Incineracion - Xavier Elias

Xavier Elías

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1ª PARTE: TIPOS DE HORNOS. DIMENSIONADO Y

MANTENIMIENTO. CHIMENEAS. ESCORIAS Y CENIZAS VOLANTES.

EMISIONES CONTAMINANTES

LA INCINERACIÓN DE RESIDUOS Y SU

ADECUACIÓN A LA RESOLUCIÓN 0058.

Por

Xavier Elias Director de la Bolsa de Subproductos de

Cataluña.

Bogotá. Agosto de 2003

INCINERACIÓN DE RESIDUOS. Capitulo 1

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Tema 1. TIPOS DE HORNOS. DIMENSIONADO Y MANTENIMIENTO. CHIMENEAS. ESCORIAS Y CENIZAS VOLANTES. EMISIONES CONTAMINANTES.

Índice:

HORNOS PARA INCINERACIÓN......................................................................................................................3

GENERALIDADES. HORNOS PARA INCIERACION DE SOLIDOS............................................................. 3

PRINCIPALES TIPOS DE HORNOS..................................................................................................................4

HORNOS DE SOLERA FIJA .............................................................................................................................. 4 LOS HORNOS DE PARRILLAS......................................................................................................................... 5 EL HORNO DE LECHO FLUIDIZADO ............................................................................................................. 6 EL HORNO ROTATORIO .................................................................................................................................. 7 IDONEIDAD DE LOS DIVERSOS HORNOS.................................................................................................... 8 HORNOS CREMATORIOS................................................................................................................................. 9

FUNCIONAMIENTO CADENCIA DEL CARGUE.........................................................................................10

PROCESO CONTINUO O INTERMITENTE................................................................................................... 11 CONCEPTO DE INERCIA TÉRMICA ............................................................................................................. 12

BALANCE DE EMISIONES GASEOSAS.........................................................................................................13

LOS LÍMITES DE EMISIÓN ............................................................................................................................ 14

LA CHIMENEA ...................................................................................................................................................15

ÁBACO PARA EL CÁLCULO DE LA ALTURA ............................................................................................ 16

VALORIZACIÓN DE ESCORIAS DE RSU......................................................................................................17

INERTIZACIÓN DE ESCORIAS DE INCINERADORAS DE RSU................................................................ 18 USO A GRANEL DE ESCORIAS DE INCINERACIÓN DE RSU .................................................................. 19 RECICLAJE DE CENIZAS VOLANTES DE RSU EN MATRIZ DE CEMENTO.......................................... 20 HORMIGONES CELULARES CON CENIZAS VOLANTES DE RSU .......................................................... 21 VITRIFICACION DE CENIZAS VOLANTES DE INCINERADORAS DE RSU........................................... 22

EMISIONES GASEOSAS CONTAMINANTES ...............................................................................................23

LOS LÍMITES DE EMISIÓN ............................................................................................................................ 24 CARACTERIZACIÓN Y DESTINO DE LAS EMISIONES ............................................................................ 25 LA ADSORCIÓN............................................................................................................................................... 26 EL PROBLEMA DEL CLORO.......................................................................................................................... 27 EFECTOS DE LA EMISIÓN DE METALES ................................................................................................... 28

FORMACIÓN DE DIOXINAS Y FURANOS....................................................................................................29

EFECTOS Y DESTINO DE DIOXINAS Y FURANOS.................................................................................... 30 POSIBLES VÍAS DE EXPOSICIÓN A EMISIONES DE PCDD’S .................................................................. 31 PRESENCIA DE DIOXINAS Y FURANOS ..................................................................................................... 32 RIESGO DE LAS PCDD’S PARA LA SALUD ................................................................................................. 33 EL INVENTARIO ALEMAN DE PCDD’S ....................................................................................................... 34 TOXICIDAD DE COMPUESTOS RELACIONADOS CON LOS PCDD’S..................................................... 35

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HORNOS PARA INCINERACIÓN

GENERALIDADES. HORNOS PARA INCIERACION DE SOLIDOS La figura corresponde a una planta incineradora de residuos urbanos. Una de las particularidades de este tipo de residuos es que son heterogéneos, por tanto hay que vigilar la carga de alimentación “menú”.

El resto de la instalación se compone de: • Una cámara de postcombustión de ejecución horizontal. • Sistema enfriador de gases de combustión. • Reactor de neutralización de gases ácidos por vía semiseca. En esta parte también

existe la inyección de carbón activo para el abatimiento de metales y restos de compuestos orgánicos organoclorados.

