Destrucción de CFC-12 por medio de incineración con Gas Natural

RESUMEN:
Cumpliendo con los compromisos adquiridos con la firma del Protocolo de Montreal, los com-puestos clorofluorcarbonados (CFCs) usados en la industria de la refrigeración están siendo remplazados por refrigerantes mas amigables con el medio ambiente. Por lo tanto estos refrigerantes prohibidos están disponibles para su destrucción. La incineración con gas natural ha sido investigada como tecnología para la disposi-ción de este tipo de sustancias. Para demostrar la viabilidad técnica de esta nueva tecnología, un incinerador a escala de laboratorio fue construido con el fin de caracterizar las emisiones del proceso de destrucción de CFC-12 y encontrar experimentalmente las condiciones de mejor operación del incinerador. Los resultados obtenidos muestran que la incineración de CFC-12 con gas natural es viable y de bajo costo.

1 INTRODUCCIÓN
A raíz del Protocolo de Montreal, la comunidad in-ternacional decidió no continuar con la producción de refrigerantes constituidos por CFCs (compuestos cloroflourocarbonados)[6,7]. En el caso de la indus-tria de la refrigeración, los refrigerantes agotadores de la capa de ozono (CFC-11, CFC-12, CFC-13, CFC-113, CFC-114, CFC-115, entre otros), que en la actualidad están siendo utilizados en la maquina-ria industrial, son recuperados durante labores de mantenimiento y remplazados por refrigerantes más amigables con el medio ambiente [9].

Una estimación de la cantidad de CFCs que deberán ser dispuestos a nivel mundial se calcula en 400.000 toneladas constituyentes de equipos de refrigeración que en los próximos años deberás ser tratadas. En promedio 9000 toneladas de CFCs provenientes de la industria de refrigeración estarán disponibles para tratamientos de destrucción.

Dentro de las diversas técnicas existentes para la disposición adeaciada (destrucción ) de CFCs, la UNEP (United nations Environmet Programme) recomienda 16 tecnologías [8] que cumplen con los criterios para garantizar una eficiencia alta en el proceso de destrucción de compuestos clorofluorocarbonados.

Ninguna de estas metodologías esta disponible en paises como Colombia. Para muchos países, incluyendo Colombia, la única alternativa de disposición posible de los cientos de toneladas de estas sustancias recuperadas y almacenadas es la exportación para su destrucción en laboratorios especializados, lo cual hace costoso su disposición. Por tanto existe la necesidad de encontrar nuevas alternativas de disposición de los refrigerantes agotadores de la capa de ozono (CFCs), que sean de bajo costo y fácilmente replicables.

1.1 Criterios de evaluación de la metodología

Los criterios desarrollados por la UNEP [8] para evaluar las diferentes tecnologías existentes utiliza-das para la destrucción de sustancias agotadoras de la capa de ozono (ODS) se muestran en la Tabla 1. Estos criterios buscan evaluar al desarrollo técni-co considerando los impactos potenciales de la tec-nología sobre la salud humana y el medio ambiente [5] y fueron tenidos en cuenta en el trabajo desarrollado.

Tabla No.1 Criterios para evaluar técnicas de destrucción

2 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN

Con el objeto de determinar las condiciones óptimas de incineración, se estableció analíticamente la composición de los productos de combustión resul-tantes al incinerar CFC-12 a diferentes condiciones de operación (presión, temperatura de la cámara de combustión y caudal de los reactivos). En todos los casos se consideró que los reactantes entran a condi-ciones estándar (P = 1 atm y T= 25 oC).

Los análisis de equilibrio químico se basan en la aplicación de las ecuaciones de conservación de es-pecies, la primera y segunda ley de la termodinámi-ca. La reacción química general [3] se muestra abajo en la ecuación 1:

donde λ y γ son valores que indican la fracción para determinar el exceso o la deficiencia del metano y el aire respectivamente, según los coeficientes este-quiométricos que acompañan la reacción. A diferentes relaciones de γ y λ se analizó la concentración de los productos de la incineración para determinar la mejor relación entre flujos iniciales y temperatura de operación.

Como ejemplo del análisis termodinámico se muestra la curva de formación monóxido de carbono (CO₂) en porcentaje de formación según la máxima concentración esperada Figura 1.

