ES2330707B1 - Sistema de descontaminacion termica de suelos. - Google Patents

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Abstract

Sistema de descontaminación térmica de suelos.
El sistema de descontaminación de suelos con compuestos orgánicos diferentes, comprende un primer horno rotativo (4) por el que se hacen pasar los suelos o tierras, antes de alcanzar un segundo horno rotativo (5) en el que tiene lugar la descontaminación total de dichas tierras o suelos, que una vez descontaminadas alcanzan un dispositivo de pulverizadores múltiples (11) donde son enfriadas y humedecidas a través del vapor de agua originado y recogido en el proceso. En el primer horno rotativo (4) es aplicado gas procedente de una cámara de combustión (6). Los gases del primer horno rotativo (4) y del segundo horno rotativo (5) se hacen pasar a través de ciclones respectivos (15-21) y de filtros de mangas (17 y 24), para su purificación antes de salir por una chimenea (20) al exterior.

Description

Sistema de descontaminación térmica de suelos.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de descontaminación térmica de suelos o tierras con contaminantes orgánicos, ya sean halogenados, tanto volátiles como semivolátiles, ya sean no halogenados, tanto volátiles como semivolátiles, ya sean hidrocarburos procedentes de fuel, pesticidas, cianuros, compuestos nitrogenados, hidrocarburos aromáticos y policromáticos.
El sistema se basa en hacer pasar los suelos o tierras por unos hornos rotativos en los que tiene lugar la descontaminación, en combinación con un horno de oxidación térmica o cámara de combustión en la que los gases originados pasan a un primer horno rotativo, todo ello para alcanzar la volatilización de los contaminantes que afectan a los suelos o tierras, pero sin llegar a destruir la estructura natural de éstos, para que puedan ser empleados como soporte de relleno, cimentación, incluso, si su origen era agrícola, para ser empleados en cultivos previa adición de abono correspondiente.
El objeto de la invención es conseguir una reducción del consumo de combustible utilizado en el proceso.
Antecedentes de la invención
En los procesos de desorción térmica de suelos, es decir descontaminación de compuestos orgánicos, el diagrama de flujo es variable en función de la propia contaminación y de las características que presentan los suelos o terrenos.
Las diferentes variantes de los diagramas de flujo que existen en el mundo hasta la actualidad consisten en la ubicación de un filtro de mangas antes o después de un módulo de oxidación térmica (combustión de los gases procedentes de la volatilización de los contaminantes presentes en el suelo).
Con objeto de lograr la mayor eficacia en un rango muy amplio de tipos de suelos con compuestos contaminantes, se suele optar por la construcción de una planta con el ciclo mas completo, de manera que para que sea efectivo el proceso, la planta debe contar con un medio que permita llevar a cabo la limpieza de los contaminantes físicos, tales como plásticos, maderas, partes metálicas, etc, de manera que dependiendo del tipo de suelos y de la presencia de contaminantes físicos, el cribado y/o triturado pueden ser pasos de pretratamiento adicionales.
Concretamente, en los procesos convencionales, las tierras o suelos contaminados son vertidos en una tolva que alimenta la planta, pudiéndose mezclar en el inicio el material contaminado con material limpio, así como en aquellos casos de concentraciones muy altas de tierra contaminada.
Desde la comentada tolva, los materiales se trasladan hasta un horno rotativo mediante cintas transportadoras, efectuándose la alimentación a través de un tornillo sin fin o una cinta transportadora, pudiéndose regular la velocidad de dichos elementos en función del flujo de alimentación deseado.
En el sistema de alimentación al horno rotativo se incluye un mecanismo de pesaje que hace posible el control de las cantidades de entrada que son registradas y monitorizadas.
El proceso de descontaminación térmica en contracorriente, que tiene lugar en el horno rotativo convencional, consta de dos etapas fundamentales:
-
Etapa primaria: Desde su entrada en el horno los suelos contaminados son calentados por contacto con los gases que se desplazan en sentido opuesto a aquellos, de manera que durante este proceso se produce la evaporación y descomposición tanto del agua contenida en el material como las sustancias mas volátiles.
