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RESUMEN
Se estudió el comportamiento en combustión de diferentes
carbones consumidos en el Valle del Cauca procedentes de los
departamentos de Antioquia, Cundinamarca , Valle y Cauca, que son
mezclados con lodos de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales
(PTAR) Cañaveralejo de la ciudad de Cali, para su
valorización y la atenuación del impacto ambiental que
estos residuos generan.
Se utilizó el “diseño experimental totalmente al azar” y
el análisis estadístico de los diferentes
parámetros estudiados al adicionar lodos en proporción
hasta de 9 % en peso a los carbones consumidos en el Valle del Cauca
muestra que no se afecta significativamente el comportamiento
energético del combustibles.
ABSTRACT
The present
research studies the behavior of the combustion of
different coals used in the State of Valle del Cauca and coming from
the States of Antioquia, Cundinamarca, Valle, and Cauca. These coals
are mixed with mud resulting from the Cañaveralejo Waste Water
Treatment Plant (PTAR) in the city of Cali, for their valorization and
reduction of the environmental impact they produce.
An
experimental design completely at random has been used and a
statistical analysis for different parameters studied when adding mud
in a proportion of up to 9% in weight to coals consumed in the State of
Valle del Cauca. Results show that the energetic behavior of
fossil combustion does not have a significant change.
PALABRAS CLAVES
Lodos de tratamiento de aguas residuales, análisis
térmico, termogravimetría, termogravimetría
derivativa, reactividad, energía de activación,
cocombustión, aprovechamiento energético de lodos,
diseño experimental al azar.
KEYWORDS
Waste water
treatment mud, thermal analysis, thermogravimetry,
derivative thermogravimetry, reactivity, activation energy,
co-combustion, mud energetic use, experimental design at random.
1. INTRODUCCIÓN
Diseño
experimental totalmente al azar.
El diseño experimental se emplea en casi todas las áreas
del conocimiento aplicado y terminos como tratamiento, nivel, unidad
experimental, entre otros, se han generalizado al emplearse en la
práctica científica en diferentes campos.
Mesa (1999) plantea que el diseño experimental es utilizado para
comparar tratamientos, en donde las unidades experimentales se
consideran homogéneas, es decir son semejantes entre sí
en cuanto al efecto que pueden causar en la respuesta de la
característica de interés, de tal forma que la diferencia
en ella, sea generada básicamente por los tratamientos bajo
estudio por la variabilidad intrínseca de las unidades
experimentales.
En este diseño bajo el supuesto de unidades experimentales
homogéneas, no hay restricción alguna en la
aleatorización. El modelo estadístico y la
aleatorización en experimentos factoriales dependen del
diseño básico utilizado. Un diseño completamente
al azar con arreglo factorial se puede expresar como:
Yijk = m + Aj + Bk + ABjk + Eijk
Donde :
Yijk: Variable de respuesta
: Media general
Aj: Efecto del primer factor
Bk: Efecto del segundo factor
ABjk: Interacción de los dos factores
Eijk: Error aleatorio.
El análisis de varianza para dos factores A y B, con a y b
niveles, r número de repeticiones se presenta de la
siguiente tabla.
Tabla 1
Análisis de varianza para dos factores A y B, con a y b niveles,
r número de repeticiones.
Donde:
F: s
MC/MCE
F*: Parámetro de comparación determinado a
partir de los grados de libertad (GL) del error y el tratamiento, con
base a una confiabilidad del 95 % que se denota como =0.05. y se
encuentra tabulado en tablas de F (Snedecor, 1986).
Para establecer comparaciones múltiples entre todos los pares de
medias de tratamiento se puede emplear el método de Diferencia
Mínima Significativa cuyo valor crítico esta dado por:
DMS= 
Donde t se encuentra tabulado en tablas reportadas por Fisher, 1989.