Aire primario

Aire secundario

HORNO

CAMARA OXIDACIÓN

CAMARA POSTCOMBUSTIÓN CALDERA


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PRINCIPALES TIPOS DE HORNOS

HORNOS DE SOLERA FIJA

Se trata de un tipo de horno semicontinuo, en desuso en Europa pero, en funcionamiento en diversos países de América, incluyendo los EE.UU. El cargue se realiza abriendo la puerta de alimentación e introduciendo el residuo.

La temperatura de trabajo del horno debe ser, en teoría sobre los 850ºC. Se

trata de una temperatura muy elevada para que el operario este constantemente introduciendo la carga (trabajo fatigoso y riesgoso). Por ello no se hace de manera continua y el horno se alimenta discontinuamente. El cargue debería ser de funcionamiento continuo.

Algunos modelos de horno no disponen de entrada de aire primario de combustión. La resolución exige que la aportación de aire primario sea independiente.

El equipo de combustión, por lo general, esta sobredimensionado. Es decir los

quemadores son capaces de desarrollar una gran potencia. De hecho estos quemadores están previstos (o deberían estar diseñados) tan solo para la puesta en marcha y calentamiento de la masa de refractario del horno hasta alcanzar la temperatura que permita la entrada del residuo, 850ºC. Mas adelante, en situación de funcionamiento al régimen nominal, sirven como elemento de seguridad para encenderse, de manera automática, cuando por el motivo que sea, la temperatura del horno desciende por debajo del valor de consigna de 850 ºC.

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LOS HORNOS DE PARRILLAS Tradicionalmente los RSU o asimilables se han quemado en hornos provistos con parrillas. De estas existen muchos tipos pero, en líneas generales se pueden clasificar en: Parrillas fijas o móviles y rodillos. El dibujo reproduce la forma de una parrilla donde se observa la inyección de aire primario entre las parrillas. El aire secundario se inyecta en la cámara de oxidación situada inmediatamente por encima el horno.

La ventaja de este sistema es que admite la carga del “todo uno”, no obstante ello se lleva a cabo en base al empleo de unas parrillas metálicas que, obviamente tienen un mantenimiento y unas limitaciones. Por ejemplo: una carga térmica del orden de 0,18-0,36 t/m2h , o 0,5-1,0 Mw/m2. Los problemas derivados de esta configuración se intentan soslayar con un diseño de una cámara de oxidación que facilite la evacuación de los gases hacia la cámara de postcombustión. La foto inferior muestra el interior del horno.


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EL HORNO DE LECHO FLUIDIZADO Este tipo de horno ha sido concebido para el tratamiento de materiales conflictivos, PCI bajo o diferencias de tamaño en el combustible y/o en la alimentación. El principio de funcionamiento estriba en la gran transferencia de calor que se lleva a cabo desde las partículas de refractario que constituyen el lecho que se mantiene en constante agitación, gracias al caudal de fluidificación. La alimentación se realiza por la parte central del lecho. En función del diseño y del tipo de horno (burbujeante o circulante) el arrastre de material será más o menos intenso. En cualquier caso las partículas serán recogidas en un ciclón. Desde el punto de vista técnico las ventajas que aporta el lecho fluidizado en comparación con el convencional pueden sintetizarse en:

- Requiere un menor exceso de aire con lo que el rendimiento de la combustión será mayor.

- Puede trabajar a temperaturas menores con lo que se evita la fusión parcial de las escorias del combustible en el seno del lecho.

- Las instalaciones son más compactas. - Posibilidad de introducir catalizadores en el lecho.

Pero desde la óptica medioambiental las ventajas son, si cabe, más importantes:

- Posibilidad de usar mezclas heterogéneas de combustibles, siendo el estado físico de alguno de ellos difícil (fangos).

- Minimización de las emisiones de SO2 por adición de reactivos en el propio lecho (carbonatos).

- Reducción de los niveles de NOx al trabajar a menores niveles térmicos y excesos de aire más reducidos.

- Aumento del tiempo de residencia.

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EL HORNO ROTATORIO

Es la modalidad de horno que suele usarse para la incineración de residuos industriales, cárnicos o bien cuando se trata de incinerar mezclas de residuos con PCI no bien definidos.

Esencialmente consta de un cilindro con revestimiento de material cerámico en

su interior, que va girando a una velocidad variable y montado también en una inclinación que permite regular el tiempo de residencia de los sólidos.

Las principales características diferenciales son:

• La carga suele ocupar el 20% del volumen. • Permite variar la inclinación y velocidad y con ello el tiempo de permanencia de los

sólidos (por lo general las escorias son de muy buena calidad). • No hay partes metálicas, lo que equivale a decir que no existe limitación de

temperatura de trabajo. • Puede trabajar con cualquier cantidad de aire. Por lo general en el horno se

adiciona el aire estequiométrico y el exceso se lleva a cabo en la cámara de oxidación.

