Scope

Á. Navarro, J. Ábrego*, M.B. Murillo, J.F. Mastral, G. Gea

Departamento Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, Universidad de Zaragoza *Autor principal: [email protected]

1. Introducción

La actividad humana genera una cantidad de residuos orgánicos muy superior a la que puede ser absorbida por la naturaleza, por lo que su correcta gestión es imprescindible para evitar graves problemas medioambientales. En España, uno de los residuos de origen orgánico más abundante son los lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) (1.2 Mt/año, b.s.). Debido a su contenido en nutrientes, el sistema de gestión más utilizado para estos residuos es su aplicación agrícola. Sin embargo, esta alternativa sólo es medioambientalmente sostenible cuando existe suficiente terreno cercano disponible para aplicar correctamente la cantidad de lodos generados. Para el caso de las grandes depuradoras, el elevado volumen de producción en áreas muy concretas hace necesario plantear alternativas de gestión para los lodos generados. La pirólisis por vía seca, proceso de descomposición térmica en atmósfera inerte, ha sido estudiada por muchos autores como una posible alternativa para el tratamiento de estos residuos, obteniéndose tres productos de mayor valor añadido, un gas combustible que puede aprovecharse en el propio proceso de pirólisis, un líquido que puede utilizarse como combustible o como materia prima para la obtención de productos químicos, y un sólido, comúnmente denominado char, cuyas principales aplicaciones son como material combustible o precursor de carbón activo. En este trabajo se plantea la pirólisis oxidativa, adición de pequeñas cantidades de oxígeno en la atmósfera de reacción, como una modificación de la pirólisis convencional. La presencia de pequeñas cantidades de oxígeno puede reducir las necesidades energéticas del proceso de pirólisis1_{, lo que facilita su implementación a escala industrial, así como, favorecer la}

activación del char (formación de grupos funcionales oxigenados en su superficie), lo que podría aumentar su capacidad de adsorción para algunos contaminantes, como por ejemplo, el ion amonio.

Teniendo en cuenta que apenas existen estudios previos sobre la pirólisis de lodos en presencia de oxígeno, en este trabajo se planteó como objetivo estudiar la influencia de la temperatura (350 - 450°C) y relación estequiométrica entre oxígeno y lodos (1-4.5 %) en la distribución y propiedades de los productos procedentes del proceso de pirólisis oxidativa de lodos de EDAR.

2. Experimental

Los experimentos se realizaron en un reactor continuo de tornillo sinfín (Auger), en el que se procesó 0.4 kg/h de lodos secos procedentes de la depuradora de Butarque (Madrid). La relación estequiométrica entre oxígeno y lodos deseada (RE: 1-4.5 %) se consiguió mezclando en las relaciones adecuadas aire y nitrógeno manteniendo constante el flujo total de gas alimentado (1 L(STP)/min). Una vez alcanzada la temperatura de pirólisis en el reactor (350 - 450 o_{C) se alimentaron lodos durante 70 min. Los}

vapores condensables generados en el proceso se recogieron en un sistema de refrigeración y los gases permanentes se analizaron continuamente en un micro-cromatógrafo de gases. El producto líquido contenía dos fases que se separaron por centrifugación (fase orgánica y fase acuosa).

Los rendimientos a los productos sólido y líquido se determinaron por diferencia de pesada y el rendimiento a gas a partir del análisis cromatográfico. El producto sólido se caracterizó mediante análisis elemental e inmediato, análisis FTIR, determinación del poder calorífico, pH y conductividad eléctrica. En las fases del producto líquido se determinó poder calorífico y contenido en agua. A partir de la composición del gas se calculó su poder calorífico. Los resultados se compararon con los obtenidos en la pirólisis convencional.

Agradecimientos

The authors acknowledge the funding from the Aragón Government (Ref. T22_17R), co-funded by FEDER 2014-2020 "Construyendo

Europa desde Aragón". The authors also thank MINECO (Project CTQ2016-76419-R) for financial support.