Todos los parámetros de la Tabla No1 fueron analizados de la misma manera, para predecir analíticamente las condiciones de mejor operación, cuyo resultado se muestran en la Tabla.2

Figura No1. Curva de formación de CO2 producto de la incine-ración de CFC-12 con GN.

Tabla No.2 Condiciones analíticas para la incineración de CFC-12 con Gas Natural

3 EXPERIMENTACIÓN

3.1 Diseño del incinerador

Con el objeto de verificar experimentalmente que es factible incinerar CFC-12 y obtener una eficiencia de destrucción superior al 99.99%, se procedió a adaptar un incinerador a escala laboratorio con las siguientes características:

• de llama por difusión y con premezcla
• flujo laminar
• operando bajo condiciones de flujo temperatura y presión controladas

El incinerador permite controlar y cuantificar el caudal y la presión de los diferentes reactivos y la temperatura de la cámara de incineración. La Figura 2 muestra el esquema del incinerador construido.

En general el proceso de la incineración consistió en mezclar el gas refrigerante (CFC-12) con el gas natural a una proporción adecuada para que en premezcla con el aire ( agente oxidante ) ocurra la combustión y se lleve a cabo el rompimiento térmi-co de la molécula de CFC-12 generando los productos deseados.

Durante la experimentación las variables críticas aparte de la relación adecuada de los tres caudales (refrigerante, gas natural y aire), fueron la tempera-tura de la cámara de combustión y la presión de entrada de los reactivos.

Figura No 2 Esquema general del incinerador

3.2 Características de la llama

La estabilidad de la llama es un primer indicativo de que la mezcla es adecuada entre combustible, aire y gas refrigerante. Cuando la llama es producto de una proporción estequiométrica, emite radiación de color azul, en el caso contrario, cuando el aire decrece a menos de la proporción estequiométrica requerida, la zona de llama emite radiación verde; para este caso si la mezcla es demasiado rica, se generan cantidades considerables de hollín y la llama se caracteriza por ser amarilla.

La llama obtenida presenta dos regiones características, una zona de premezcla (interior) y zona de difusión (externa) como se muestra en la Figura 3. La formación de estas dos zonas se debe al diseño del quemador con el que se busca optimizar la combustión y minimizar las emisiones de productos de combustión incompleta.

Figura No 3. Llama característica de incineración de CFC-12

A condiciones específicas de los fluidos (caudal y presión de entrada) se obtiene una llama estable y autosuficiente. Sin embargo el rango para la estabi-lidad de la llama es limitado. Es preciso que exista de un equilibrio entre la velocidad de reacción de los gases precursores de la llama y el caudal de entrada de los flujos para evitar extinción de la llama.

3.3 Curva de temperatura de operación

Una vez identificado un rango de estabilidad de llama Figura No.3, se identificó el punto de mayor temperatura. Las condiciones para este punto se determinaron en λ=1.06 y γ=3.98 con una temperatura de llama de 861oC.

Figura No.4 Temperatura de llama para la incineración de refrigerante 12 con Gas Natural a un rango de λ y γ de llama estable.

3.4 Productos de combustión característicos

Para verificar el punto identificado con la máxima temperatura de llama, se requirió de la medición de emisiones características de la combustión antes de tomar la muestra a ser analizada por cromatografía de gases. En el mismo rango de llama estable se tomaron medidas de monóxido de carbono, dióxido de carbono y pH. El pH se midió a una solución producto de la absorción de los gases de combustión en agua, lo que permitió tener un criterio de la presencia de HCl y HF como productos de la incineración.

La concentración de Monóxido de carbono para el rango evaluado, no supera las 80 ppm y en punto más limpio llega a ser de 10 ppm, una combustión limpia. La concentración de monóxido de carbono aumenta a medida que la mezcla se hace rica, es decir cuando no hay suficiente gas oxidante para que haya una reacción completa con el carbono y el mecanismo de formación del CO predomina. La con-centración de dióxido de carbono es calculada por el analizador de gases con base a la concentración de CO.

El pH de la solución de absorción de los gases oscilo entre el rango de 3-3.5 lo que significa que hay un formación de gases ácidos del 70% en volu-men, con respecto al precursor de entrada, el refrige-rante 12 (CCl₂F₂).