-
Etapa secundaria: En la parte final del horno el calentamiento tiene lugar por contacto directo con las llamas, disponiendo dicho horno a lo largo de su longitud de una serie de bandejas de aleación refractaria, todo ello de manera que por medio de los movimientos rotativos del horno y ayudado por dichos elementos, el material contaminado es volteado para conseguir un contacto homogéneo con el flujo de gases, lo que permite un calentamiento hasta temperaturas de 300-550ºC, a las que los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), los cianuros y los hidrocarburos pesados, compuestos de mayor punto de volatilización, pasan a la fase gaseosa.
En esta parte del horno se sitúa el correspondiente quemador, correspondiendo además a la zona por la que el material tratado sale del propio horno. Por ello el calentamiento hasta la temperatura deseada (máximo de 550ºC) se consigue sin ningún problema.
La temperatura de los suelos o terrenos puede ser controlada de dos formas, regulando el calentador del horno, o bien la capacidad del procesamiento.
A la salida del comentado horno rotativo se mide la temperatura del suelo, se registra y se monitoriza, siendo la tierra caliente ya descontaminada expulsada al exterior, generalmente a través de una válvula giratoria para impedir que el aire/oxigeno entren en el horno, siendo a continuación enfriada dicha tierra o suelo tratado y humedecido con agua, merced a un sistema de pulverizadores múltiples para impedir las emisiones de polvo y dispersión de la tierra durante el almacenaje. La tierra humedecida y enfriada es descargada a una temperatura de aproximadamente 80ºC.
En cuanto a los gases producidos en el horno rotativo, son de tres tipos:
-
Gases resultantes de la combustión en el quemador.
-
Vapor de agua procedente de la humedad de la tierra alimentada al horno.
-
Componentes líquidos y/o sólidos del suelo contaminado que al estar sometidos a altas temperaturas pasan a estado gaseoso.
Los gases de combustión, junto con los que proceden de la volatilización, se hacen pasar a través de un ciclón con objeto de eliminar las partículas arrastradas por el flujo de aquellos, continuando los gases su recorrido hasta un horno fijo de oxidación térmica, en el que tiene lugar la descomposición de los componentes oxidables que no lo han sido con anterioridad.
En el proceso de oxidación térmica el parámetro fundamental es la creación de alta turbulencia para que exista una buena mezcla del oxigeno con los gases provenientes del horno rotativo y se alcance la descomposición de éstos últimos en dióxido de carbono (CO_{2}) y vapor de agua (H_{2}O) que es lo que se emitirá a la atmósfera por medio de una chimenea, previo control exhaustivo.
Inmediatamente se produce un brusco descenso de temperaturas en un intercambiador de aire/gas, siendo el principal objetivo el de proteger el filtro de mangas que se sitúa siguiendo la dirección del flujo de gas.
Las partículas captadas en el filtro de mangas proceden del arrastre por parte del flujo gaseoso y tienen su origen en el horno rotativo, de manera que las que son captadas en el ciclón del proceso pueden estar contaminadas con elementos orgánicos, por lo que son introducidas nuevamente en el horno rotativo a través de un tornillo sin fin, de modo que la brusca elevación de la temperatura a la que se someten en este punto, es suficiente para evaporar todos los compuestos contaminantes presentes, mientras que la pequeña cantidad de partículas que hayan podido superar el ciclón son introducidas en el oxidador térmico garantizándose así su descontaminación, siendo finalmente captadas en el filtro de mangas.
Por otro lado, cabe decir que la temperatura de los suelos en el horno rotativo se eleva inicialmente hasta aproximadamente 110ºC, manteniéndose la tierra a esta temperatura hasta que la humedad (agua no unida ni química ni físicamente) se evapora, de manera que cuanto mayor es el contenido de humedad inicial mas tiempo dura el secado de material, es decir se retrasa la llegada de los suelos a esa temperatura.
