los hornos de combustión, para permitir una combustión muy homogénea, con la utilización de sistema de reducción de los óxidos de nitrógeno, utilizando urea, amoníaco o con un combustible; los sistemas mas normales para las plantas de residuos urbanos en España son la inyección controlada de amoníaco en el horno, con lo que pueden conseguirse emisiones especialmente bajas de NOx; otro sistema alternativo, mas caro, es por medio de un catalizador selectivo utilizando un reductor diferente, generalmente gas natural, (SCR); este segundo sistema, que se coloca tras el sistema de depuración de gases, permite un control adicional de los compuestos orgánicos.

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Sistema de control de emisiones, que permite la monitorización de los gases antes de su salida a la chimenea; la nueva Directiva establece los parámetros que deben ser controlados de forma directa y permanente.

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HORNO DE COMBUSTION

Para el horno de incineración de residuos urbanos, ya sea de residuos en masa o de RDF, existen dos grupos de tecnologías:

− Hornos de parrillas

− Hornos de lecho fluido

No tienen aplicación en este tipo de residuos los hornos rotativos, que tienen un uso casi generalizado en las plantas de incineración de residuos peligrosos.

La utilización aproximada de cada una de las tecnología puede resumirse en las distintas áreas del diagrama de fuego, en función de la capacidad de la planta, (por línea), y el tipo de residuo a tratar, (poder calorífico).

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Hornos de parrillas

Los residuos son depositados en la zona inicial de la parrilla por medio de dispositivos de empuje y el movimiento de la misma produce un avance del residuo hacia la zona de combustión; la forma de producir el avance diferencia los distintos tipos de parrillas; en todos los casos las parrillas están dispuestas de forma que la misma presente una gran pendiente, que facilite el avance de los residuos.

Los objetivos fundamentales de las parrillas son:

− producir el, volteo y mezclado de los residuos a lo largo de la misma, de forma que todos los residuos sean expuestos al fuego, reduciendo la cantidad de inquemados.

− conseguir una altura regular de residuos sobre la parrilla, para mantener una combustión uniforme.

Para residuos con PCI inferiores a 3,000 kcal/kg, (que es el caso habitual de los RDF), la refrigeración de las parrillas se suele hacer únicamente mediante el aire primario que circula a través de la misma; si el PCI es superior es necesario disponer de algún sistema adicional de refrigeración, generalmente por agua.

La parrilla es una tecnología de combustión muy conocida y experimentada, tanto en RSU como en otros combustibles (las experiencias de las parrillas Martin y Von Roll se remontan a los años 30 en RSU).

Existen diferentes disposiciones básicas de parrillas, pero las más extendidas en el campo de incineración de RSU son:

− parrillas de barras con movimiento de traslación

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Parrillas con movimiento de traslación

El movimiento de los residuos se consigue mediante el movimiento de vaivén de los elementos de la parrilla, que hacen que los residuos vayan cayendo desde unos elementos a otros; la capacidad de la parrilla, y del horno, se regula mediante regulación de la longitud del vaivén.

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En la figura puede analizarse el movimiento de los residuos en la parrilla de movimientos alternativos.

En general, esta disposición de parrillas asegura un buen volteo de los residuos y una buena uniformidad de a combustión.

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Parrillas de rodillos

Consiste en un número reducido de rodillos formando una parrilla con fuerte inclinación; el movimiento de los residuos sobre la parrilla se consigue por el movimiento rotativo de cada una de las filas de rodillos, que se controlan de forman individual, lo que permite regular la altura de residuos sobre la misma.

La entrada de aire se produce desde el interior de cada rodillo hasta los residuos, a través de agujeros realizados en los mismos; este caudal de aire puede también ser regulado para cada fila de rodillos de forma individual, de forma que se obtenga una adecuada distribución de aire en la parrilla.