• Arrastre de partículas reducido. Ello depende de la relación longitud/diámetro. • Posibilidad de inyectar aire caliente. • Tratar cualquier tipo de residuo.


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IDONEIDAD DE LOS DIVERSOS HORNOS La tabla siguiente indica la idoneidad de los diversos tipos expuestos, de acuerdo con los tipos de residuos a incinerar.

La resolución 0058 hace referencia a residuos en general, sin especificar

diferencias entre residuos peligrosos y no peligrosos, y cita los residuos urbanos, tóxicos y hospitalarios, todos ellos bajo las mismas especificaciones de incineración. En la tabla siguiente se reproduce la tabla clasificadora de hornos que propugna el “Incinerator Institute of America..

Tipo de residuo Rotativo Vertical L.fluidizado Parrillas

Granular, homogéneo x x xIrregular x XSólido bajo punto fusión x x xOrgánicos con cenizas fundibles x XA granel voluminoso XVapores orgánicos X x x xLíquidos orgánicos x XFangos con carga halogenada x xFangos orgánicos x x

Tipo

Caracterización

Kg/m3

PCI (Kcal/kg)

1

Basura, papel, madera, virutas, plástico (hasta 10%).

150

3.850

2

Papel, madera, virutas, hasta 20% fermentables y sin plásticos.

150

3.000

3 Mezcla (aproximadamente RSU) 300 2.000

4

Patológicos, restos humanos y animales.

500

1.150

5 Gaseosos, líquidos y/o fangos. 750 500

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HORNOS CREMATORIOS Desde el punto de vista técnico los hornos crematorios no deben diferenciarse de los hornos industriales.

Antes de introducir la caja, la primera cámara debe de estar a un mínimo de

600ºC. En la segunda cámara se exige una temperatura de 850ºC y un tiempo de residencia de 2 segundos (este es un factor primordial en estas instalaciones).

En la legislación europea se exige una altura mínima de chimenea de 3m por

encima la máxima altura del edificio. La velocidad de salida de los gases ha de ser, como mínimo de 15 m/s.

Por lo general la operación se demora de 100 a 120 minutos, mientras el

tiempo de consumo de gas es de 60-70 min. Durante los 30 primeros minutos se consume el 75% en peso de ataúd (peso medio 30 kg y 4.000 Kcal/kg) y el 50% del cuerpo (con un PCI de 1.500 Kcal/kg). Estos datos son importantes para el diseño de la cámara de postcombustión.

CAMARA PRIMARIA

CAMARA SECUNDARIA

Aire ºC O2

Quemador


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FUNCIONAMIENTO CADENCIA DEL CARGUE.

Si mi es la masa de los diversos residuos a incinerar y PCIi la potencia calorífica útil de cada residuo, la capacidad energética (Q) de la instalación se calcula según la ecuación:

Σ mi · PCIi = Q (kcal/h)

A partir de esta relación se debe confeccionar el menú de residuos que debe alimentar el horno. Es sumamente importante tener en cuenta el menú de residuos y el cargue conjuntamente, ya que una buena selección de residuos sin solventar una cadencia adecuada de carga no permite aprovechar de manera óptima las características del horno. Para ilustrar la importancia de la alimentación del horno, se propone un ejemplo sencillo:

Supóngase un horno que trata 100kg/h de papel de PCI = 4.000 kcal/kg, la energía teórica es de :

Q = 100 kg/h x 4.000 kcal/kg = 400.000 kcal/h

Si el cargue es regular, da lugar a aproximadamente 500 kg/h de gases de combustión. En cambio, si el cargue es cada 20 minutos y se hace la hipótesis de que el combustible se consume en 15 minutos, se deduce que durante los 30 min. de quema la generación de los gases será:

500 kg x 1/0,5 h = 1.000kg/h

es decir, un caudal de humos aproximado al doble del caudal teórico, mientras que el resto del tiempo no se emiten gases.

Esto generaría una situación en la que la cámara de postcombustión, y el hipotético sistema de lavado de gases, estaría infradimensionado unas veces y sobredimensionado el resto del tiempo.

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PROCESO CONTINUO O INTERMITENTE

Con frecuencia surge la pregunta de que si para llevar a cabo la incineración de pequeñas partidas de residuos (por ejemplo, cantidades inferiores a 100 kg/h) fuese suficiente un horno intermitente, como el que se halla fotografiado.

En esencia un horno discontinuo (o “batch”) es aquel que partiendo del horno

frío se encienden los quemadores hasta que alcanza la temperatura que la ley permite para la introducción de los residuos. Cuando ha transcurrido el tiempo, se deja enfriar, se extraen las escorias y se inicia un nuevo ciclo.

En contraposición, un horno continuo es aquel que siempre se halla a régimen, nunca se para y, por tanto presenta unas ventajas evidentes como: • Garantiza la temperatura constante de las paredes. La inercia térmica de las

paredes juega un papel sobresaliente. • Facilita la extracción, en continuo de la escoria.