En la etapa secundaria del horno rotativo, calentado directamente, se produce un incremento de la temperatura de los suelos, debido a la llama del quemador, pudiendo alcanzar una temperatura de hasta 400-550ºC, dependiendo del tipo de planta o instalación. El flujo del suelo, en contracorriente con el flujo de gas producido por el quemador, hace que se trabaje en depresión dentro del horno rotativo, por lo que se impide que se produzcan emisiones de polvo.
La temperatura de salida de los gases del horno rotativo es de aproximadamente 150-250ºC, dependiendo del grado de humedad que contenga el suelo a tratar, de la capacidad de tratamiento en cada momento y del tipo de contaminación presente en las tierras.
Durante la oxidación térmica se alcanzan 850-1200ºC, mientras que en el intercambiador situado a continuación la temperatura desciende rápidamente hasta 150-200ºC para entrar en el filtro de mangas y salir a una temperatura 20º menor, de manera que en este punto los gases son finalmente dirigidos a una chimenea o a un lavador de gases, en caso de que sea necesaria su instalación, descendiendo la temperatura de emisión hasta los 80ºC.
Por consiguiente, el proceso físico-químico en el que tiene lugar el perfil de la temperatura de los suelos durante su descontaminación, se puede dividir en dos fases:
Fase 1: Secado (hasta aproximadamente 250ºC).
Fase 2: Evaporación/pirólisis/oxidación parcial (250-550ºC)
En la fase de secado tiene lugar la eliminación de agua de la tierra y lodos introducidos en el horno, pudiendo aparecer el agua de tres formas en los suelos, como agua libre, como agua retenida mediante enlaces físicos y como agua retenida mediante enlaces químicos, evaporándose toda el agua libre a 100ºC durante el proceso de calentamiento, pasando a la fase gaseosa, de modo que el porcentaje de evaporación depende de la estructura del suelo y de la cantidad de calor que se le aporte.
Para evaporar el agua retenida físicamente se necesitan temperaturas mas elevadas, entre 104-110ºC de modo que se pueda superar la energía del enlace físico.
En cuanto al agua retenida químicamente puede encontrarse, por ejemplo, en minerales arcillosos, de modo que para conseguir su evaporación no solo habrá que superar la energía del enlace físico, sino que es necesario rebasar la energía del enlace químico, teniendo lugar la evaporación de esta agua a mas altas temperaturas (200-250ºC) a las que se consigue además que hidrocarburos ligeros, tales como las gasolinas o los gasóleos, pasen a estado gaseoso.
El secado de las tierras o suelos tiene lugar en la parte inicial del horno, de manera que debido a las mermas de material causadas por la evaporación del agua, este puede adherirse formando puntos fríos, especialmente en la primera parte del horno rotativo, causando un importante descenso de la transferencia de calor, pudiéndose evitar esto mezclando elementos finos con material grueso, por ejemplo arcilla con arena.
En la fase de evaporación/pirólisis, a medida que los suelos se calientan, después de la evaporación del agua retenida químicamente, tiene lugar el proceso de evaporación de hidrocarburos pesados y la pirólisis del material orgánico, de manera que todos los contaminantes de un suelo en general, excepto los metales pesados, pueden ser evaporados a una temperatura de 500ºC.
Como se ha indicado anteriormente, las temperaturas reales en el horno rotativo dependerán de la concentración y los tipos de contaminantes, de manera que el suelo a regenerar se calienta en el horno rotativo hasta una temperatura que excede el punto de ebullición mas alto de los contaminantes individuales.
Aunque el proceso descrito para la descontaminación térmica de suelos resulta eficaz e incluso carente de complejidades, sin embargo el consumo de combustible es elevado teniendo en cuenta que el número de litros de gasóleo consumidos en los hornos, por tonelada de suelo tratado, oscila entre los 30 y 50 litros, lo cual es considerado como un importante consumo que hasta la fecha no ha sido reducido, ni tomado en consideración.
Descripción de la invención
El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver la problemática anteriormente expuesta, es decir para reducir el consumo de combustible a utilizar.
