El metodo PASSAVANT de secado de fango solar

Green House
  • Osvaldo Garanto : Passavant España S.A.U. Avinguda de la Generalitat 216 2ª planta. 08174 Sant Cugat del Vallès (Barcelona)
  • Richard Zizmann : Passavant Geiger GmbH. Passavant Geiger Straße, 1. 65326 Aarbergen (Germany)
  • Hartmut WichtRoediger Bioenergie GmbH. Kinzigheimer Weg, 106. 63450 Hanau (Germany)
  • Dirk Fassbender : Passavant Geiger GmbH. Passavant Geiger Straße, 1. 65326 Aarbergen (Germany)
 
1 Introducción

Uno de los mayores problemas en el tratamiento de las aguas residuales siempre fue la respuesta a la pregunta: “¿Qué se puede/debe hacer con el fango residual resultante?”

En sus inicios, la aplicación más inmediata fue el uso de los mismos como aplicación agrícola, pasando a ser esparcidos por grandes superficies de terreno, situación esta que en los últimos años ha cambiado radicalmente, pasando a desestimarse en amplias zonas su utilización e incluso a prohibirse su aplicación, pues en amplias áreas se ha detectado una sobresaturación de los niveles de nutrientes existentes en dichos terrenos, llegándose a catalogar las diferentes áreas en base a su sensibilidad y prohibiéndose el aporte indiscriminado de cargas, debiéndose de hacer un estudio en función de la demanda agronómica según los cultivos existentes y en consecuencia, determinarse el aporte máximo de cada uno de los distintos residuos que se puede realizar, ya sean, fangos de depuradora, purines u otros.

El uso pues del fango residual como un fertilizante en la agricultura es el único uso en el que el fango tiene un valor como fuente de aportación de nitrógeno y fósforo, pero a su vez, también hay otros contaminantes presentes en el fango que a través de dicha aplicación pueden entrar en la cadena alimenticia, por lo que si a la presencia de excedentes de nutrientes también le añadimos esta última consideración, parece claro que la cantidad de fango que puede ser destinado a aplicación agrícola es limitada.

En este artículo, se pretende presentarles un nuevo concepto, un nuevo sistema de tratamiento y una nueva visión con respecto al fango residual, que es “El fango residual como un recurso de energía renovable”.

 

En el año 2005, PASSAVANT compró una patente de una tecnología simple que permitía con un coste eficiente la transformación del fango residual deshidratado en un recurso energético.

 

2 Evolución en las tecnologías para el secado térmico de fangos

 

La producción de materia seca en una Estación Depuradora de Aguas Residuales, dependiendo de la tecnología de tratamiento, por habitante y día puede variar entre 50 y 70g MS/hab*d. Generalmente, entre el 50 y el 70% de esta materia seca es orgánica, siendo entre el 30% al 50% restante inorgánica.

Considerando una población total, como en el caso de Alemania, de entre 80 y 82 millones de habitantes, significa una producción de materia seca de aproximadamente 4.800 Tn MS/d, lo que equivale a 1,75 MTn MS/año.

El fango obtenido en los procesos comunes de deshidratación contiene mayoritariamente agua, siendo su porcentaje alrededor del 75%, lo que equivale a un 25% de contenido en materia seca.

Considerando este 25% de sequedad en el fango deshidratado, la producción de fango es de 7 MTn fango/año.

Los costes de aplicación agrícola pueden variar mucho dependiendo de la disponibilidad de terreno:
   - También en Alemania por ejemplo, el coste en el norte del país, con aprovechamiento principalmente agrícola, puede variar entre los 10 y 15€/Tn.
   - En cambio, en el sur, en donde el uso está muy restringido, el coste está entre 40 y 60€/Tn.

Una de las alternativas para reducir el coste de la aplicación de los fangos residuales, es la reducción de la cantidad de masa, por lo que básicamente se trata de reducir el contenido en agua.