En la figura se muestra una parrilla de rodillos; este tipo de parrillas tiene una

capacidad superior a las parrillas de barras, aunque la calidad de inquemados suele ser menor.

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Zonas de la parrilla

La parrilla puede dividirse en distintas zonas, en relación con los puntos de entrada de residuos y de aire, y de los fenómenos que tienen lugar sobre ella:

− Zona de secado (1 ), en la que se produce una absorción de calor por los residuos para evaporar el agua contenida en los residuos alimentados; en esta zona la temperatura es inferior a 100ºC.

− Zonas de precalentamiento e ignición (2/3); en ellas se produce el calentamiento de los residuos hasta la temperatura de ignición de los mismos, absorbiendo calor por radiación del resto del horno; la temperatura de los residuos asciende hasta unos 400 – 500 ºC.

− Zona de ignición y combustión (3/4 ) en las que se produce la ignición del combustible y se queman los volátiles procedentes de la desgasificación de los residuos y de la combustión de los componentes ligeros; la combustión se produce en la superficie de los residuos; en esta zona de fuerte liberación de calor.

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Distribución de aire de combustión en los hornos de parrillas

El aire de combustión se aporta en dos corrientes diferenciadas:

− aire primario, que pasa a través de la parrilla; el objetivo fundamental es aportar el oxígeno necesario para la combustión pero, además, tiene una función de refrigeración de los elementos de la parrilla; normalmente se precalienta antes de la entrada en el horno hasta temperaturas de unos 150 ºC, lo que mejora las condiciones de combustión.

− aire secundario, que se inyecta en diferentes puntos del horno; el objetivo es conseguir la combustión completa de los residuos, especialmente de aquellos que no han podido quemarse directamente sobre la parrilla; el aire secundario se introduce de forma que cree una gran turbulencia, para homogeneizar la atmósfera, tanto en composición como en temperatura, evitando puntos calientes.

La relación entre caudal de aire primario y caudal de aire secundario depende de cada disposición constructiva y de los tipos de residuos.

Un aspecto muy importante es la adecuada regulación del aire en cada punto de la parrilla; prácticamente todas las tecnologías disponen de mecanismos adecuados para la regulación y distribución del aire sobre la parrilla y en los distintos puntos del horno.

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Diseño de hornos en cocorriente, contracorriente y de corriente central

Dependiendo de que la posición de la salida de los gases de combustión del horno esté junto a la caída de escorias, a la entrada de RSU o en la zona central del horno, se puede hablar de hornos cocorriente, equicorriente y de corriente central.

Hornos contracorriente

En este tipo de horno, los gases de combustión se mueven en dirección contraria al avance de los residuos, favoreciendo el secado e ignición de los mismos, lo que produce un intenso intercambio de calor en la primera fase de la parrilla; al mismo tiempo este tipo de flujo refrigera también las escorias antes de su descarga.

En este diseño los productos originados por la desgasificación de los residuos pueden salir rápidamente del horno; para evitar que estos productos lleguen sin quemar a la zona de radiación, debe añadirse aire secundario; una combustión muy concentrada en el principio de la parrilla puede dar lugar a una mayor formación de NOx, debido a la alta temperatura originada.

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Hornos en cocorriente

Los gases de combustión circulan paralelamente al sentido de avance de los residuos, con lo que el tiempo de que disponen para la combustión completa de los volátiles y productos de desgasificación se alarga considerablemente.

Como consecuencia del flujo de aire, se produce un enfriamiento en los gases a la salida del horno, por el aire entrado en la zona de enfriamiento; este diseño permite garantizar que los todos gases de combustión recorren completamente el horno y se mantienen en alta temperatura, pero a su vez pueden producir arrastres de inquemados hacia las escorias.

Hornos de corriente central

Comparado con el horno contracorriente, este tipo de horno ofrece un recorrido más largo a los gases para su completa combustión aunque inferior a diseño en cocorriente.

Este horno requiere una bóveda elevada en la zona de entrada, así como una buena turbulencia para asegurar la mezcla del aire secundario.

