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Profesor Wang Kaijun, Escuela de Medio Ambiente de la Universidad de Tsinghua: Actualización y aplicación de la tecnología de incineración limpia de lodos
Texto | Liu Qiulin, Chang Fengmin
Unidad del autor: Escuela de Medio Ambiente de la Universidad de Tsinghua
1. ¿Es la incineración de lodos un demonio o un ángel?
En los últimos años, como una de las tecnologías principales, la incineración de lodos ha sido la responsable del tratamiento de lodos en todo el mundo. En países desarrollados como Japón, Estados Unidos y algunos países de la Unión Europea, la incineración se utiliza como una de las tecnologías principales para la eliminación de lodos, y se aplica ampliamente. Sin embargo, en China, la incineración de lodos siempre ha sido cuestionada y malinterpretada por los ciudadanos. ¿Por qué una tecnología que está científicamente clara y madura a nivel internacional enfrenta una situación tan embarazosa en nuestro país? ¿Por qué el tratamiento de incineración de lodos está siendo "demonizado"?
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El proceso de secado e incineración de lodos está gravemente malinterpretado por los chinos
En general, los malentendidos del pueblo chino sobre el secado e incineración de lodos se reflejan principalmente en los siguientes tres aspectos. Primero, se cree que el secado e incineración de lodos es un proceso de alto consumo de energía. Internacionalmente, la incineración de lodos puede lograr la autosuficiencia energética, y desde el punto de vista del consumo de energía por tonelada de lodo, el proceso de incineración de lodos (～100kW/t) es comparable al proceso de compostaje (>100kW/t). Además, el compostaje requiere considerar el consumo de energía para almacenamiento y transporte posteriormente, mientras que la incineración puede lograr un tratamiento y eliminación completa; Segundo, se cree que la incineración de lodos es un proceso de altas emisiones de carbono. Algunos dicen que la incineración de lodos producirá una gran cantidad de gases de efecto invernadero, esta afirmación también es incorrecta, porque el carbono en los lodos es una fuente de carbono neutro, como quemar paja, no aumentará los gases de efecto invernadero en la atmósfera; Tercero, se cree que las características de la incineración de lodos son las mismas que las de la basura, ambas son fuentes de emisión de dioxinas. En realidad, las dioxinas emitidas por los lodos son mucho menores que las emitidas por la basura; este contenido ya se explicó en detalle anteriormente, y no se analizará en detalle aquí.
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La incineración después del secado de lodos es la ruta técnica establecida en nuestro país
En términos de políticas, nuestro gobierno siempre ha apoyado el tratamiento de lodos mediante secado e incineración. Desde 2009, los ministerios nacionales como el Ministerio de Protección Ambiental, el Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural, y el Ministerio de Ciencia y Tecnología han promulgado múltiples políticas, regulaciones y estándares relacionados con el tratamiento y disposición de lodos, como la "Política Técnica para el Tratamiento y Disposición de Lodos y Prevención de la Contaminación", la "Guía de Mejores Técnicas Disponibles para la Prevención de la Contaminación en el Tratamiento y Disposición de Lodos", y la "Especificación Técnica para el Tratamiento y Disposición de Lodos de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas", que definen claramente la posición y las condiciones de aplicación de la tecnología de secado e incineración de lodos en nuestro país. Entre ellas, la "Política Técnica para el Tratamiento y Disposición de Lodos y Prevención de la Contaminación" (2009) establece explícitamente que las ciudades grandes y medianas con economías más desarrolladas pueden adoptar el proceso de incineración de lodos, y se fomenta la construcción conjunta de plantas de incineración de lodos con plantas de incineración de residuos sólidos urbanos. La promulgación de esta política técnica ha promovido la construcción de proyectos de secado e incineración de lodos. Según estadísticas incompletas, actualmente se han construido casi 40 proyectos de secado e incineración de lodos, y hay cerca de 30 proyectos principales en construcción. La "Guía de Mejores Técnicas Disponibles para la Prevención de la Contaminación en el Tratamiento y Disposición de Lodos de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas" (2010) emitida por el Ministerio de Protección Ambiental determinó dos mejores técnicas disponibles para la disposición de lodos: uso en suelo e incineración después del secado de lodos. Este documento también detalló los límites de emisión para la incineración individual, la co-incineración y la co-combustión, así como las estrategias de control de la contaminación y la aplicabilidad técnica y económica de los procesos relacionados. La "Guía Técnica para el Tratamiento y Disposición de Lodos de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas" (2011) proporcionó el orden de prioridad para la aplicación de diferentes tecnologías. Por ejemplo, los lodos después de la digestión anaeróbica deben priorizar el uso en suelo; cuando no se cumplen las condiciones para el uso en suelo, se debe adoptar la incineración y la utilización en materiales de construcción.