Problemática
Ambiental
La elevada producción de lodos en las aguas residuales urbanas y
los problemas medioambientales derivados de su eliminación,
unidos a una legislación medioambiental cada vez más
restrictiva, exigen el estudio más exhaustivo de las
posibilidades de eliminación de los mismos. Entre dichas
alternativas la del coprocesamiento con carbón en sistemas
convencionales de combustión cada vez adquiere más
relevancia.
La utilización de lodos como fuente energética es una
alternativa poco investigada en los lodos de la PTAR
Cañaveralejo. La presente Investigación busca brindar las
bases para viabilizar la utilización de lodos deshidratados de
la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) de Cali como fuente
de energía, en mezclas con los carbones utilizados en la
región del Valle del Cauca (de los departamentos de Valle,
Antioquia y Cundinamarca), como mecanismo de disposición final y
aprovechamiento.
2. EXPERIMENTAL
2.1. Muestreo
de Carbones
El muestreo se realizó en PROPAL S.A., planta No 2, por ser un
gran centro de acopio de la región donde se utilizan carbones de
diferente procedencia, no sólo para el consumo propio sino para
ser distribuido a los ingenios dentro del convenio establecido para el
trueque por bagazo. Se realizó muestreo en pilas siguiendo
la norma ASTM D2234 para los carbones de Valle, Cundinamarca y
Antioquia, ya que desde el punto de vista práctico es la
más viable y utilizada.
2.2. Muestreo
del Lodo
Se muestreó en banda transportadora al final del proceso de
deshidratación mecánica del biosólido en la PTAR
siguiendo la norma ASTM D2234
2.3.
Definición de las Mezclas
Definiendo las mezclas como el porcentaje de lodo en la mezcla
lodo– carbón, además de realizar siguientes
consideraciones:
.
La demanda de carbón en la región (800000
ton/año para el 2005) y las demandas históricas (entre
400-500000 ton/año) (AUPEC, 2005).
. La producción actual (36000 ton/año)
y futura (72000 ton/año) de biosólido (Moreno y Ospina,
2003) de la PTAR Cañaveralejo.
. La remoción de humedad es del orden del 80%
tal como se reporta en plantas instaladas para el secado de lodos de
PTAR en Alemania (Billotet et al., 1995).
Además que se presentan problemas
operativos ocasionados por
temperaturas de fusibilidad cuando se utilizan altos porcentajes de
lodo de PTAR (Morgan y Van Kamp, 1995 ). Se seleccionan como mezclas de
trabajo los siguientes porcentajes de biosólido: 0 %, 3%, 6%
y 9%.
2.4. Secado de
la Muestra
El secado de la muestra se realizó aplicando la norma ASTM 5142,
a 106oC, con monitoreo cada hora hasta que el peso sea constante y se
determinó en 68,99 %.
2.5.
Análisis Termogravimétrico
Los análisis termogravimétricos se realizaron en un
equipo TA Instrument SDT 2960 Simultáneo DSC-TGA. Se utilizaron
aproximadamente 15 mg de muestra, sometiéndolos a una velocidad
lineal de calentamiento de 10 oC/min en atmósfera
estática de aire (100 ml/min) desde temperatura ambiente hasta
800 oC, con la información generada en los termogramas se
determinan las temperaturas de pico y las energías de
activación media ponderada.
2.6.
Análisis Próximo
Para el análisis próximo se aplicó la norma ASTM
D5142 en las determinaciones de humedad residual, materia
volátil, cenizas y carbono fijo, la ASTM D4239 en las
determinaciones de azufre y la ASTM D5865 en el poder calorífico
superior. Los equipos utilizados fueron: Leco TGA 601, Leco SC 32 y
Leco AC 350 .
2.7.
Análisis Elemental
Para la realización del análisis elemental se sigue la
norma ASTM D5373 y se realiza en un equipo Leco CHN2000, con los
cuales se realiza el análisis de la relación molar H/C.
3. ANÁLISIS DE
RESULTADOS
3.1.