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CONCEPTO DE INERCIA TÉRMICA La geometría del horno así como las irregularidades en el poder calorífico provocan serias distorsiones en la distribución de las temperaturas que, a su vez, se traducen en un mal rendimiento y en una insuficiente calidad de la destrucción térmica. Para paliar estos defectos es preciso que el horno disponga de una masa térmica importante que actúe como termoreguladora para absorber estas deficiencias. Esta elevada masa a alta temperatura es lo que se conoce como inercia térmica. A título ilustrativo la parte superior de la figura izquierda reproduce la sección de un “horno lleno”, que corresponde a un horno túnel de cocción de cerámica. Es fácil adivinar que la gran masa a elevada temperatura puede absorber variaciones en la transferencia de calor y ello coadyuva a homogeneizar las temperaturas.

El dibujo inferior, de la parte izquierda, representa la sección de un horno rotatorio donde la masa del refractario y carga ocupan un volumen pequeño respecto al espacio vacío “horno vacío”. En él cualquier anomalía en el régimen de funcionamiento se traducirá en una mala isotermia. A este modelo de cámara de combustión corresponde la figura de la derecha, que reproduce una solera de un horno de incineración de RSU.

“Horno vacío”

“Horno lleno”

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BALANCE DE EMISIONES GASEOSAS La figura expone el tamaño relativo de los agentes contaminantes presentes en los gases de combustión procedentes de la incineración de residuos. El combustible (RSU) se combina con el aire, libera energía y genera, básicamente, dos tipos de residuos:

- los sólidos (cenizas y escorias) - los gaseosos (o contenidos en los gases)

Estos últimos son los responsables de las emisiones y, si estas superan los estándares establecidos por la legislación vigente, es preciso instalar los equipos de lavado y filtraje.

El diagrama de Shankey de la figura inferior demuestra que la mayor cantidad de residuos que produce una incineradora es en forma de emisiones gaseosas (77%), que se componen de gases y vapor de agua. Si el balance incorpora la masa de aire, las emisiones pueden superar el 95%.


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LOS LÍMITES DE EMISIÓN Los límites de emisión de contaminantes dependen, obviamente de cada país o estado cuyas autoridades sean competentes en la materia. Por lo general la legislación distingue entre residuos sólidos urbanos y residuos industriales, siendo mas estricta en estos últimos. En el caso de Cataluña, la emisión esta regulada por el decreto 323/1994. La tabla siguiente expone estos límites. Tipo RSU o asimilables RSU o asimilables RSU o asimilables Peligrosos Capacidad < 1 t/h 1 a 3 t/h > 3 t/h - Partículas totales 200 100 30 10 HCl 250 100 50 10 HF - 4 2 1 CO 100 100 100 50 C orgánico total 20 20 20 10 Pb+Cr+Cu+Mn - 5 5 0,5 Ni+As - 1 1 1 Cd+Hg - 0,2 0,2 - Cd+Tl - - - 0,05 Hg - - - 0,05 SOx - 300 300 300 NOx - 300 300 Dioxinas + Furanos - 1.10-7 1.10-7 Todos los valores están expresados en mg/Nm3 y referidos a T= 273 ºK. P= 101,3 Kpa. y 11% de O2. Los Especiales corresponden a la Norma Europea UE 98. Las instalaciones de incineración están diseñadas para destruir el componente orgánico, ahora bien en muchas ocasiones junto al residuo entra compuesto inerte que, lógicamente no va a destruirse y, en todo caso se transforma o se emite con los gases, como acontece con los metales pesados. Otro tipo de compuesto se origina por una mala combustión, como es el caso del monóxido de carbono o parte del carbono total. Sin embargo hay otros, como el SOx que se emiten por oxidación de los compuestos sulfurosos. En general los gases ácidos, como el HCl, HF, así como el SOx anteriormente citado, se abaten con lechada de cal.

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LA CHIMENEA Es la parte de la instalación destinada a emitir los contaminantes a la atmósfera. Los factores mas importantes son: • Altura (reglamentaciones y consideraciones especificas técnicas). • Diámetro, temperatura y caudal. • Características de los contaminantes. • Niveles de inmisión deseados. • Contaminación de fondo de la zona. • Condiciones metereológicas del entorno. • Topografía del terreno. • Proximidad de núcleos urbanos o espacios naturales protegidos. La altura se calcula a partir de modelos para obtener la inmisión deseada. Datos de diseño, de acuerdo con la Resolución 0058 son: • Temperatura de emisión (ºC). • Caudal volumétrico V(Nm3/h). • Caudal másico Q(kg/h) para cada contaminante • Diámetro chimenea, para que v > 5 m/s Tabla de valores de S (mg/m3)