En resumen, la tecnología de secado e incineración es una tecnología viable estipulada en el ámbito de las políticas y normas, y es una de las tecnologías convencionales para el tratamiento y eliminación de lodos en China.
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La tecnología de secado e incineración de lodos es una de las principales tecnologías internacionales de lodos
En los Estados Unidos, como una de las tres principales tecnologías de tratamiento de lodos, las proporciones de uso del suelo, incineración y compostaje son del 61%, 22% y 17%, respectivamente. Estados Unidos ha promulgado códigos federales que actualizan continuamente los requisitos que deben cumplir la incineración de lodos. En 2011, Estados Unidos promulgó la Ley Federal 40, que propuso diferentes requisitos de indicadores para PM, HCl, dioxinas/furanos, Hg, NOx, SO2, Cd, Pb y CO para incineradores de lecho fluidizado y de hogar múltiple. En Japón, la incineración de lodos ha sido siempre el proceso dominante en el tratamiento de lodos. En la década de 1960, Japón comenzó la tecnología de incineración de lodos, principalmente en las ciudades de Kawasaki, Ichinomiya, Nagoya, Tokio, etc., y posteriormente, los incineradores de lecho fluidizado se convirtieron en el proceso principal. Después de la década de 1990, Japón comenzó a utilizar hornos de fusión de lodos, combustibles (carbonización, co-combustión con plantas de energía) y como materia prima para cemento. La incineración de lodos también es una de las principales tecnologías en la Unión Europea. Desde que Alemania tomó la iniciativa en 1962 y comenzó a operar la primera planta de incineración de lodos de Europa, la incineración de lodos ha ido aumentando en Reino Unido, Francia, Luxemburgo, Dinamarca, Alemania, Austria, Países Bajos y otros países, superando el 20% de la proporción. Especialmente en los Países Bajos, Austria y Alemania, la proporción de incineración de lodos ha alcanzado el 40% o incluso más.
Segundo, diez años de afilar una espada: tecnología de incineración de lodos de innovación independiente
Peter Drucker dijo una vez: "Para una innovación sistemática, las empresas necesitan abrir la ventana de la empresa cada 6-12 meses y mirar el mundo exterior." Solo la innovación independiente puede desarrollarse rápidamente, pero en nuestro país, muchos no aceptan la innovación independiente. Actualmente, la incineración de lodos se encuentra en un punto de inflexión de actualización, transformación y renacimiento.En general, el proceso de tratamiento de lodos ha evolucionado desde el vertido al mar, el secado natural, la digestión anaerobia, el compostaje por deshidratación, hasta la incineración por secado, etc., experimentando una evolución de "bajo nivel" a "alto nivel".Se puede ver que Japón, debido a la escasez de recursos de tierra, se centra en la incineración y utilización de recursos, y gradualmente se está transformando hacia métodos de pirólisis y carbonización limpios; mientras que en nuestro país actualmente todavía se procesa principalmente mediante relleno sanitario, pero los nuevos métodos de utilización de recursos se basan principalmente en la incineración y el uso del suelo, especialmente en las regiones del delta del río Yangtze, el delta del río Perla y Beijing-Tianjin-Hebei, donde la población es densa y los recursos de tierra son escasos, la incineración de lodos se ha convertido en la tecnología dominante como una selección natural del proceso de desarrollo.