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Hornos de lecho fluido

En este tipo de horno las parrillas tienen como única finalidad la distribución de aire, pero no sostienen al residuo, que se mantiene sobre el lecho.

Aunque e lecho fluido puede establecerse directamente con determinado tipo de residuos, en el caso de los RSU o RDF el lecho está constituido por arena o un material granular de alta resistencia, para asegurar una buena distribución de aire.

Las ventajas de los lechos fluidos en la incineración de residuos son varias, pero están relacionadas con la excelente capacidad de intercambio de calor y de materia, lo que favorece todas las reacciones de combustión; en estas condiciones puede alcanzarse una gran homogeneidad entre todos los puntos del lecho.

Dependiendo de la velocidad de fluidificación, el lecho fluido puede ser:

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diferentes partículas de arena de fluidificación están expandidas y se comportan independientemente pero permanecen en el lecho; la pérdida de carga en el lecho es constante a pesar de que aumente la velocidad de paso de aire.

− lecho circulante, cuando la velocidad es lo bastante elevada como para sacar parte de los materiales del lecho, provocando el transporte de los mismos al exterior; la pérdida de carga a través del lecho disminuye; en este caso estos materiales deben ser reintegrados al lecho, mediante el uso de ciclones; tienen mayor flexibilidad respecto a las características de los residuos que pueden ser tratados, aunque tienen un consumo energético más elevado que los de lecho estacionario.

− en el caso de hornos destinados a incineración de RSU se ha desarrollado un tipo híbrido de hornos de lecho fluido: los burbujeantes con recirculación interna: mediante una adecuada geometría de la cámara de fluidificación puede conseguirse una recirculación interna de materiales, impulsada por el aire primario, aunque la superficie libre del lecho permanece estacionaria.

Este tipo de hornos tienen las siguientes ventajas respecto a los hornos de parrillas:

− permite quemar un amplio rango de combustibles, debido a su buena tasa de transferencia de materia y energía.

− permite quemar combustibles con mayor poder calorífico que la parrilla, ya que no existe el problema de refrigeración de ésta.

− mediante adición de caliza al lecho, se produce una reducción de las emisiones de S02, y en menor medida de HCl y HF simplificando el proceso de depuración de gases, pero sin llegar a excluirla.

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En contrapartida, existen desventajas relativas:

− dependiendo de las características del combustible, puede haber arrastres fuera del lecho debido a la mayor velocidad del aire primario.

− los residuos tienen que tener una granulometría razonablemente homogénea para garantizar la estabilidad del lecho.

La alimentación de aire de combustión de subdivide en:

− aire primario, que es el que mantiene la fluidificación del lecho y que se inyecta en la parte inferior del lecho, a través de toberas distribuidas uniformemente en la parrilla.

− aire secundario destinado a asegurar la combustión; se inyecta en la parte superior del lecho.

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DEPURACION DE GASES EN LOS PROCESOS DE INCINERACION DE RESIDUOS

Límites de emisiones establecidos por el RD la nueva Directiva

El RD 653/2003 establece los límites de emisión de contaminantes, tanto a la atmósfera como a las aguas residuales procedentes de la depuración de los gases de combustión.

Los límites de emisión que se indican a continuación.

Contaminantes Unidades Limites medio

diario Limite medio semihorario

Partículas mg/Nm3 10 30

Carbono orgánico total mg/Nm3 10 20

HCl mg/Nm3 10 60

HF mg/Nm3 1 4

SO2 mg/Nm3 50 200

CO mg/Nm3 50 150

NOx, (como NO2) mg/Nm3 200 400

Cd + Tl mg/Nm3 0.05 0.1

Hg mg/Nm3 0.05 0.1

Sb + As + Pb + Cr + Co + Cu +Mn + Ni + V

mg/Nm3 0.5 1

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También incluye algunas especificaciones técnicas de funcionamiento, como las temperaturas mínimas de la cámara de postcombustión y el contenido de inquemados en las escorias, como indicadores indirectos del funcionamiento de la planta.