• Se calculan los parámetros Q/S • Se elige el máximo valor Q/S

0,0005 Cd

0,005 Hg (o Pb)

0,1 HCl

0,15 NOx

0,2 SO2

15 Monóxido de carbono

0,2 Partículas totales

mg/m3 Contaminante


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ÁBACO PARA EL CÁLCULO DE LA ALTURA

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VALORIZACIÓN DE ESCORIAS DE RSU El residuo sólidos resultante de la incineración de RSU, supone entre un 15 – 30% del material entrante en función de su caracterización. Las partidas básicas son las escorias: parte mayoritaria que se extraen por la parte inferior de la parrilla y las cenizas volantes que se recuperan en el electrofiltro o el filtro de mangas. De ellas las cenizas volantes se deben tratar y, por el momento no tienen vía de reciclaje. No obstante, las escorias si se pueden valorizar. La composición media de las escorias son: Óxido % SiO2 44,8 Al2O3 8,65 Fe2O3 6,50 TiO2 0,6 Mn3O4 0,3 CaO 13,3 MgO 1,6 Na2O 5,5 K2O 1,04 SO3 2,86 Pérdida al fuego 100,0 El acero se extrae fácilmente y el resto se usa, mayoritariamente, para confeccionar subbases de carretera y, a veces como árido para el hormigón. En Cataluña se criban y se usan para rellenar desmontes y para construir subbases de carreteras.


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INERTIZACIÓN DE ESCORIAS DE INCINERADORAS DE RSU Las escorias procedentes de la incineración de RSU (residuos sólidos urbanos), en particular las que proceden de hornos equipados con solera de parrilla se caracterizan por tener una carga orgánica considerable. A la vez, la escoria contiene ciertos metales pesados e incluso compuestos tóxicos que se han podido sintetizar en las zonas de baja temperatura próximas a la parrilla de combustión. Todo ello hace de que estas escorias tengan carácter especial y deban manipularse con precaución.

Su composición consta, mayoritariamente, de materias no combustibles presentes en los RSU como metales, vidrio, huesos, tierras y las propias cenizas de los materiales que han combustionado. Además, con demasiada frecuencia hay plásticos, papeles y los productos citados anteriormente que es lo que le confiere el carácter especial. Como indica el diagrama ternario de la figura la situación de las escorias es próxima a la de las arcillas por lo que su ceramización no presenta problemas especiales (hay que mencionar que la escoria que aparece en el diagrama es genérica, o sea que incluye también escorias metalúrgicas). Desde el punto de vista de proceso de valorización el problema más grave reside en la elevada humedad de la escoria como consecuencia del agua que se le añade a la salida del horno y la presencia de numerosos trozos de metal.

CenizasCenizasCenizasCenizas volantevolantevolantevolantessss

CaO

Arcillas

Escorias de RSU

Polvo de horno de cemento

C

A

B

A Ceniza volante de B Ceniza C Fango EDAR CPO Cemento Pórtland

Arcillas

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USO A GRANEL DE ESCORIAS DE INCINERACIÓN DE RSU En Alemania se usa casi el 50% de las escorias de incineración de RSU. En los Países Bajos (ahora están en el 60%) pretenden alcanzar el 80%, así como el 40% de las cenizas. En el caso de Cataluña, la Orden de 15/02/1996, autoriza el uso de estas escorias para rellenos, siempre y cuando se cumplan unas mínimas garantías que, básicamente hacen referencia a la proximidad a los cauces de agua.

El Articulo 9, en el caso de utilización como subbase de carretera, limita el espesor de la capa de escoria a 50 cm y si la carretera tiene una capa de asfalto en la superficie. La foto muestra la colocación de la capa de escorias para ejecutar la subbase de la carretera (medidas en mm)..

Otra aplicación consiste en el uso de estas escorias para el terraplenado. La

foto siguiente muestra una sección de esta aplicación.

