Formulación de combustibles y materiales alternativos a partir de residuos industriales.

Resumen

La correcta gestión de los residuos industriales generados en la Unión Europea sigue siendo uno de los más importantes problemas medioambientales sin resolver por los gobiernos europeos y, en particular, por países como España, con un alto déficit de infraestructuras de valorización, recuperación y reciclado de residuos. La Directiva 2008/98 de 19 de noviembre, abre una nueva vía para la gestión de los residuos, abordando las figuras de subproducto, no residuo y producto, a partir de determinadas condiciones que deben cumplir los residuos y los procesos de transformación de los mismos. Aunque la mayor generación de residuos corresponde a los denominados residuos sólidos urbanos, la generación de residuos peligrosos y no peligrosos no deja de crecer, haciéndose necesaria una correcta gestión de los mismos, con el fin de evitar daños al medio ambiente. El vertedero, sigue siendo, en muchos casos, la opción más utilizada, no sólo por su empleo histórico, sino también por ser la opción más barata, lo que dificulta el tratamiento de los residuos por otras técnicas más respetuosas con el entorno pero, generalmente, más caras. El objetivo principal del trabajo de investigación que se recoge en la presente memoria ha sido estudiar la viabilidad de formular combustibles alternativos a partir de residuos industriales peligrosos y no peligrosos de diferente naturaleza, y evaluar el aprovechamiento material de determinados residuos de naturaleza, fundamentalmente, inorgánica, para su utilización en sectores como el cerámico o el cementero. Adicionalmente, con el fin de disponer de cantidades suficientes de productos para poder comprobar la eficacia de los materiales formulados en las aplicaciones objetivo (combustión y aprovechamiento material) se diseñó y construyó, con el apoyo y la financiación de la empresa Alquimia Soluciones Ambientales, una planta piloto, con una capacidad de producción de una tonelada/día. La planta fue instalada en el Instituto de Tecnología Química y Medioambiental de la Universidad de Castilla-La Mancha, desarrollándose en ella experimentos con residuos industriales procedentes de diferentes empresas y sectores de actividad. Esta Planta Piloto se ha concebido como un paso previo al montaje y puesta en marcha de una Planta Industrial en el Centro de Investigación y Desarrollo para la Recuperación Ambiental (CIDRA) que la empresa dispone en Daimiel (Ciudad Real), con una capacidad para la gestión de 24 t/h de residuos. El programa de investigación planteado se centró en los siguientes puntos: ¿ Análisis del mercado de residuos peligrosos y no peligrosos en Castilla-La Mancha y en España. Diagnóstico de la situación de valorización energética y material de los residuos. ¿ Diseño, montaje y puesta a punto de las instalaciones experimentales y los procedimientos de trabajo para el desarrollo de los diferentes grupos de experimentos: o Experimentos escala laboratorio o Experimentos escala planta piloto o Experimentos de combustión de combustibles alternativos o Experimentos de valorización material de residuos en la industria cerámica ¿ Caracterización previa de los residuos y aditivos para la formulación, así como ensayos de compatibilidad entre residuos y aditivos (sepiolita y atapulgita) ¿ Formulación de combustibles alternativos a partir de residuos seleccionados, a escala de laboratorio y de planta piloto, con dos objetivos básicos: o Utilización de residuos peligrosos con un poder calorífico mínimo y que cumplieran con los criterios marcados por la autorización ambiental integrada de Alquimia Soluciones Ambientales, en su centro de Daimiel. o Utilización de residuos no peligrosos, tales como el orujillo, la carbocal procedente de azucareras o los lodos procedentes de papeleras, como aditivos en sustitución de arcillas comerciales. ¿ Uso de residuos industriales en la industria cerámica Para llevar a cabo la investigación, era preciso contar, en primer lugar con residuos adecuados para la formulación de los materiales alternativos deseados. Con este fin se enviaron cartas a un total de 104 empresas de las Comunidades de Madrid y Castilla-La Mancha, recibiéndose un total de 78 muestras de residuos de naturaleza muy variada. Ante la imposibilidad de llevar a cabo el trabajo de investigación con todos los residuos recibidos, se procedió, en primer lugar a realizar una primera clasificación de los mismos en función de su poder calorífico, tomándose como criterio general que aquellos residuos con Poder Calorífico Inferior (PCI) superior a 1.500 kcal/kg serían considerados como candidatos a la formulación de combustibles y, el resto, como susceptibles de aprovechamiento material. La formulación de los materiales alternativos objeto de la investigación requiere la mezcla de los residuos peligrosos con aditivos adecuados con el fin de hacer desaparecer las causas que generan la peligrosidad de los residuos de partida. Los aditivos utilizados, inicialmente, fueron dos arcillas comerciales: sepiolita y atapulgita, a las que se les realizó una caracterización completa. A continuación, se realizó una serie de experimentos de compatibilidad entre residuos y aditivos desde el punto de vista textural, analizándose la viabilidad de la mezcla y las características del producto obtenido. En todos los casos, se empleó para la mezcla una proporción residuo/arcilla de 50/50 en peso. Del total de 78 residuos, se seleccionaron