Debe señalarse que, a diferencia de normativas anteriores, no existen diferencias en los límites de emisión de las plantas de residuos urbanos o no peligrosos y de los residuos peligrosos.

Un aspecto importante de la nueva regulación de incineración es que debe aplicarse también a otros tratamientos térmicos, como la pirólisis, la gasificación y el plasma, aunque conceptualmente pueden ser muy diferentes de la incineración.

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Contaminantes importantes en las plantas de incineración

Partículas sólidas

Las partículas sólidas proceden del arrastre de sólidos de la combustión por la propia corriente de gases.

En la propia caldera ya se produce una importante deposición de los sólidos totales arrastrados, que se separan por la parte inferior del paso de convección y en los cambios de dirección, recogiéndose en tolvas, provistas de compuertas alveolares o clapetas oscilantes que aseguran la estanqueidad de la caldera y, al mismo tiempo, van extrayendo las cenizas depositadas.

La eliminación de estas partículas se lleva a cabo mediante ciclones, electrofiltros o filtros de mangas, en diferentes etapas del sistema de depuración, como se indica más adelante.

Monóxido de carbono (CO)

El monóxido de carbono se forma como resultado de una combustión incompleta de partes de los residuos, que no llega a oxidarse completamente a CO2.

El método de control consiste en mejorar la combustión, de forma que se consiga la combustión completa de todos los residuos; para esto se aporta aire en exceso al horno, pero hay que tener en cuenta que un gran exceso de aire (especialmente del aire primario) tiende a aumentar la formación de óxidos de nitrógeno, por lo que habrá que buscar una solución de compromiso entre ambas necesidades.

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Un elevado contenido en CO indica que la combustión es incompleta y es un indicador de que la concentración de otros contaminantes, especialmente de compuestos orgánicos, puede ser elevada también.

Este contaminante no se elimina en los sistemas de depuración, por lo que debe ser evitado en el proceso de combustión.

Carbono orgánico total (COT)

Corresponde a los compuestos orgánicos de carbono que no llegan a descomponerse totalmente como consecuencia de una combustión completa; es un indicio de defecto de aire, que tiene unos límites mínimos establecidos por la Directiva, o de mala distribución de aire, especialmente de aire secundario.

Mención especial reciben algunos compuestos orgánicos especialmente tóxicos, como las dioxinas y furanos, que tienen limitaciones muy específicas en la Directiva.

La eliminación de estos contaminantes se realiza por adsorción con carbón activo o por un proceso catalítico.

HCl y HF

Estos contaminantes se forman a partir de los compuestos que contienen cloro y flúor presentes en los residuos y son el resultado de la combustión de los mismos.

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Estos ácidos se hacen reaccionar con compuestos alcalinos, formando cloruros y fluoruros que se separan de las corrientes de gases en los procesos de filtración, con el resto de las partículas sólidas.

Óxidos de azufre SO2

Los óxidos de azufre se forman por oxidación del azufre y sus compuestos contenidos en los residuos o en el combustible auxiliar, cuando se trata de fuel oil.

Los RSU contienen cantidades relativamente modestas de azufre, por lo que la formación de estos óxidos no constituye ningún problema importante.

Dado su carácter ácido, su eliminación se consigue de la misma manera que el HCl y HF, mediante reacción con un absorbente básico, en el reactor semiseco o en el lavado húmedo.

Oxidos de nitrógeno (NOxJ

Son contaminantes habituales en los procesos de combustión y su formación está muy relacionada con la temperatura y con el exceso de aire: altas temperaturas y excesos de aire muy elevados contribuyen a aumentar la formación de óxidos de nitrógeno.