Energías de activación
Se calcula Energías de activación media (Em), utilizando
la ecuación de Cumming (1984) a partir de los resultados
obtenidos en los ensayos térmicos:
Em= Ea1+Ea2+Ea3+....= F1E1+F2E2+F3E3....
En la Figura 1 y en la Tabla 2 se presentan los resultados de las
energías de activación obtenidas.
Figura 1. Energía de
Activación Media ponderada
Tabla 2. Análisis de Varianza.
Como F > F* para el factor de origen y no para el porcentaje de
lodo, no hay efecto del porcentaje de lodo agregado sobre
la Energía de activación media ponderada, este efecto se
aprecia en la Figura 1, donde se presentan los valores medios para los
dos factores y se muestran valores muy cercanos de las Energías
de activación para un mismo origen con diferentes
porcentajes de lodo (Valle (79.85 a 75.08 Kj/mol), Cundinamarca (75.80
a 74.41 Kj/mol) y Antioquia (71.49 a 74.37 Kj/mol), pero con
diferencias mayores entre los diversos orígenes.
Temperaturas Características
Las temperaturas de pico obtenidas a partir de los temogramas son las
siguientes:
TEMPERATURAS DE PICO
Figura 2. Temperatura de Pico de las
mezclas.
Y el análisis de varianza es el siguiente:
Tabla 2. Análisis de Varianza.
Los resultados del an
álisis de varianza
(comparación de F y F* )
muestran diferencias asociadas al origen del carbón y no a
la adición del porcentaje de lodo.
Poder
Calorífico
Los resultados del análisis de poder calorífico son los
siguientes:
Poder Calorífico
Figura 3. Poder Calorífico
El análisis de varianza se realiza de igual manera que en el
caso anterior y los resultados son los siguientes:
Tabla 3. Análisis de Varianza.
Como F > F*, existe efecto de los dos factores de estudio sobre el
poder calorífico. El análisis de varianza y
específicamente el factor F muestran un mayor efecto por
el origen (F= 5446.7) que el efecto asociado al porcentaje de
lodo (F=59.8 ).
Para establecer una comparación entre ellos se aplicó el
método de comparaciones múltiples de diferencia
mínima significativa (DMS). Con =0.05, GLE=12 se tiene
t=2,179 (Fisher, 1989)
Por tanto, son significativas diferencias mayores a 34.5. Así
pues la diferencia mínima que puede causar cualquiera de los dos
efectos debe ser mayor a 34.5 cal/g. La Figura 3 muestra de una manera
clara los dos efectos, y se muestran los tres tipos de carbones con
diferentes poderes caloríficos, el que presenta el mayor poder
calorífico es el de Cundinamarca, seguido por el del Valle
y luego el de Antioquia. Las mayores variaciones se presentan en
Cundinamarca (7537,6 cal/g a 6876,5 cal/g, 8.77 %), seguido de
Antioquia (4524,2 cal/g a 4250,7 cal/g, 6.05 %) y del Valle (5637,7 a
5322,7 cal/g, 5.59 %); por tanto, el carbón del Valle es el que
presenta el mejor comportamiento, además de tener un menor costo
comparado con los carbones de Cundinamarca y Antioquia (Carbones y
Suministros, 2005; Prominas, 2005).
Relación molar Hidrógeno/Carbono (H/C)
Se calcula a partir del análisis elemental así:
Los resultados obtenidos de la relación H/C a partir del
análisis elemental son los siguientes:
RELACIÓN H/C
Figura 4. Relación H/C
Y el análisis de varianza es el siguiente:
Tabla 4. Análisis de Varianza.
La comparación de F y F* obtenidos en el análisis
de varianza muestra que sólo hay efecto por el factor de
origen mas no por la adición de lodo.