para este estudio de compatibilidad, por su mayor volumen de generación, un conjunto de 20 residuos. Tras los ensayos de compatibilidad, algunos residuos tales como el poliol, los adhesivos y los lodos de tinta, fueron descartados por problemas de mezclado. Tras esta primera etapa de experimentos previos, el número de residuos considerados fue de 16, para los que se determinó su posible aplicación: formulación de combustibles alternativos, aprovechamiento material en la industria cerámica o ambas opciones. Finalizada esta etapa previa de clasificación, el resto de la investigación se desarrolló por separado para las dos líneas de trabajo planteadas. En el caso de la formulación de combustibles, la investigación se ha centrado en dos residuos: ¿ Las Resinas, por su alto poder calorífico (superior a 7.000 kca/kg) y su naturaleza líquida, y ¿ Las Pinturas Epoxi, de poder calorífico entorno a 3.500 kcal/kg, y naturaleza sólida (sólido pulverulento y granulometría inferior a 2 mm de tamaño de partícula). Estos residuos fueron caracterizados de forma completa. Los resultados obtenidos de la mezcla de los dos residuos seleccionados con los aditivos comerciales indicados han puesto de manifiesto que las arcillas, aunque adecuadas desde el punto de vista de la adsorción de los compuestos orgánicos presentes en los residuos y, por tanto, adecuadas para reducir o eliminar su peligrosidad (aspecto comprobado mediante Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier), reducen el poder calorífico del producto final y limitan su uso debido a su alto contenido en cenizas generadas durante la combustión, sobre todo en las mezclas con mayor aporte de aditivo. Además, estas arcillas tienen un coste elevado que encarece los productos obtenidos y, por tanto, el proceso de valorización. En base a estos resultados, se consideró adecuado analizar la posibilidad de utilizar como aditivos, residuos no peligrosos (tales como la carbocal procedente de la elaboración de Azúcar, el orujo de alcoholera y los lodos de papelera), con capacidad para adsorber los componentes peligrosos, de manera similar a las arcillas comerciales, pero con menor contenido en cenizas y, en algunos casos, con poder calorífico. Además, este tipo de residuos son, en muchos casos, enviados a vertedero, por lo que su empleo como aditivos puede representar una forma de valorización. Los ensayos y análisis realizados han puesto de manifiesto que es posible utilizar residuos no peligrosos como aditivos en la formulación de combustibles: los componentes orgánicos presentes en los residuos peligrosos son fijados por éstos mediante mecanismos similares a los observados en las arcillas comerciales. Los productos obtenidos tras la mezcla son no peligrosos y, en el caso particular del orujo, su contenido en cenizas y su poder calorífico cumplirían con los criterios marcados por la Administración Autonómica de Medio ambiente para la Unidad de Formulación de Combustibles que Alquimia instalará en CIDRA. Con los resultados obtenidos en los experimentos de laboratorio con los distintos tipos de aditivos, se ha procedido al diseño de una aplicación informática en Visual Basic para la optimización de las mezclas y el diseño del proceso de formulación de cara a la obtención de un combustible modelo. Para finalizar con la parte de la investigación correspondiente a la formulación de combustibles, se procedió al diseño y montaje de una instalación de planta piloto. Esta instalación permitió obtener cantidad suficiente de producto para proceder a la realización de ensayos de combustión en los que se ha llevado a cabo la determinación de las emisiones contaminantes. Estos ensayos permiten afirmar que los productos combustibles obtenidos pueden ser utilizados en sustitución de los combustibles convencionales sin que se produzca un aumento apreciable de las emisiones contaminantes ni modificaciones importantes en el proceso de combustión habitualmente desarrollado. Por lo que se refiere al uso de los residuos y productos obtenidos como material aprovechable por el sector cerámico, se han establecido dos posibles vías de valorización: ¿ Uso directo de los residuos, y ¿ Uso de productos formulados en el laboratorio a partir de los residuos en estudio. Los residuos utilizados de manera directa han sido escorias de fundición, cenizas y residuos de naturaleza inorgánica. En cuanto a los productos formulados, proceden de los obtenidos en las pruebas realizadas en el laboratorio, mediante la mezcla de aditivos y residuos industriales peligrosos de naturaleza tanto orgánica como inorgánica. Para este estudio, se contó con la colaboración del Instituto Tecnológico de la Cerámica (ITC) de la Universidad Jaume I de Castellón. De los resultados obtenidos, tanto en el uso directo de residuos como con productos formulados, se puede concluir que existen importantes posibilidades de aplicación. Así, por ejemplo, las cenizas con contendido en cromo o los óxidos de mermas pueden ser aptos como materia prima para la producción de pigmentos, tales como el pigmento verde Victoria, completando su composición con calcio y sílice; las cenizas procedentes de calderas de combustión, con alto contenido en CaO y elementos alcalinotérreos, podrían sustituir a las dolomitas en composiciones de revestimiento; o los productos formulados con contenidos en materia orgánica de hasta el 10% podrían ser de aplicación para mejorar la porosidad de los ladrillos, o como aporte de materia prima para baldosas de cocción roja.