Para controlar la emisión de óxidos de nitrógeno existen dos caminos principales:

− medidas primarias que tienden a evitar la formación de los mismos durante la combustión mediante la adecuada regulación del aire primario y del aire secundario, evitando la formación de puntos calientes dentro del horno.

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cantidad de aire primario no es susceptible de grandes variaciones, teniendo en cuenta que junto con la aportación de oxígenos tiene otras funciones, tales como la refrigeración de la parrilla o la fluidificación del lecho.

− medidas secundarias que consisten en la destrucción de los mismos, generalmente por reducción a nitrógeno, en el proceso de depuración de humos.

Esta reducción puede tener lugar de dos formas diferentes:

− utilizando amoníaco, o una solución de urea, inyectándolos en un reactor a temperatura elevada; esta reacción es selectiva frente a los óxidos de nitrógeno,

La temperatura de la reacción es muy importante, entre 950 y 1050 ºC; como la reducción de lleva a cabo una vez que los gases se han limpiado, justo antes de su emisión a la atmósfera, es necesario calentarlos de nuevo y enfriarlos posteriormente.

− utilizando amoníaco, u otro reductor, (gas natural), en un proceso catalizado con óxidos de vanadio

La ventaja de este proceso es que la temperatura de trabajo es considerablemente menor que en el proceso no catalítico, entre 280 y 400ºC; además, el rendimiento de la reacción de reducción es mucho mayor, con lo que el consumo de reactivos será considerablemente menor.

Como en todos los procesos catalíticos en fase sólida, el gas debe estar exento de venenos para el catalizador, por lo que es necesaria una perfecta depuración previa, con separación de partículas.

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Metales pesados

En la Directiva se definen tres grupos de metales pesados, con diferentes límites de emisión en función de su toxicidad y de la facilidad para ser emitidos en forma de vapores, en función de su volatilidad:

− el mercurio, que estará en forma de vapor a la salida del hornos, ya que su temperatura de ebullición es del orden de 360 ºC; una parte del mercurio presente, procedente de baterías, pilas botón y algunos elementos eléctricos y electrónicos, condensará en los sistemas de enfriamiento, calderas, o en los sistemas de depuración; sin embargo, la presión de vapor sigue siendo suficientemente alta y la mayor parte escapará a la atmósfera.

La forma de retenerlo es mediante sistemas de adsorción, con carbón activo, junto con las dioxinas y otros compuestos orgánicos; el carbón activo residual debe ser considerado como residuo peligroso.

− cadmio y talio, que a la salida el horno están en forma de vapores, pero que condensan en gran parte en los tubos de las calderas; no obstante, su presión de vapor sigue siendo elevada por lo que la condensación total se producirá en los sistemas de depuración, donde la temperatura es considerablemente más baja, especialmente en los sistemas húmedos.

− arsénico, antimonio, plomo, cromo, cobalto, cobre, manganeso vanadio y níquel; salvo el arsénico, que se volatiliza a 600 ºC, el resto de los metales son poco volátiles pero su marcado carácter tóxico hace que deban ser controlados.

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Dioxinas y furanos

Las dioxinas y furanos son especies químicas que pueden formarse en multitud de procesos, generalmente de combustión, siempre que concurran algunos factores, como la presencia de determinados precursores, como los derivados orgánicos clorados; algunos de estos procesos son naturales, habiéndose encontrado fuentes de dioxinas muy anteriores al desarrollo industrial.

Los procesos de incineración no son las fuentes más importantes de dioxinas; antes bien, la incineración de residuos es un sumidero importante de eliminación de estos compuestos, ampliamente difundidas en la vida ordinaria, aunque en concentraciones suficientemente bajas.

Existen numerosas teorías sobre la formación de dioxinas en los procesos de incineración, que establecen las condiciones en las que estos compuestos pueden formarse a partir de los precursores citados; parece que el rango de temperaturas entre 600 y 250 ºC es el mas propicio para esta formación, que podría ser catalizada por la gran superficie específica de las cenizas separadas en las calderas.