50

120

250

300

Capa de rodadura de asfalto

Capa base de asfalto

Subbase de escorias

Subbase

Plataforma base


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RECICLAJE DE CENIZAS VOLANTES DE RSU EN MATRIZ DE CEMENTO Las cenizas volantes de las incineradoras de RSU (CV) se producen en el electrofiltro, como consecuencia de la deposición de material particulado y de restos de inquemados presentes en la corriente de gases. Otra tipología son los residuos de depuración de gases (RDG) que se recogen en los filtros de mangas como consecuencia del tratamiento de los gases de las incineradoras cuando estos son puestos en contacto con lechada de cal en un sistema de depuración de gases en semi seco. Las tablas siguientes reproducen un análisis químico típico: Ceniza volante (CV) Polvos de filtro (RDG) Elementos mayoritarios (%) Al2O3 12,7 7,1 P2O5 2,7 1,6 K2O 4,2 4,3 CaO 24,3 27,7 SiO2 18,7 15,0 TiO2 1,5 1,0 MnO 0,1 0,06 Fe2O3 1,6 1,5 MgO 2,6 1,9 Na2O 5,8 4,1 Cl 8,3 11,5 SO3 6,4 8,2 Elementos minoritarios (mg/kg) Cr 365 276 Zn 9.382 11.390 Pb 5.461 3.120 Ni 117 51,5 Ba 1.000 690 Cu 1.322 465 As <50 <50 Cd 150 150 Hg 0,3 2,8 Sobre las probetas realizadas en cemento Portland, se llega a la conclusión de que las hachas con CV retrasan considerablemente el fraguado (las CV inhiben la hidratación del cemento), mientras las RDG causan fenómenos de falso fraguado debido a la elevada cantidad de sulfatos. Estos fenómenos hacen inviables esta tecnología para el tratamiento de ambos residuos, pese a que no se presentan lixiviación de metales debido al fuerte pH alcalino. .

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HORMIGONES CELULARES CON CENIZAS VOLANTES DE RSU El hormigón celular, que en realidad debería llamarse mortero (puesto que no tiene áridos gruesos ni medios) es una mezcla de arena silícea finamente molturada (40%), cemento (9%), cal (9%), yeso (1,5%), polvo de aluminio (0,5%) y agua (40%). Una vez la mezcla ha fraguado se somete a un proceso de curado en un autoclave. Se caracteriza por una razonable resistencia a la compresión (entre 3 y 10 N/mm2), una reducida densidad (400 a 800 kg/m3) y elevada porosidad. Estas propiedades se consiguen mediante la reacción del aluminio con la cal, desprendiendo hidrógeno que genera un gran volumen de huecos. La foto reproduce una muestra de un bloque de hormigón celular.

Añadiendo cenizas volantes de incineración de RSU en detrimento de las cantidades de cemento y cal, se observa un efecto expansivo superior. Este efecto es debido a la presencia de las cenizas y el agua. Las cenizas volantes de incineradora de RSU a diferencia de las cenizas de centrales termoeléctricas no poseen carácter puzolánico, debido a que no tienen sílice reactiva. Por tanto el efecto de expansión deberá atribuirse a la reacción con el agua y a la formación de fases a base de aluminatos cálcicos hidratados. Cuando además de sustituir parte del cemento y cal por cenizas volantes, se sustituye una cantidad de arena se nota un incremento en la resistencia mecánica del hormigón celular. En cualquier caso no hay que olvidar que el aislamiento térmico (porosidad cerrada) y la resistencia mecánica son propiedades físicas contrapuestas, por lo que deberá llegarse a una composición de equilibrio. En pruebas experimentales llevadas a cabo se ha llegado a una incorporación del 30% de cenizas volantes en la formulación de estos materiales aislantes.


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VITRIFICACION DE CENIZAS VOLANTES DE INCINERADORAS DE RSU Las cenizas volantes de las plantas incineradoras de RSU son residuos especiales ya que se recogen en el electrofiltro y junto a ellas aparecen casi todos los metales pesados generados en la incineración de RSU. Además contienen sales solubles y una cantidad nada despreciable de dioxinas lo que acaba de complicar la situación frente a la lixiviación que sufrirá en el vertedero. Es por ello que algunos países ya han prohibido su vertido en cualquier tipo de vertedero y obligan a su vitrificación.

La ceniza volante tiene una composición rica en metales y sales solubles, fundentes, pero pobre en sílice (formador de vidrio) y alúmina. Por ello es preciso añadir parte de estos compuestos y trabajar a temperatura elevada. Previamente a la vitrificación la ceniza debe lavarse para eliminar los sales solubles. La figura muestra un esquema de vitrificación de cenizas volantes de RSU.

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EMISIONES GASEOSAS CONTAMINANTES La figura expone el tamaño relativo de los agentes contaminantes presentes en los gases de combustión procedentes de la incineración de residuos. El combustible (RSU) se combina con el aire, libera energía y genera, básicamente, dos tipos de residuos:

- Los sólidos (cenizas y escorias) - Los gaseosos (o contenidos en los gases)

Estos últimos son los responsables de las emisiones y, si estas superan los estándares establecidos por la legislación vigente, es preciso instalar los equipos de lavado y filtraje.

El diagrama de Shankey de la figura inferior demuestra que la mayor cantidad de residuos que produce una incineradora es en forma de emisiones gaseosas (77%), que se componen de gases y vapor de agua. Si el balance incorpora la masa de aire, las emisiones pueden superar el 95%.