Los sistemas mecánicos más comunes, son los filtros de bandas, filtros prensa y las centrífugas, con los que se puede obtener valores de sequedad de entre el 18% hasta un 25% por término medio, dependiendo tanto del sistema empleado como de las características del fango y sin considerar la adición de cal en el caso de filtros prensa.

Tomando un valor del 25% como contenido de materia seca, del contenido de energía del fango deshidratado puede hacerse un balance:

Si el fango con este contenido de agua (75%) es incinerado, la energía que puede obtenerse al quemarse los componentes orgánicos, es prácticamente la misma que sería necesaria para la evaporación del agua acompañante.

La reducción adicional del contenido en agua, sólo es posible mediante un secado del fango. La ventaja del secado del fango, es que no únicamente la masa es reducida significativamente, sino que también para un 90% de materia seca, el poder calorífico se incrementa hasta unos 10 MJ/Kg.

Si comparamos el poder calorífico del fango residual seco con el de otros recursos energéticos, se observa que el fango residual seco puede ser una fuente de energía alternativa atractiva.

La madera seca, presenta un poder calorífico de unos 15 MJ/Kg, el carbón negro (hulla) sobre los 30MJ/kg y el carbón marrón (lignita) un valor similar al del fango residual, entre 10 y 15 MJ/Kg, dependiendo de su calidad.

Por tanto, el fango residual, secado hasta un 90% de contenido en materia seca, no es un residuo, sino una energía alternativa interesante.

En otras palabras, 3 Tn de fango residual seco puede substituir 1 Tn de carbón mineral.

Además, como el fango residual tiene su origen en productos básicamente procedentes de la alimentación, la agricultura o similares, es también una fuente de energía renovable y de emisión de dióxido de carbono neutral.

En consecuencia, el uso del fango seco como substituto del carbón, reduce no sólo el consumo de energía primaria, sino que también evita las emisiones de CO2 procedente de productos fósiles.

Tanto las plantas de quemado de carbón como también las de cemento, ya tienen en su haber la tecnología para el uso de fango residual, siendo necesarios unos cambios mínimos.

Las cementeras además, tienen la ventaja de que no solamente la porción de materia orgánica se usa como combustible, sino que también la parte mineral necesaria en el cemento clinker.

Las cementeras, ya han observado que el fango residual seco es una vía importante que les puede permitir reducir sus costes, a la vez que mejorar su balance medioambiental, siempre que dicho fango sea de una calidad correcta, es decir, con al menos una sequedad del 90% en materia seca.

En los años 90, Passavant Roediger ya había construido plantas de secado de fangos. En la fotografía puede apreciarse un tambor de secado a alta temperatura, instalado en una planta construida en Suiza.

 
Fig nº.1: Tambor de secado a alta temperatura de Roediger

El mayor problema de estas plantas es su complejidad. Dado que trabajan a elevadas temperaturas, debe de evitarse la auto ignición, por lo que se requiere la ausencia de oxígeno en el tambor de secado, lo cual, es difícil de mantener.

El tratamiento de los gases es muy exhaustivo y debe de hacerse manteniéndolos calientes. Los condensados que se producen deben eliminarse del sistema y tratarse. Todo ello contribuye a que este sistema de secado de fangos sea muy caro.

Sólo 3 instalaciones fueron ejecutadas por Passavant Rodiger hasta 1995, momento en que el mercado perdió su interés por los elevados costes y los problemas operacionales.

La ventaja en un proceso de secado térmico a alta temperatura, es el elevado porcentaje de materia seca en los fangos de salida, la elevada capacidad de almacenaje y la baja superficie necesaria para su instalación.

Por otro lado en cambio, el secado térmico a alta temperatura, es de una elevada complejidad, requiere también de una elevada inversión y de una alta demanda de combustibles fósiles. Como resultado de ello, el coste específico del secado de fango mediante este sistema es muy elevado.

Después de que el mercado se percató de que el secado térmico de fangos era complicado y demasiado caro, se desarrollo una nueva tecnología totalmente opuesta: El secado de fangos solar.