En todo caso, frente a los mecanismos de formación deben considerarse los de destrucción de estos compuestos, fundamentalmente en el horno a alta temperatura y con exceso de oxigeno; este mecanismo de destrucción es considerablemente más importante de forma que la cantidad de dioxinas alimentadas al horno, presentes en los residuos, es considerablemente mayor que la cantidad de dioxinas presentes en los productos de reacción, (suma de las cantidades presentes en los gases y en las cenizas); estos balances muestran una destrucción de estos compuestos del orden del 80% de las dioxinas presentes en los residuos.

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Equipos empleados en la eliminación de partículas de los gases de combustión

Para llevar a cabo las distintas operaciones de separación de los contaminantes anteriores se emplean equipos completamente tradicionales y que no se han desarrollado específicamente para las plantas de incineración.

Ciclones

En una primera etapa, a la salida de la caldera puede disponerse un ciclón, que produce una primera separación de las partículas más gruesas; solo tienen aplicación justificada en caso de una depuración por vía húmeda.

Es un método relativamente poco efectivo, cuyo rendimiento de separación no llega más allá del 80 -85 % y es muy deficiente en partículas finas, pero son sistemas económicos y que introducen pérdidas e carga muy limitadas; su uso también es conveniente si el arrastre de partículas desde el horno es muy elevado.

Precipitadores electrostáticos

Los precipitadores electrostáticos consisten en un sistema de placas verticales, entre las que circulan los gases de combustión, y unos electrodos dispuestos a la entrada de las mismas.

Entre placas y electrodos se establece una diferencia de potencial del orden de decenas de kV; cuando las partículas sólidas entran en el campo eléctrico formado por placas y electrodos, se cargan eléctricamente y son atraídas y depositadas sobre las placas; éstas son golpeadas periódicamente, cayendo las partículas depositadas sobre ellas hacia una tolva inferior cerrada mediante sistemas de compuerta alveolar, que las extrae hacia el sistema de cenizas.

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normativa; presentan una pérdida de carga muy reducida, lo que reduce el consumo del ventilador de tiro.

La eficiencia de la separación puede venir condicionada por la conductividad de las partículas.

Filtros de mangas

Consisten en un sistema de mangas filtrantes, de un material textil que resista la temperatura y los agentes químicos que pueda haber en los gases y partículas depositadas; los gases son forzados a atravesar las mangas filtrantes, donde quedan retenidas las partículas sólidas.

Periódicamente se produce un soplado inverso de las mangas, cayendo las partículas depositadas hasta una tolva inferior, desde donde son extraídas al silo de cenizas.

Los filtros de mangas permiten alcanzar sin problemas los niveles de emisión de partículas requeridos por la normativa; aunque producen una pérdida de carga comparativamente mayor que los precipitadores electrostáticos, presentan la notable ventaja de permitir la formación de una capa de absorbentes no reaccionados que mejora muy sensiblemente los resultados de la depuración de los componentes ácidos y de dioxinas y furanos.

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Sistemas de depuración de gases ácidos

Inyección seca

Consiste en realizar una inyección seca de un reactivo alcalino (en forma pulverulenta) al conducto de gases, de forma que se produzca una reacción de neutralización de los componentes ácidos; el producto de reacción es seco, y se recoge en el sistema de eliminación de partículas, que en este caso debe ser un filtro de mangas.

Debido a que la mecánica de la reacción es poco efectiva respecto a sistemas con más humedad, es necesario:

- utilizar absorbentes que reaccionen muy activamente con el HCl y HF

- utilizar un gran exceso de reactivo, varias veces por encima de la proporción estequiométrica que corresponde por los moles de HCI y HF presentes en el gas; como consecuencia de ello, queda una gran cantidad de reactivo no aprovechado en las cenizas volantes

Los niveles de emisión que se pueden alcanzar con este procedimiento quedan en el límite de lo previsto por la Directiva, para los contenidos de cloro y flúor habituales en los RSU

Es un proceso muy económico de inversión (se reduce prácticamente aun silo, un sistema de transporte neumático y unas toberas de inyección), aunque bastante caro de operación, dado el coste comparativamente más elevado del bicarbonato sódico frente al hidróxido cálcico y a la gran proporción de reactivo que no se aprovecha.