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LOS LÍMITES DE EMISIÓN Los límites de emisión de contaminantes depende, obviamente de cada país o estado cuyas autoridades sean competentes en la materia. Por lo general la legislación distingue entre residuos sólidos urbanos y residuos industriales, siendo mas estricta en estos últimos. En el caso de Cataluña, la emisión esta regulada por el decreto 323/1994. La tabla siguiente expone estos límites. Tipo RSU o asimilables RSU o asimilables RSU o asimilables Especiales Capacidad < 1 t/h 1 a 3 t/h > 3 t/h - Partículas totales 200 100 30 10 HCl 250 100 50 10 HF - 4 2 1 CO 100 100 100 50 C orgánico total 20 20 20 10 Pb+Cr+Cu+Mn - 5 5 0,5 Ni+As - 1 1 1 Cd+Hg - 0,2 0,2 - Cd+Tl - - - 0,05 Hg - - - 0,05 SOx - 300 300 300 NOx - 300 300 Dioxinas + Furanos - 1.10-7 1.10-7 Todos los valores están expresados en mg/Nm3 y referidos a T= 273 ºK. P= 101,3 Kpa. y 11% de O2. Los Especiales corresponden a la Norma Europea UE 98. Las instalaciones de incineración están diseñadas para destruir el componente orgánico, ahora bien en muchas ocasiones junto al residuo entra compuesto inerte que, lógicamente no va a destruirse y, en todo caso se transforma o se emite con los gases, como acontece con los metales pesados. Otro tipo de compuesto se origina por una mala combustión, como es el caso del monóxido de carbono o parte del carbono total. Sin embargo hay otros, como el SOx que se emiten por oxidación de los compuestos sulfurosos. En general los gases ácidos, como el HCl, HF, así como el SOx anteriormente citado, se abaten con reactivos alcalinos como la lechada de cal o el bicarbonato sódico.

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CARACTERIZACIÓN Y DESTINO DE LAS EMISIONES En el caso de los RSU y sin medidas correctora, los compuestos no metálicos

que dan lugar a gases ácidos se distribuyen según muestra el gráfico.

En igualdad de circunstancias, la distribución de los principales metales

pesados sería la siguiente.

0

20

40

60

80

100

Carbón Fluor Cloro Azufre

Gases Cenizas Volantes Escorias

HIERRO COBRE

CADMIO

PLOMO CINC

MERCURIO


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LA ADSORCIÓN La adsorción es un fenómeno que tiene lugar en la superficie de un cuerpo

(adsorbente) y consiste en separar dos fases: una sólida, y veces líquida, de una fluida. Es un proceso muy empleado en depuración de gases donde el elemento contaminante que se halla suspendido en el gas a depurar es retenido por el elemento adsorbente.

El fenómeno tiene lugar gracias a fuerzas débiles del tipo Van der Waals, de ahí

la importancia de la superficie especifica. El carbón activado es un material microporoso fabricado a partir de materia prima carbonácea, como la turba, madera o lignito. El proceso de activación desarrolla miríadas de poros de dimensiones casi atómicas en el seno del material, lo que constituye una enorme superficie específica, del orden de 2.000 m2 por gramo de carbón activado. El dibujo ilustra el concepto de como las "láminas" moleculares se mantienen unidas mediante enlaces químicos. Cuando las impurezas son adsorbidas quedan atrapadas en el interior de esta estructura formando enlaces físicos fuertes con el carbón. Los átomos de carbono existentes en la superficie interna del carbón ejercen una atracción (fuerzas de Van der Waals) sobre las moléculas de los líquidos y gases circundantes. Esta es la base del mecanismo que permite al carbón activado separar uno o más componentes de una mezcla.

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EL PROBLEMA DEL CLORO

La reacción teórica de oxidación de un compuesto clorado es: CxHyClz + q·O2 → m·CO2 + n·H2O + p·ClH

Sin embargo, en la realidad, los productos de la combustión no son los indicados, sino que debe añadirse el cloro gaseoso, según la reacción de equilibrio de Deacon:

2 ClH + ½ O2 → Cl2 + H2O La ecuación de equilibrio indica que la presencia de vapor de agua desplaza la reacción hacia la izquierda, ya que la presencia de cloro no es deseable por sus características corrosivas y tóxicas. Además los átomos de cloro son retardantes de llama, ya que captan los radicales de hidrógeno, que actúan como propagadores de la reacción de oxidación. Es por ello que es difícil conseguir una oxidación completa de los compuestos clorados. La combustión en malas condiciones genera fosgeno, dibenzofuranos clorados y otros productos altamente tóxicos, como consecuencia de oxidaciones parciales, de ahí la importancia de una cámara a alta temperatura seguida de una postcombustión que garantice un tiempo de permanencia generoso.