Estos sistemas, consisten más o menos en lo denominado una “casa verde o green house” hasta la que se transporta el fango deshidratado.

Dependiendo de las condiciones ambientales, era necesario entre 2 y 4 meses para la eliminación del contenido de agua en el fango. Debido a este largo periodo de almacenaje, estos primeros sistemas de secado solar se ganaron la reputación de desarrollar malos olores, a la vez que sólo permitían obtener bajos resultados, con un máximo del 70% de materia seca.

La ventaja era el bajo coste de inversión y de explotación, además de no ser necesaria aportación alguna de combustibles fósiles. Además del problema de olores y del bajo rendimiento, este tipo de secados requería de una gran superficie.

 

3 El secado de fango solar

 

El principal objetivo en el desarrollo del nuevo sistema de secado fue ante todo la optimización del coste. Generalmente, el coste de cada sistema de secado depende del coste inicial de inversión y de los costes de operación y mantenimiento. Para obtener un bajo coste en el secado del fango, los dos términos anteriores deben ser minimizados.

Para minimizar el coste de inversión es importante el disponer de una tecnología simple, lo que significa el desarrollo de un proceso de secado a baja temperatura, con el que ya no se requiere ningún sistema de protección contra la auto ignición ni tampoco de ningún tratamiento exhaustivo para el gas.

Con el fin de lograr un bajo coste de operación y un fácil mantenimiento, también se necesita de una tecnología sencilla, tal que a su vez requiera del uso de recursos energéticos residuales o libres de uso.

Las legislaciones de cada país también han tomado cartas en el asunto, de forma que por ejemplo, en Alemania la ley garantiza para plantas de producción de biogás a partir de residuos agrícolas un precio mínimo para la energía eléctrica generada por las mismas en función de la tecnología empleada.

De esta forma, tienen una tarifa base de 9,9 c€/Kwh y una prima adicional de 6c€ si sólo usan recursos renovables procedentes de la agricultura.

Además también consiguen otra prima adicional, la denominada KWK (Combined Heat and Power Bonus), en el caso de que no sólo produzcan energía eléctrica sino que además aprovechen la energía calorífica generada.

Evidentemente, el calor generado puede servir para la calefacción de la propia granja, establos u otros, aunque en todos los casos el calor sólo será aprovechado en invierno, mientras que en verano probablemente se pierda esta prima.

Los explotadores de las plantas, en estas épocas del año sobretodo, y en líneas generales, buscan consumidores que requieran aportes de calor a lo largo de todo el año con el fin de mejorar su aprovechamiento.

En el año 2.000, cerca de 1.000 plantas de biogás producían cerca de 50MW. Tres años después, este número casi se había duplicado y la capacidad de producción se elevaba por encima de 250 MW.

En el año 2006, en Alemania había 3.500 plantas con una capacidad de generación de electricidad de 1.000MW. La capacidad total de generación se estimaba en 9.500MW.

En el año 2006, menos del 20% de las plantas de biogás usaban la producción de energía calorífica.

Esto significa que el calor residual procedente de las plantas de biogás está disponible en casi todas las plantas de Alemania. En España, puede considerarse este mismo símil, pues habitualmente, sólo una parte del gas producido se reutiliza para el mantenimiento de la temperatura en el digestor.

La idea principal de los nuevos sistemas de secado de fangos era utilizar el calor procedente de los sistemas de refrigeración del agua de las plantas de biogás agrícola., el cual era un calor residual y se había obtenido mediante recursos renovables.

Con el fin de obtener menores costes de inversión, era necesario disponer de una tecnología lo más simple posible.

Por tanto, en vez de tratar el olor generado en las plantas mencionadas anteriormente, lo que se debía hacer era evitar la formación de olores desde el principio.

Para que la nueva tecnología fuese aceptada, el sistema de tratamiento debía ser higiénico, libre de contacto y automático.

El producto final debía de tener un contenido en materia seca del 90% para poder ser usado, por ejemplo, en las cementeras.