En cuanto a la incineración de lodos, hemos llevado a cabo una exploración y práctica de diez años, y a través de la innovación independiente, hemos mejorado el proceso de secado e incineración de lodos, desarrollando un proceso de secado por aspersión e incineración de lodos que es muy inferior en costos de inversión y operación en comparación con las tecnologías importadas.La optimización y mejora de la tecnología de secado por aspersión se centra principalmente en cuatro aspectos: eliminación de polvo, desodorización, eliminación de vapor blanco y estandarización y serialización del equipo. En el aspecto de eliminación de polvo, rompimos el modo tradicional de filtro de mangas tipo caja, desarrollamos un filtro de mangas cilíndrico de alta eficiencia, y mediante la optimización de la estructura interna, el material y el modo de entrada de aire, logramos que la emisión de polvo sea inferior a 10mg/Nm3. En cuanto a la desodorización, instalamos sistemas de tratamiento con luz ultravioleta y ozono en el sistema de gases de escape, utilizando la oxidación de partículas de alta oxidación generadas por la luz ultravioleta, el ozono y su sinergia para eliminar óxidos de nitrógeno, sulfuros y otros gases orgánicos de los gases de escape, logrando una tasa de reducción del olor de más del 97%. En cuanto a la eliminación de vapor blanco y niebla, los gases de escape se enfrían mediante un intercambiador de calor de placas, condensando una gran cantidad de agua y liberando calor, que calienta el aire seco ambiente y se mezcla con el humo enfriado y deshumidificado, reduciendo así la temperatura de punto de rocío del humo descargado y logrando el objetivo de reducir el vapor blanco. Al mismo tiempo, en cuanto a la serialización y estandarización del equipo, se estableció un proyecto piloto de 500t/d basado en el proyecto especial del agua, y con base en el proyecto y la experiencia operativa, se desarrollaron productos serializados de 100, 200, 300 y 600t/d. Además, el secado por aspersión se ha extendido con éxito al campo de residuos peligrosos, como el tratamiento de líquidos residuales concentrados peligrosos, y el tratamiento conjunto de concentrados líquidos peligrosos y lodos, reduciendo los costos de tratamiento de lodos. Actualmente, la tecnología de secado por aspersión de lodos se ha aplicado ampliamente en todo el país. Según las estadísticas, se han establecido más de diez proyectos de aplicación de tecnología de secado por aspersión e incineración de lodos a gran escala en todo el país, con una capacidad total de procesamiento de lodos que supera las 5000t/d (con un contenido de humedad del 80%). El proyecto individual más grande de secado por aspersión tiene una escala de 1200t/d, y ha estado en funcionamiento durante más de siete años. Esta es también la tecnología de incineración más ampliamente aplicada por una sola empresa en el país.
Tercero, avanzando con los tiempos, dominando la tecnología de pirólisis de tercera generación
Se considera que la pirólisis y gasificación es la tercera generación de tecnología de tratamiento de residuos sólidos y también una tecnología de combustión limpia. Las razones se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
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Características de limpieza del proceso de pirólisis y gasificación
Menos volumen de gases de combustión emitidos. Según el estándar de emisión, el coeficiente de exceso de aire para la combustión de sólidos (carbón) es 1,8, para la combustión de combustibles líquidos o gaseosos es 1,2. El gas producido por la pirólisis como combustible genera solo de 1/2 a 2/3 del volumen de gases de combustión en comparación con la incineración directa de residuos sólidos, lo que reduce la escala y los costos operativos de los equipos de purificación de gases de combustión.
Menos emisiones de contaminantes atmosféricos. Los gases producidos por la pirólisis y gasificación de residuos sólidos (lodos) generan contaminantes como partículas, SO2, NOx, metales pesados, etc., que son más de 1/2 menos que en la combustión directa de residuos sólidos.
Inhibición o descomposición de dioxinas. En la zona de pirólisis de residuos sólidos (lodos), el ambiente libre de oxígeno puede inhibir la síntesis de dioxinas; la zona de combustión del gas combustible no tiene medios catalíticos metálicos y a alta temperatura (>850 ℃) se inhibe la producción o se descomponen las dioxinas existentes en el material original.
Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, al convertir el carbono de la biomasa en carbono en el biocarbón, el 50% del carbono puede secuestrarse.
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Sobre el proceso de investigación de la pirólisis de lodos
Desde 2008, hemos formado un equipo dedicado a la investigación y exploración continua de la pirólisis y gasificación. Durante una década, nuestro equipo ha seguido dos rutas técnicas: calentamiento interno y externo, y ha realizado muchos esfuerzos y experimentos fructíferos tanto en investigación básica como en proyectos de demostración, logrando escalar los proyectos de demostración a 20-50 toneladas/día.
Cuarto, equipos importantes: la tecnología de pirólisis es una herramienta clave en el tratamiento de residuos sólidos
La tecnología de pirólisis, como tecnología de equipos importantes, ha sido ampliamente utilizada en diversos campos, convirtiéndose en una herramienta clave para la disposición de residuos sólidos. Además de la pirólisis de lodos, la pirólisis se está aplicando cada vez más en el tratamiento de basura, biomasa y residuos peligrosos térmicos. Por ejemplo, la gasificación por pirólisis se ha extendido a la disposición de lodos aceitosos peligrosos, lodos con cromo, residuos de cocina y recortes de cuero, y se utiliza para la preparación de biocarbón y la utilización limpia de energía de biomasa como cáscaras de arroz y tallos de maíz, así como para la regeneración de carbón activado.