Reactor semiseco

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efectividad de la reacción gas / sólido pero los productos de reacción se obtengan completamente secos.

La temperatura del reactor se sitúa habitualmente en el entorno de los 140 ºC; de esta forma el aprovechamiento del reactivo es notablemente mejor que en el caso de inyección seca.

En la práctica, ello se consigue en un reactor, al cual se inyecta una lechada de cal finamente pulverizada.

El tiempo de residencia de los gases en el reactor ( 10 a 15 segundos) es tal que se produce la evaporación completa de la fracción acuosa, así como la reacción del hidróxido cálcico con el HCl y HF de los gases; por la parte inferior del reactor se separa una importante fracción de los sólidos, arrastrándose el resto hacia el sistema de separación de partículas sólidas.

Al igual que en el caso anterior, en este sistema es conveniente que sea un filtro de mangas, para aprovechar su capacidad de post-reacción con el reactivo disponible.

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produzca un efecto vórtice, a fin de facilitar el mezclado entre gases y lechada pulverizada.

Dado que hay una gran cantidad de sólidos en circulación dentro del reactor, este sistema no presenta requerimientos especiales de contenido de partículas en los gases de entrada, pudiendo pasar directamente los gases de caldera o, preferiblemente, instalando un ciclón previo al reactor, pero sin necesidad de reducir más el contenido de partículas.

Una ventaja derivada de este tipo de reactor es que no se producen aguas residuales, ya que toda el agua se evapora con los gases.

Reactor húmedo

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Un sistema húmedo es un lavador de gases típico; aunque hay una gran diversidad de variantes, aunque todas constan básicamente de:

- un sistema de rociado con lechada de absorbente, que enfría los gases hasta la temperatura de saturación e introduce el reactivo necesario para capturar el HCI, HF y S02

- un cuerpo de reactor donde se produce la reacción

- un sumidero para recoger la lechada inyectada y los productos de reacción -un sistema de separación de las gotas de agua arrastradas por los gases

Además, los gases a la salida del reactor están saturados de humedad, por lo que es preciso recalentarlos para evitar la formación de condensaciones y penachos visibles en chimenea. Este recalentamiento puede hacerse con una fuente externa de calor o bien aprovechando el calor de los gases entrantes al lavador.

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Configuración para cumplir la normativa de emisiones

Sin embargo, para cumplir con márgenes razonables los límites impuestos por la Directiva y por el RD 653/2003 suele ser suficiente una instalación más simplificada, como se indica en la figura:

El sistema consiste en un reactor de absorción 2 ("spray dryer"), una inyección de carbón activo C y un filtro de mangas 3.

En el reactor se absorción se reduce el nivel de HCI, HF y S02 de los gases hasta los valores requeridos; para ello se inyecta el absorbente B (generalmente lechada de cal), pulverizándolo hasta que se seque completamente; por la parte inferior del reactor se obtienen cenizas volantes completamente secas, y los gases se extraen por la parte superior de la tolva.

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No obstante, la inyección de carbón activo C tiene por objetivo capturar las dioxinas residuales; esta inyección se realiza en el conducto ante filtro de mangas o, en ocasiones, en el propio reactor de absorción.

Los gases llegan luego al filtro de mangas 3, donde se separan las partículas sólidas, que se recogen como ceniza volante A; en la superficie de los elementos filtrantes se forman unas tortas de ceniza, cal y carbón activo que mejoran la efectividad de la reacción y aumentan el rendimiento de depuración del reactor de absorción.

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