Todos estos requisitos, confluyeron en la idea de construir un sistema de secado solar avanzado, el cual, en función de su ubicación geográfica, el único aporte de energía fuera la solar o que en caso de necesidad se pudiese complementar con otros tipos de aporte de energías para el secado, pero siempre bajo la condición de que estas energías fueran energías residuales o excedentarias de otros procesos y hubiesen sido obtenidas mediante el uso de recursos renovables, como en el caso del aporte de calor residual procedente de las plantas con digestión anaerobia de fangos.

 

4 Descripción del proceso

 

El fango deshidratado obtenido de la planta origen es transportado y almacenado en un tanque pulmón tal que garantice una alimentación constante del sistema de secado, con una capacidad de entre 5 y 10 días, con el fin de poder cubrir la falta de recepción de producto durante periodos festivos largos. (Ver Fig 2 y 3).

>

 
Fig nº2: Diagrama de flujo esquemático

>

 
Fig nº3: Vista exterior “Green House” y principales componentes de recepción y almacenamiento final

El sistema de secado en sí mismo consiste en lo que se ha denominado una “greenhouse”, equipada con un sistema automático de transporte y volteo del fango y con una instalación opcional de tierra caliente alimentada con agua entre 60 y 90ºC procedente de la refrigeración de una unidad de cogeneración. (Combined Heating Power Unit).

 
Fig nº4: Tanque de recepción y pulmón equipado con suelo deslizante para la alimentación a planta

El agua evaporada abandona el edificio a través de las aperturas existentes en las paredes laterales, o en el tejado. Actualmente se dispone de sistemas de apertura en las paredes laterales así como de un sistema de ventilación forzada tal que permite la evacuación del aire en función de los niveles de humedad relativa del mismo, de manera que se evita la condensación de agua en el interior.

En el caso de España, se estima que no debería ser necesario implementar el aporte de energía solar con el de energía térmica residual o excedentaria procedente de otras instalaciones auxiliares existentes en el complejo industrial, aunque el diseño del sistema, en previsión de su posible uso, así lo contempla, como es el caso del sistema de tierra caliente mencionado anteriormente.

 
Fig nº5: Volteadores interiores

En países como Alemania, en donde el potencial de evaporación es inferior, la energía solar se puede combinar a veces con otras energías térmicas residuales de que se pueda disponer, pero siempre que se cumpla con la condición de que se trata de una energía térmica residual o excedentaria.

El fango con un contenido en materia seca del 90% se recoge al final del recorrido mediante una cinta transportadora o de canjilones y se almacena en un silo.

El producto final es lo que la industria cementera necesita, es decir, un combustible granulado con un contenido en materia seca igual o mayor al 90% y con un tamaño de partícula de aproximadamente 8mm, y un poder calorífico de 10 MJ/kg.

La patente de este sistema fue comprada en el año 2.005. Ese mismo año, Passavant consiguió su primer contrato y empezó a construir su primera planta, la cual, en este momento está en funcionamiento.

Actualmente hay 4 proyectos en ejecución y varias plantas en funcionamiento.

La industria cementera tiene una demanda de fango seco mayor a la existente en el mercado.

 

5 Ventajas e Inconvenientes del secado de fangos solar

 


Ventajas:

    1.   1.- Obtención de un 90% de materia seca usando únicamente la energía solar, pudiéndose usar otras energías térmicas residuales o excedentarias en caso de estar disponibles.

 

    1.   2.- El nuevo diseño permite un funcionamiento en continuo, completamente automático, libre de contacto con las personas.

 

    1.   3.- Gracias a la fina capa de fangos y al volteo constante de la misma, se consigue aumentar la superficie de contacto con lo que se incrementa la capacidad de evaporación.

 

    1.   4.- Bajo consumo eléctrico, alrededor de 25 Kwh/Tn agua evaporada.

 

    1.   5.- Bajo mantenimiento.

 

Inconvenientes: 
  1.- Elevada superficie requerida