Nota: El profesor Wang Kaijun también presentó casos de ingeniería en los que su equipo utilizó tecnología de pirólisis en campos interdisciplinarios.
Aplicación de la gasificación por pirólisis en el tratamiento inofensivo de lodos aceitosos de campos petroleros. En China, el problema del aceite residual en campos petroleros no se ha resuelto eficazmente. Por lo tanto, hemos establecido un centro de investigación conjunto con una empresa en Xi'an para investigar específicamente la tecnología de pirólisis de aceite residual. Como se puede ver, en el sitio de prueba piloto, después del tratamiento de pirólisis, el aceite residual puede cumplir completamente con los requisitos del suelo. Al mismo tiempo, un equipo integrado de pirólisis de lodos aceitosos móvil de 20 toneladas/día está a punto de completarse.
Aplicación de la gasificación por pirólisis en el proceso de cero descarga de aguas residuales con alto contenido de sal y alta concentración. A través de secado, pirólisis y gasificación, el carbón activado granular se regenera y recicla, resolviendo el problema de disposición de residuos peligrosos generados por el carbón activado. Al mismo tiempo, la materia orgánica adsorbida en el carbón activado se convierte en gas de síntesis mediante pirólisis, transformando la materia orgánica en el líquido residual en gas combustible limpio, lo que ahorra energía y reduce el consumo.
Aplicación de la gasificación por pirólisis en el campo de los residuos de cocina. El plan nacional de apoyo científico y tecnológico del "Duodécimo Plan Quinquenal" propuso el desarrollo de tecnología, construcción de modelos de negocio y demostración de ingeniería para el tratamiento conjunto y la industrialización de biogás a partir de residuos de cocina regionales.
El "un aumento y tres reducciones" del tratamiento por pirólisis de la materia ligera seleccionada de residuos de cocina se refiere a aumentar el sistema de pirólisis de materia orgánica participante, aumentando la producción neta de biogás del sistema mientras se reduce el consumo propio de biogás, la pérdida de materia orgánica y la cantidad de residuos sólidos tratados, así como la pérdida de aceites y grasas. El tratamiento por pirólisis puede reducir los costos de eliminación en dos mil yuanes y reducir el consumo de biogás en 3000 metros cúbicos por día. Además, estamos llevando a cabo otra investigación: mediante tecnología de pirólisis, los residuos del tratamiento biológico de residuos de cocina se pirolizan para convertir el gas de síntesis en biogás, aumentando así la producción de biogás.
Aplicación de la gasificación por pirólisis en el tratamiento de biomasa agrícola. Utilizando biomasa de pueblos y municipios como materia prima, mediante pirólisis de biomasa, se produce conjuntamente calor, electricidad, gas y carbón, generando gas combustible o calor, que luego se convierte en electricidad. El biocarbón producido se puede utilizar como enmienda del suelo, combustible limpio o, mediante mayor activación, como adsorbente para aguas residuales, formando un parque ecológico circular verde regional. En cuanto a biomasa agrícola como paja de maíz y cáscaras de arroz, hemos realizado años de intentos y aplicaciones.
Quinto, una tendencia inevitable, la tecnología de pirólisis tiene un futuro ilimitado
En resumen, la tecnología de pirólisis será de gran utilidad en diversos campos del tratamiento de residuos sólidos. En el futuro, quien domine la tecnología de pirólisis tendrá la iniciativa y la voz cantante. La transición de recursos de carbono no renovables a recursos biológicos renovables se ha convertido en una tendencia internacional. La Agencia de Energía de EE. UU. considera la pirólisis como una tecnología clave para el aprovechamiento de biomasa de tercera generación, y países como Japón, Australia y Alemania también han llevado a cabo investigaciones en este campo. En Alemania, se ha construido un proyecto experimental de pirólisis de residuos con una capacidad de cien toneladas. En cuanto a cero emisiones, la tecnología de pirólisis también será la próxima tendencia. China ha aplicado la tecnología de pirólisis al tratamiento de residuos de fermentación biológica, y tiene amplias perspectivas en el tratamiento de residuos peligrosos. Como solución sistemática para pueblos y municipios, la tecnología de pirólisis también tendrá un gran papel en el tratamiento de residuos agrícolas.
"Las personas deben respetarse a sí mismas antes de que los demás las respeten; la industria debe respetarse a sí misma antes de que el pueblo lo haga." Como tecnología efectiva, esperamos que la tecnología de incineración de lodos reciba más atención y reconocimiento en China. Debemos seguir la ruta técnica correcta y promover esta importante tecnología de pirólisis.
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