Calculando los valores de λ y γ se obtiene:

El valor de λ y γ obtenido para el punto mínimo de emisiones es muy cercano al obtenido por tempera-tura máxima de llama, lo que ratifica el punto de toma de muestra para la cromatografía de gases y el análisis de compuestos halogenados en los gases de combustión.

3.5 Productos halogenados de la combustión

Un análisis más específico es requerido para analizar la ausencia o presencia de compuestos orgánicos halogenados en los gases de combustión[1]. La presencia de estos compuestos en la muestra puede reducir el porcentaje de eficiencia de destrucción del proceso. La reconversión de CFC-12 a otros CFCs es común en este tipo de reacción cuando no hay una incineración bajo condiciones adecuadas[2,4].

Los análisis de compuestos orgánicos clorados fueron realizados por cromatografía de gases con espectro de masas CG-MS. La inyección de las muestras se realizó por desorsión de los gases de una fibra de 75 µm de Carboxen/Polidimetilsiloxano, de acuerdo a la técnica de microextracción en fase sólida.(SPME). La muestra a analizar se tomó bajo las condiciones descritas en el Numeral 3.4, a dos temperaturas diferentes de cámara de combustión. La Figura 5 muestra el espectro de los gases obtenidos de la incineración de CFC 12 con gas natural, y una temperatura de cámara de combustión estable en 400oC. La Figura 6. muestra el mismo caso anterior, pero con la temperatura de la cámara de combustión en 700 oC.

Analizando los compuestos obtenidos en los es-pectros, se observa que en la Figura No 5 los com-puestos orgánicos halogenados producto de la re-conversión disminuyen. Sin embargo persiste la presencia de benceno y fenol precursores de la for-mación de dioxinas y furanos. Cuando la temperatu-ra de cámara de combustión se estabiliza en 700 oC, se obtiene un espectro casi limpio. El pico del triclo-ro eteno sigue apareciendo aunque en mucha menor concentración que en el espectro anterior. Algunos compuestos como el dimetilacetamida, y el fenol pueden aparecer en el espectro, debido a que son característicos del tipo de bolsa donde en reco-gida la muestra. Otros picos como los siloxanos apa-recen también producto del sangrado (desgaste) de la columna.

Figura No 5 Gases de combustión de la incineración de CFC12 con Gas Natural con la cámara de combustión a 400 0C.

Figura No. 6. Gases de combustión de la incineración de CFC12 con Gas Natural con la cámara de combustión a 700 0C.

3.6 Tiempo de residencia

El tiempo de residencia de los gases mínimo reque-rido para este tipo de proceso es de 1 segundo. Para determinar este tiempo, se necesita un volumen iso-térmico que garantice condiciones homogéneas de reacción, por donde pasen los gases de la reacción Si se tienen los caudales de entrada y el volumen de la cámara de combustión operando con las resistencias que le inducen calor, se puede calcular el tiempo de residencia mostrada en la ecuación (4).

Para este caso el tiempo de residencia calculado a una temperatura de cámara de combustión constante es de 1.5 s.

4 CONDICIONES DE OPERACIÓN ENCONTRADAS

Las condiciones de mejor operación encontradas pa-ra la incineración de CFC 12 con gas natural, se re-sumen en la Tabla 3. En la Tabla 4 se muestra la in-fluencia de la variación de λ y γ, en los parámetros evaluados cuantitativamente, característicos de la incineración.

Tabla 3 Condiciones de mejor operación en la incineración de R12 con GN.

5 COSTOS DE OPERACIÓN

Haciendo un balance del volumen de gases requeri-do por kilogramo de refrigerante incinerado, el costo de incinerar un kilogramo de refrigerante es aproximadamente de $ 2000. La alternativa de incineración desarrollada es una opción de muy bajo costo inicial, sin embargo para aumentar la eficiencia del proceso se requiere de un incinerador mucho más sofisticado que aumentaría los costos en la construcción del equipo. Actualmente se estudian las condiciones de resideño del incimerador que permitan optimizar esta tecnología.

