Tratamiento de purgas de desulfuración en centrales térmicas

Secciones

1. Las purgas de las centrales térmicas
2. Contaminantes presentes en las purgas de desulfuración
3. Tratamiento de vertidos de desulfuración
4. Conclusiones

Las purgas de las centrales térmicas

Las centrales térmicas generan electricidad a partir de la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural. Son una de las principales fuentes de aportación de energía, pero también una de las más contaminantes.

El impacto medioambiental generado por las centrales térmicas se manifiesta de diversas maneras.

• El aumento en las concentraciones de CO₂, uno de los principales gases de efecto invernadero, induce al cambio climático, provocando fenómenos climáticos extremos.
• Los contaminantes atmosféricos como el SO₂ y los NOx pueden dar lugar a la formación de lluvia ácida, que perjudica los suelos, al agua y a la vegetación, comprometiendo la salud de los ecosistemas y de la biodiversidad que depende de ellos.

Para cumplir con los límites de emisiones de azufre establecidos por la normativa medioambiental, las centrales térmicas emplean un proceso denominado desulfuración.

Los gases procedentes de la combustión de carbón en la caldera, una vez pasados por electro-filtros, son impulsados por unos ventiladores hacia un calentador gas-gas donde se aumenta su temperatura.

Una vez han alcanzado la temperatura requerida, se introducen en un *scrubber*, donde la lechada de cal reacciona con el SO₂, y utiliza el O₂ del aire para favorecer la oxidación a CaSO₄, según la reacción:

CaCO₃ + SO₂ + 2 H₂O + ½ O₂ → CaSO₄ + 2 H₂O + CO₂

Los gases resultantes se envían a una chimenea para evitar condensaciones y se evacúan al exterior a una temperatura superior al punto de precipitación del azufre. Gracias a este proceso de desulfuración, el SO₂ se reduce en un 95%.

Como resultado del proceso, en el fondo del absorbedor queda una lechada de yeso que, una vez desecada, se transporta a gestor de residuos. Alternativamente, se está evaluando la posibilidad de que este residuo se utilice en algunas aplicaciones, como remediador de suelos.

La mayor parte del agua de filtrado es reutilizada en el mismo proceso y sólo una pequeña parte (purga) se deriva a la planta de tratamiento de efluentes.

El tratamiento de las purgas provenientes del *scrubber* consiste principalmente en un proceso fisicoquímico seguido de un evaporador al vacío, en el que se trata el agua salobre. Tras la evaporación, se obtiene agua destilada de alta calidad que se recicla al absorbedor, mientras que el concentrado representa menos del 5-10% en volumen del agua tratada. En este proceso se puede obtener un VERTIDO CERO.

Contaminantes presentes en las purgas de desulfuración

Las purgas de desulfuración de las centrales térmicas contienen varios contaminantes que deben ser tratados en forma adecuada para evitar daños ambientales:

• Dióxido de azufre (SO₂). Es el principal contaminante que se elimina en el proceso de desulfuración.
• Óxidos de nitrógeno (NOx). Estos compuestos también se generan durante la combustión y deben ser controlados.
• Partículas suspendidas. Incluyen cenizas y polvo que se generan durante la combustión.
• Compuestos orgánicos volátiles (COV). Pueden estar presentes en pequeñas cantidades y deben ser eliminados.
• Metales pesados. Como mercurio y plomo, que pueden estar presentes en los gases de combustión.