3. Resultados y discusión

La distribución de productos apenas se vio modificada por la adición de pequeñas cantidades de oxígeno. Se observó un ligero aumento del rendimiento a gas respecto de la pirólisis convencional, bajo las condiciones más severas (450 o_{C y 4.5 % de RE).}

En cuanto a las propiedades del char, no se apreció un efecto importante de la adición de oxígeno en el contenido en cenizas, volátiles y carbono fijo, únicamente los sólidos obtenidos en pirólisis oxidativa con una RE de 4.5 % presentaron un aumento de carbono fijo respecto a los obtenidos en atmósfera inerte. Sin embargo, a diferencia de lo que se podría prever, el análisis elemental mostró un pequeño descenso en la relación O/C con respecto al char obtenido en pirólisis convencional, lo que podría significar que la pirólisis oxidativa, en las condiciones estudiadas, no favoreció el desarrollo de grupos oxigenados en la superficie del char. El análisis FTIR de los char obtenidos no presentó diferencias significativas, y ensayos preliminares de adsorción de amonio no mostraron mejoras en los char procedentes de la pirólisis oxidativa. El poder calorífico del char (PCchar)y su pH tampoco se vieron modificados de forma notable por la presencia de

pequeñas cantidades de oxígeno.

En cuanto a las fases líquidas, se detectó un descenso del contenido en agua de las fases orgánicas (% H2Of. orgánica) y en consecuencia un aumento de su poder calorífico (PCf.orgánica) en la pirólisis oxidativa. El

contenido en agua de la fase acuosa no mostró modificaciones notables por la adición de oxígeno en la corriente gaseosa.

La composición del gas obtenido presentó pequeñas modificaciones al introducir oxígeno en la atmósfera de reacción, pero el poder calorífico inferior del gas (PCIgas) obtenido no mostró cambios notables.

Tabla 1. Propiedades de los productos obtenidos.

350 o_{C 450} o_C RE 0 % 1 % 4.5 % 0 % 1 % 4.5 % Cenizas (%) 68,0±0,3 69,1±0,3 67,3±0,3 72,5±0,3 72,7±0,3 72,4±0,3 Volátiles (%) 25,21±0,06 24,7±0,06 24,94±0,06 20,91±0,06 21,12±0,06 19,61±0,06 C fijo (%) 4,6±0,3 4,4±0,3 6,3±0,3 5,2±0,3 5,3±0,3 6,3±0,3 O/C 0,16±0,01 0,11±0,01 0,13±0,01 0,03±0,01 0,02±0,01 0,01±0,01 PCchar (MJ/kg) 8,8±0,1 8,8±0,1 9,2±0,1 8,1±0,1 8,3±0,1 8,4±0,1 pHchar 8,2±0,2 8,1±0,2 8,2±0,2 8,6±0,2 8,7±0,2 8,8±0,2 % H2Of. orgánica 9,68±0,09 8,46±0,09 5,73±0,09 5,11±0,09 4,79±0,09 2,77±0,09 PCf.orgánica(MJ/kg) 32,4±0,4 34,1±0,4 34,5±0,4 33,9±0,4 34,6±0,4 34,9±0,4 PCIgas (MJ/Nm3) 8,4±0,6 7,9±0,6 8,4±0,6 13,3±0,6 13,1±0,6 12,9±0,6 4. Conclusiones

La pirólisis oxidativa de lodos de depuradora, llevada a cabo en un reactor Auger, a temperaturas relativamente bajas (350-450 o_{C) y en presencia de pequeñas cantidades de oxígeno (RE: 1-4.5 %) no mostró}

diferencias notables con respecto a la pirólisis convencional, lo que supone una ventaja desde el punto de vista operacional para la implementación a mayor escala del proceso de pirólisis de lodos de EDAR.

Referencias  

Zaragoza, 4-6 septiembre 2019  ‘Trends and Challenges in Chemical Engineering Research’

P.1B.13