6 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Para determinara la eficiencia de destrucción de la incineración de CFC-12 usando gas natural, se realizaron pruebas en un tutor de incinerador con el fin de estimar las emisiones de la combustión y algunas otras características propias de la reacción. De los resultados obtenidos durante el desarrollo de la experimentación se puede determinar que:

• La incineración en cuanto a emisión de compuestos característicos como CO, NO cumple con los requisitos de evaluación de metodologías para la incineración de CFCs dados por la UNEP.
• Las concentraciones de compuestos orgánicos halogenados se ven notoriamente reducidas al aumentar la temperatura inducida de la cámara de combustión, lo que garantiza un tiempo de residencia apropiado para que se lleve a cabo la reacción esperada.
• Como el tiempo de residencia se calcula con base a una temperatura constante, se requiere necesariamente del calentamiento de la cámara de combustión para garantizar un tiempo de residencia mínimo, superior a un segundo. Si no hay un calentamiento el tiempo de residencia se reduce a fracción de segundos, lo que aumenta la probabilidad de formación de compuestos no deseados.
• Hasta ahora la eficiencia de destrucción de CFC-12 utilizando gas natural ha sido calculada en 83%, sin embargo este porcentaje es relativo a los resultados que arrojó el cromatógrafo usan-do la base de datos propia del software del equipo. Para mayor precisión en los resultados se re-quieren patrones de calibración de cada compuesto critico identificado en el análisis realizado.
• La eficiencia de destrucción no alcanza el porcentaje mínimo requerido (99.99%), debido a la reconversión de CFC-12 a otros compuestos halogenados con potencial de agotamiento sobre la capa de ozono. La causa de este fenómeno se debe a la temperatura de la cámara de combus-tión. Su diseño no permite alcanzar temperaturas superiores a los 800 oC, las cuales son requeridas para mejorar la eficiencia del proceso.
• Los resultados hasta ahora obtenidos permiten predecir que la metodología funciona, sin em-bargo la presencia de compuestos orgánicos halogenados en los espectros obtenidos indica que la temperatura de operación está por debajo de la requerida, por lo tanto un rediseño de la cámara de combustión es necesario.
• El material de la cámara de combustión no es el más apropiado. Se requiere del diseño de par-tes del quemador y partes de la cámara de combustión cambiables considerando que la reacción es altamente corrosiva. •
• Por los resultados obtenidos el proceso de destrucción de CFC-12 por medio de incinera-ción con gas natural es limpio, sin embargo es necesario evaluar la emisión de Dioxinas y Fu-ranos PCDDs y PCDFs,. Para el análisis de estos compuestos se necesita cromatografía de gases de alta resolución que detecte concentraciones de 0.2 ng/m3.

7 BIBLIOGRAFÍA

[1] E. Robert Alley & Associates, Inc.2000 Manual de control de la calidad del aire. McGraw- Hill

[2] Hassel, G.R. & Springsteen B.R. & Seeker W.R.. 1992. Ex-perimental investigation of PIC formation from incineration of CFCs. 12 th annual incineration conference.1992

[3] Rittmeyer C. & Venhlow J..1993 Descomposition of or-ganohalogen compounds in municipal solid waste incinera-tor plants. Part I: Chlorofluorocarbons.Chemosphere, vol26, no12 pp 2129-2138 Germany,

[4] Ueno,H; Iwasaki Y. Tatsuichi S. Soufuku M. Noviembre 1997 Descomposition of Chloroflourocarbons in a Cement Kiln. Journal of the Air and the Management Association,Vol 47.

[5] UNEP, AD-HOC 1992. Technical Advisory Committe on ODS Destruction Technologies..

[6] UNEP. 2001. Analysis of CFC consumption and Production Trends, Country Reports.

[7] UNEP, 2002a. Report of The Task Force On Collection, Re-covery And Storage.

[8] UNEP. 2002b. Report of the Task force on destruction Technologies.V3.

[9] UNEP. 2003a Report of the Technology and Economic As-sessment Panel (TEAP).Pursuant to Article 6 of the Mont-real Protocol.

Por: C. Ochoa Fandiño, J.I. Huertas
Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia
Fuente: http://dspace.uniandes.edu.co:5050/dspace/handle/1992/313

Vea también nuestros contenidos
de IMPACTO AMBIENTAL