Para ello, partiendo del proceso de descontaminación referido en el apartado anterior, se ha previsto como novedad fundamental la incorporación de un tercer horno rotativo que se sitúa al inicio de la instalación, y que en combinación con el horno rotativo convencional, con una cámara de combustión y con los clásicos filtros de mangas y ciclones de tratamiento de gases, se consigue aumentar el rendimiento de la instalación y lo que es mas importante, disminuir el gasto de combustible utilizado.
Ese nuevo horno rotativo que se incorpora en el proceso de la invención, permite el aprovechamiento de la recirculación de los gases generados durante la oxidación térmica, para lograr la evaporación de la humedad presente en el suelo a tratar, lográndose la recuperación energética de un caudal de gases a alta temperatura que, hasta el momento, eran descargados directamente a la atmósfera, todo lo cual permite la reducción del consumo de combustible como se decía con anterioridad, pudiéndose estimar que de los 30 a 50 litros utilizados convencionalmente en los procesos convencionales, dicho consumo se ve reducido hasta los 10-20 litros por tonelada de suelo tratado mediante el proceso de la invención.
Además, el vapor de agua originado, en lugar de pasar directamente a la atmósfera, es condensado y recogido en un tanque para posteriormente ser utilizado en el enfriamiento del suelo una vez descontaminado, con el consiguiente ahorro energético.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura única muestra el esquema correspondiente a la instalación o planta que define el sistema o proceso de descontaminación térmica de suelos o terrenos realizado de acuerdo con el objeto de la invención.
Realización preferente de la invención
En base a la figura referida se va a describir el sistema de descontaminación en combinación con el proceso que se lleva a cabo para conseguir la descontaminación de suelos.
Concretamente, los suelos o tierras contaminadas son vertidas en una tolva (1) desde la cual y a través de unos medios transportadores (2) son arrastradas hasta un elevador de cangilones (3) desde el cual se alimentan esos suelos o tierras contaminadas hacia un primer horno rotativo (4), pudiendo ser regulada la velocidad de dichos elementos en función del flujo de alimentación deseado, previéndose, como es convencional, que en el inicio de alimentación al horno rotativo (4) se disponga un mecanismo de pelaje que permite controlar las cantidades de entrada que son registradas y monitorizadas.
El sistema incluye un segundo horno rotativo (5), teniendo lugar en ambos hornos rotativos (4 y 5) sendas etapas o fases del proceso correspondientes a una etapa primaria y una etapa secundaria, respectivamente.
Concretamente, la etapa primaria se produce en el primer horno rotativo (4), en donde los suelos o tierras contaminadas son calentadas por contacto con los gases calientes que proceden de una cámara de combustión (6) u horno fijo, denominada también cámara de oxidación térmica, desde la cual y según la línea de trazo (7), los gases calientes alcanzan la entrada del horno rotativo (4) para que se origine la evaporación y descomposición tanto del agua contenida en el material como las sustancias mas volátiles, de manera que los suelos o tierras libres de humedad salen del horno rotativo (4), a través de una válvula (8), y caen en un tornillo sin fin (9) en el cual son arrastrados hasta un elevador de cangilones (10) encargado de introducir esos suelos en el segundo horno rotativo (5), en el que tiene lugar la etapa secundaria, concretamente la volatilización de los contaminantes, disponiendo este horno rotativo (5) a lo largo de su longitud de una serie de bandejas de aleación refractaria, de manera que por medio de los movimientos rotativos del horno y ayudado por dichos elementos, el material contaminado es volteado para conseguir un contacto homogéneo con el flujo de gases, lo que permite un calentamiento hasta temperaturas de 300-550ºC, a los que los hidrocarburos aromáticos, policíclicos, cianuros e hidrocarburos pesados, compuestos de mayor punto de volatilización, pasan a la fase gaseosa, como es convencional.
Como igualmente es convencional, las temperaturas de los suelos que se están tratando pueden ser controladas de dos formas, una mediante regulación del quemador del horno rotativo (5) y otra por la capacidad de procesamiento, de manera que a la salida de dicho horno rotativo (5) se mide la temperatura del suelo, efectuándose su registro y su monitorización.