El siguiente análisis puede ser considerado como un típico de purga de desulfuración de una central térmica:

Parámetro	Unidad	Concentración
pH	–	4-7
Sólidos en Suspensión	mg/l	10.000
SO4=-2	mg/l	15.100
SO3 -2	mg/l	200
F-	mg/l	50
P	mg/l	5.100
NH4+	mg/l	406
NO3-	mg/l	100
NO2-	mg/l	100
Al+3	mg/l	10
Cd+2	mg/l	4
Cr+6	mg/l	30
Cu+	mg/l	20
Fe+3	mg/l	1
Pb+2	mg/l	100
Hg +	mg/l	0,9
Ni+3	mg/l	30
Zn+2	mg/l	20
Cl-	mg/l	5.000
Mg+2	mg/l	3.700
P	mg/l	500
Aceites y grasas	mg/l	1
DBO5	mg O2/l	800
TOC	mg O2/l	270
Temp. máxima	ºC	47

Los sólidos en suspensión se componen en un 89 % de CaSO₄·2 H₂O + 2 % de CaCO₃ + 9% restante de CaF₂ y otros). Como se puede observar, el efluente tiene un elevado contenido de SS, SO₄^-2, NH₃, y diferentes metales, entre los que destacan por su potencial tóxico: Cd⁺², Pb⁺² Cr⁺⁶ y Hg⁺¹. Asimismo, en este caso se aprecia una concentración alta de NH₃.

Tratamientos de los vertidos de desulfuración

El tratamiento de las aguas residuales producidas en las purgas de desulfuración en centrales térmicas es un proceso complejo que implica varias etapas para eliminar los distintos contaminantes y cumplir con las normativas ambientales.

El diseño de la planta de tratamiento puede variar según distintos factores, pero estas son las tecnologías más habitualmente empleadas:

• Tratamiento Físico-Químico: Este es el primer paso y consiste en la eliminación de sólidos suspendidos y otros contaminantes inorgánicos mediante procesos como la sedimentación y la coagulación-floculación.
• Reactor Biológico (cuando la toxicidad lo permita): En esta etapa, se utilizan microorganismos para descomponer la materia orgánica disuelta en el agua. Este método es eficaz para reducir compuestos como el nitrógeno y el fósforo.
• Tratamiento Avanzado: También conocido como tratamiento terciario, esta etapa se enfoca en eliminar los contaminantes residuales que no fueron eliminados en las etapas anteriores. Puede incluir procesos como la filtración con membranas, la adsorción y la oxidación avanzada.
• Evaporación al Vacío: Este método se utiliza para separar el agua de los contaminantes mediante la evaporación, obteniendo un condensado de alta calidad que puede ser reciclado, por ejemplo, en el propio proceso de desulfuración.
• Tratamiento de Metales Pesados: En esta etapa, se eliminan metales pesados como mercurio y plomo mediante técnicas como la precipitación química y la adsorción.

Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas, y la elección del tratamiento adecuado depende de las características específicas de las aguas residuales y los objetivos de tratamiento.

A modo de ejemplo, veamos que tratamiento sería el más adecuado para depurar una purga de desulfuración con una analítica como la mostrada en la tabla anterior.

La línea de tratamiento se compondría básicamente de:

• Separación de sólidos. Las purgas incorporan sólidos de tamaño considerable que deben ser separados previamente al proceso de depuración; para ello se utilizan habitualmente tamices y rejas con la luz de filtración adecuada (aprox. 1 – 3 mm). Los sólidos se extraen de forma automática mediante un rascador superficial dispuesto sobre el tamiz.
• Depósito de homogeneización y oxidación. En su interior, se mezcla y homogeneiza el efluente por medios mecánicos y la aportación de aire procedente de soplantes. De esta forma, conseguimos oxidar el SO₃²⁻ a SO₄²⁻ y los NO₂⁻ a NO₃⁻ y también se facilita la oxidación de los materiales orgánicos e inorgánicos sensibles a ello.
• Sedimentación de precipitados. Del depósito de homogeneización se pasa por gravedad a un decantador – espesador anexo, del que salen un clarificado por una parte y los sólidos en suspensión (en su mayoría CaSO₄) que decantan por otra. Los sólidos separados se someten a deshidratación para enviarlos a un vertedero de residuos.
• Tratamiento fisicoquímico. Este es un proceso complejo que se realiza en distintas etapas a fin de separar los sólidos en suspensión restantes, así como los metales contaminantes.
• Evaporación a vacío. El siguiente paso es separar las sales solubles (Cl⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻, etc.) y las trazas de metales (Cr, Pb, etc.) que hayan podido quedar en el efluente, para lo que dicho efluente es enviado a un evaporador al vacío en el que se obtienen un concentrado de sales y metales, y un condensado libre de contaminantes.