En la Figura 4 se muestra el comportamiento de los tres carbones como
función del porcentaje de lodo. Se aprecian las
diferencias entre los tres orígenes donde el que presenta la
mayor relación H/C es el de Antioquia (varía entre 1.09 y
1.11), seguido del de Cundinamarca (varía entre 0,90 y
0,97) y Valle (varía entre 0,80 y 0,90) que presentan
similar comportamiento, además de la poca variación
asociada a la adición de lodo, mostrando total coherencia
con el análisis de varianza.
Esto evidencia cómo la adición del lodo no afecta la
relación molar H/C para los diferentes carbones estudiados.
4. CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
.
El porcentaje de lodo en las mezclas de estudio no afecta el
comportamiento del carbón; las diferencias encontradas en los
diferentes tratamientos obedecen al factor de origen. Esto es
corroborado cuantitativamente en el análisis de varianza
de los diferentes parámetros y cualitativamente en la
termogravimetría.
. El factor de
porcentaje
de lodos empleados en las mezclas de interés no es significativo
para: la energías de activación, la relación molar
H/C, y las temperaturas características. Y, aunque es
significativa para el poder calorífico, es mucho menor el efecto
que el obtenido por el factor de origen; lo anterior muestra que la
adición de porcentajes pequeños de lodo deshidratado al
carbón ( menor que el 9 %) no genera modificación en el
comportamiento del carbón. Tambien se pudo determinar que el
carbón que presenta el mejor comportamiento es el del Valle pues
al mezclarse con el lodo experimenta el menor porcentaje de
disminución en su poder calorífico, además de
presentar un menor costo.
. En los escenarios
actual
y futuro, la producción de lodos en la PTAR
Cañaveralejo no modifica el comportamiento del
carbón al adicionar lodo en los porcentajes estudiados.
. Tambien se
recomienda
estudiar los índices de Fouling y Slagging, ya que la
composición química de las cenizas del
biosólido puede afectar las temperaturas de fusibilidad,
tal como lo reportan en la literaura Davidson (1999) y Pronobis (2005).
Además, aunque el porcentaje de lodo en las mezclas es
pequeño, éste puede disminuir las temperaturas de
fusibilidad, tal como lo muestran Probst y Wehland (1995).
. Finalmente, se deben
realizar los ensayos y el estudio a nivel de planta piloto,
en el cual se evalúen los diferentes factores
macroscópicos que afectan la combustión, y de estudiar
los potenciales usos de las cenizas.
5. REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
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dried sewage sludge in coal-fired power plant. In: APAS Clean Coal
Technology programe 1992-1994. Volume II: Combined Combustion of
biomasa/sewage sludge and coals,18pp, paper B20, Stuttgart, Germany.
Cumming, J. (1984).Reactivity assessment
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coals via a weighted mean activation energy. Fuel, Vol 63, p.1436-1440.
Folgueras, M.; Díaz, M.; Xiberta,
J.
(2003). Thermogravimetric analysis of the co-combustion of coal
and sewage sludge. Fuel, Vol 82, p 2051-2055.
Fisher, R.(1989). Estatistical Methods
for
Research Workers, 10a.ed. Edinburgo.
Mesa, E. (1999). Diseño de
experimentos. Capítulo 2, Universidad del Valle, Facultad de
Ingenierías, Cali, Colombia.
Moreno, J., Ospina, G.
(2003).Normatividad y
caracterización de lodos y biosólidos generados en la
PTAR: caso PTAR Cañaveralejo. Universidad del Valle. Facultad de
ingeniería. EIDENAR. Ingeniería sanitaria. Santiago de
Cali.
Morgan, D., Van Kamp, W.
(1995).
The co-firing of bituminous coals with municipal sewage sluge for
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Pronobis, M. (2005). Evaluation of the
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Snedecor, G, (1986). “Statistical
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ed”, The collegiate, Ames, Lowa.
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Facultad
de
Ingeniería - Escuela de Ingeniería de los Recursos
Naturales y del Ambiente EIDENAR
c.e.: eidenar@univalle.edu.co
Telefax: +57 2 3212153 - +57 2 3212159
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