La tierra o suelos calientes y descontaminados, se extraen a través de una válvula (10) para impedir que el aire/oxigeno entren en el horno, siendo a continuación enfriada y humedecida con agua mediante un sistema de pulverizadores múltiples (11), para impedir las emisiones de polvo y dispersión de la tierra durante el almacenaje.
La tierra humedecida y enfriada en el elemento (11) es descargada a una temperatura de aproximadamente 80ºC sobre un transportador (12), a través del cual tiene lugar el transporte hasta su lugar de almacenamiento (13).
Bajo dicho horno rotativo (5) se ha previsto un tornillo sin fin (14) cuya finalidad es recoger posibles reboses que pudieran producirse en la alimentación del comentado horno rotativo (5) desde el elevador de cangilones (10), de manera que ese tornillo sin fin (14) recoge ese posible rebose y lo traslada de nuevo al comentado elevador de cangilones (10) a través del cual se alimenta el propio horno rotativo (5).
Los gases originados en los hornos rotativos (4 y 5) son tratados convenientemente.
Concretamente, los gases que salen del primer horno rotativo (4) están formados fundamentalmente por gases procedentes de la cámara de combustión (6), vapor de agua procedente de la humedad de la tierra alimentada al horno y componentes líquidos y/o sólidos del suelo contaminado, que al estar sometidos a temperaturas de unos 100ºC, pasan al estado gaseoso.
Esta corriente, que se denomina "agua-vapor" es sometida a una depuración en un ciclón (15) con objeto de eliminar las partículas arrastradas por el flujo, a continuación del cual a dicho flujo se adiciona cal, en el dosificador (16), con objeto de neutralizar aquellos compuestos ácidos que pudieran haber sido volatilizados.
El flujo pasa a continuación a unos filtros de mangas (17) para ser finalmente condensados en un enfriador de gases (18), siendo los posibles hidrocarburos arrastrados en el condensado retirados mediante un separador de hidrocarburos.
El agua producida en la evaporación, es recogida en un tanque (19) y utilizada para el enfriamiento de pulverizadores múltiples (11) ya comentado.
La evaporación gaseosa que sea incondensable, se evacuará a la atmósfera a través de la correspondiente chimenea (20).
La segunda corriente gaseosa, denominada "gas desorbido", está constituida por los contaminantes volatilizados en el horno rotativo (5) y está formada por gases resultantes de la combustión en el quemador y por contaminantes líquidos y/o sólidos presentes en el suelo, que al estar sometidos a altas temperaturas pasan a estado gaseoso.
Dichos gases se hacen pasar a través de un nuevo ciclón (21) y desde este, a través de un pulverizador (22), a otro (23) previsto entre los filtros de mangas (17) y enfriador de gases (18), siendo enviados a la cámara de combustión (6) y sometidos a oxidación térmica, creándose una alta turbulencia en esa cámara de combustión (6) para que se produzca una buena mezcla del oxigeno con los gases provenientes del propio horno rotativo (5) y se alcance la descomposición de éstos últimos en dióxido de carbono y vapor de agua.
Los gases que salen de la comentada cámara de combustión (6) y como ya se ha dicho con anterioridad, son enviados hacia el primer horno rotativo (4) en el que se emplean, como ya se ha explicado, para la evaporación del agua contenida en los suelos a tratar.
La tercera corriente de gases está formada por vapor de agua a baja temperatura, el cual se genera durante el enfriamiento del suelo descontaminado en el dispositivo (11), con la particularidad de que su depuración se efectúa mediante otro filtro de mangas (24), siendo emitido a la atmósfera, como en el caso anterior, a través de la chimenea (2).
Por su parte, las partículas en suspensión pueden ser de varios tipos, unas correspondientes a las partículas contenidas en la corriente denominada "agua-vapor" y que son captadas mediante el ciclón (15) e incorporadas al flujo de suelos contaminados en el tornillo sin fin (9) para ser introducidas en el horno rotativo (5) donde son descontaminadas, y otras partículas que son arrastradas por la corriente de gases que sale del horno rotativo (5) y son captadas en el ciclón (21) e incorporadas, mediante el tornillo sin fin (14), al elevador de cangilones (19) que alimenta dicho horno rotativo (5), donde son igualmente descontaminadas.