La evaporación al vacío se basa en la reducción de la presión para disminuir el punto de ebullición del agua. Esto permite que el agua se evapore a temperaturas más bajas, separándose de los contaminantes en el concentrado.

La evaporación al vacío es un proceso eficiente para obtener agua de alta calidad y reducir la cantidad de residuos.

Ventajas

• Eficiencia Energética: Este proceso requiere menos energía en comparación con otros métodos debido a las bajas temperaturas de operación (en nuestro caso, las purgas de desulfuración suelen estar calientes, aproximadamente 45ºC).
• Calidad del Agua: Se produce un condensado de alta calidad que puede ser reutilizada en el proceso de desulfuración.
• Reducción de Residuos: Minimiza la cantidad de residuos sólidos y permite un manejo más eficiente de los contaminantes.

Consideraciones

• Corrosión: Los materiales del sistema deben ser resistentes a la corrosión debido a la naturaleza química de las purgas.
• Incrustaciones: La aparición de incrustaciones debe ser controlada para mantener la eficiencia del proceso.
• Eliminación de NH₃ en exceso:Es común que los vertidos procedentes de procesos de desulfuración presenten altas concentraciones de amoníaco (NH₃). Para su eliminación, se recurre habitualmente a la instalación de torres de stripping, que operan mediante el aporte de aire. Este aire supera la presión parcial del amoníaco, facilitando su transferencia desde la fase líquida a la fase gaseosa, donde posteriormente se diluye en el flujo de aire de salida.

Conclusiones

Las centrales térmicas emiten una gran variedad de contaminantes contenidos en los gases que se producen en la combustión, como son el dióxido de carbono (CO₂), óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre (SO₂), y partículas en suspensión.

Para el tratamiento de los gases se utilizan sistemas de separación mediante *scrubbers* en los que se absorbe una importante parte de los contaminantes. La purga de este circuito deberá ser tratada en una instalación adecuada por contener altas concentraciones de contaminantes.

El proceso más habitual para el tratamiento de purgas de desulfuración se compone de:

• Pretratamiento: Separación de sólidos
• Homogeneización y oxidación: Se mezclan los vertidos en un tanque y los compuestos contaminantes se oxidan con aire.
• Clarificación: Mediante un clarificador – espesador.
• Tratamiento fisicoquímico: Compuesto de varias etapas acordes a los contaminantes presentes (SS, metales, etc.).
• Evaporación a vacío: El efluente libre de sólidos suspendidos y metales, contiene una elevada salinidad, que puede ser tratada en un evaporador al vacío. La evaporación a vacío permite obtener un condensado de alta calidad y un residuo concentrado, con un coste energético y un impacto medioambiental reducidos. El condensado obtenido tendrá calidad suficiente para poder utilizarse en distintos procesos y servicios, lo que amortiza el coste de inversión en poco tiempo.
• Tratamiento de lodos: Tanto los fangos obtenidos por medios de deshidratación mecánica, como son los filtros prensa, y los propios del evaporador, deberán destinarse a vertederos especiales debido a su naturaleza tóxica.
• Cuando la concentración de NH₃ sea elevada, deberá eliminarse el exceso. El sistema más económico y sencillo sería una torre de stripping, provista de un relleno de anillos, a la que se le hace pasar un corriente de aire en contracorriente con la circulación del líquido.

Bibliografía y consultas:

https://ecologiadigital.bio/ – Emisiones contaminantes de las centrales térmicas y su impacto ambiental