En relación con las temperaturas de los suelos a descontaminar, cabe decir que en el primer horno rotativo (4) se eleva hasta aproximadamente 110ºC, manteniéndose los suelos o tierras a esa temperatura hasta que la humedad se evapora, de manera que cuanto mayor es el contenido de humedad, mas tiempo dura el secado del material, es decir se retrasa la llegada de los suelos a esa temperatura.
En el segundo horno rotativo (5), los suelos o tierras incrementan su temperatura debido a los gases generados en la combustión y a la acción directa de la llama del quemador (5') correspondiente a este horno rotativo (5), de manera que en este caso la tierra puede alcanzar temperaturas de 550ºC, y en donde el flujo de suelo o tierras, en contracorriente con el flujo de gas producido por el quemador, hace que se trabaje en depresión dentro del horno rotativo (5), impidiendo que se produzcan emisiones de polvo.
En cuanto a las temperaturas de los gases, cabe decir que la temperatura de salida de los gases del primer horno rotativo (4) es de aproximadamente 150-200ºC, dependiendo del grado de humedad que contengan los suelos o tierras a tratar y de la capacidad de tratamiento en cada momento, mientras que la temperatura de salida de los gases del segundo horno rotativo (5) es de aproximadamente 400-600ºC, dependiendo del grado de contaminación que contengan los suelos o tierras a tratar y de la capacidad de tratamiento en cada momento.
Durante la oxidación térmica se alcanzan temperaturas de 850-1.200ºC, por lo que la temperatura de entrada de los gases en el primer horno rotativo (4) será ligeramente inferior.
Finalmente, los gases que se dirigen a la chimenea de salida (20) se encuentran a una temperatura aproximadamente de unos 80ºC.
En definitiva, mediante el sistema de la invención se logra la recuperación energética de un caudal de gases a alta temperatura que, hasta el momento, eran descargados directamente a la atmósfera, permitiendo con ello la reducción de consumo de combustible, a la vez que el vapor de agua originado en el proceso se condensa y se utiliza en el enfriamiento de los suelos o tierras una vez descontaminadas.

Claims (1)

1. Sistema de descontaminación térmica de suelos, que estando previsto para la eliminación o descontaminación de suelos o tierras afectados de compuestos orgánicos, basándose en hacer pasar las tierras o suelos a descontaminar a través de un horno rotativo (5) en el que tiene lugar el calentamiento de las tierras o suelos a descontaminar, produciéndose la evaporación del agua y la generación de gases, en combinación con un ciclón y un filtro de mangas, se caracteriza porque incorpora un primer horno rotativo (4) que es alimentado con los suelos o tierras a descontaminar, de manera que a la salida de ese horno rotativo (4) se ha previsto un sin fin (9) para recogida de las tierras o suelos calientes, que son introducidas de nuevo en el segundo horno rotativo (5) en el que tiene lugar a contracorriente el calentamiento de esas tierras o suelos; habiéndose previsto que el calentamiento en el primer horno rotativo (4) se produzca mediante gases procedentes de una cámara de combustión u oxidación térmica (6) a la que acceden igualmente los gases originados en el segundo horno rotativo (5) que pasan por un ciclón (21); con la particularidad de que los gases procedentes del primer horno rotativo (4) se hacen pasar a través de un ciclón (15) y de éste a través de unos filtros de mangas (17) para a continuación hacerlos pasar a través de un enfriador de gases (18) desde el cual los gases pasan a la atmósfera a través de una chimenea (20), siendo recogida el agua producida en la evaporación en un tanque (19) para su utilización en el enfriamiento de las tierras contaminadas procedentes del segundo horno rotativo (5) para aplicación de dicha agua en un dispositivo de pulverizadores múltiples (11) situado a la salida del segundo horno rotativo (5).
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