En los últimos tiempos se ha recurrido a la Hidrogenación catalítica. En el

reactor, los compuestos clorados se hacen reaccionar con hidrógeno. Las ventajas más sopbresalientes son que se trabaja a baja temperatura, de 200 a 300 ºC, con catalizadores y las instalaciones son mas compactas y sencillas. Además, los residuos son más fáciles de tratar.

-

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5

% O2

Gases de combustión (kg/hx1000) Tiempo de residencia (s)Contenido Cl2 (ppm/10)


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EFECTOS DE LA EMISIÓN DE METALES Desde la entrada en vigor de la Directiva referente al control de emisiones en la incineración, en el Reino Unido se han publicado estadísticas bien interesantes sobre la reducción en la emisión de metales entre los años 1.992 y 1.998, con reducciones medias que sobrepasan el 90%. La tabla siguiente lo expone. Contaminante 1.992 (kg.) 1.998 (kg.) % del total en R.U. Cadmio 7.180 90 1,3 Mercurio 5.060 310 2,8 Arsénico 1.090 700 1,4 Cromo 12.960 700 0,8 Níquel 7.820 280 0,14 Plomo 130.490 280 0,03 MP10 860.00 60.000 0,03 NOx 5.210.000 5.210.000 0,3 SO2 3.940.000 150.000 0,01 Estos valores, en la actualidad son todavía mas reducidos. Vale la pena destacar el efecto mas nocivo de los metales: • CADMIO: procede mayoritariamente de la combustión del carbón y de la fabricación

del hierro y el acero. Se usa para la fabricación de pilas Ni/Cd. Se considera un metal muy tóxico. Los componentes de Cd están en forma de cloruros y óxidos en las cenizas

volantes.

• MERCURIO: Sus formas organometálicas son de gran toxicidad y causan trastornos neurotoxicológicos. Se halla en infinidad de aparatos industriales (termómetros, interruptores, etc.) y domésticos (lámparas, pilas). Este metal plantea una problemática añadida que consiste en su gran volatilidad. Se ha descubierto que la combinación adecuada de carbón activo y ácido sulfúrico permite la captación simultánea de dioxinas, furanos y mercurio.

• NIQUEL: procede mayoritariamente de la combustión de los combustibles fósiles y

en la fabricación de innumerables tipos de acero. Se considera un metal cancerígeno. Se halla en infinidad de aparatos de uso industrial, eléctricos y doméstico.

• CROMO HEXAVALENTE: procede mayoritariamente de pinturas y revestimientos.

Plantea inquietud sanitaria y ambiental puesto que produce cáncer de pulmón.

Xavier Elías

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FORMACIÓN DE DIOXINAS Y FURANOS Las dioxinas y los furanos son compuestos tóxicos formados por anillos bencénicos en cuyos radicales se insertan oxígenos y cloros. Ello da lugar a un sinfín de isómeros de los cuales unos pocos son extremadamente tóxicos.

Son compuestos térmicamente estables hasta una temperatura aproximada de 600 ºC. Son liposolubles y muy poco solubles en agua. Es debido a ello que son muy estables y de ahí su persistencia en el medio (se han encontrado dioxinas en muestras históricas). El esquema siguiente reproduce la dioxina más tóxica.

Un nivel térmico que asegure una temperatura de 800 ºC durante un tiempo de residencia de, al menos, 2 segundos garantiza la destrucción de estos compuestos. Sin embargo se da la paradoja de que la propia instalación térmica, en la zona de baja temperatura, puede ser la generadora de dioxinas y furanos. El principio general de formación esta esquematizado en la figura y su origen radica en la degradación térmica de agentes clorados en presencia de abundante exceso de aire. Si estos compuestos no son destruidos, pasan a las escorias. Otra fuente de generación de dioxinas, en las incineradoras, es la llamada síntesis “de novo””. Durante el enfriamiento de los gases se reforman las dioxinas entre 500 y 250 ºC (de hecho es el mismo proceso anterior), por ello se recomienda acelerar la velocidad de enfriamiento de los gases. Existe una formación natural de dioxinas en el cieno y en el compost. Los incendios naturales generan, al igual que numerosos procesos industriales, muchas más dioxinas que las incineradoras.


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EFECTOS Y DESTINO DE DIOXINAS Y FURANOS El inventario de dioxinas y furanos llevado a cabo por el CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) y el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, indica que en los tres últimos años las emisiones de dioxinas y furanos generadas por el conjunto de las incineradoras españolas (8 operativas) ha pasado de 20 gramos a 1,2 gramos al año y figuran entre las mas eficientes del mundo. Donde se encuentran: En compuestos utilizados en la producción de aceites dieléctricos, lubricantes, pinturas, preservantes de la madera, pesticidas, retardantes de llama, circuitos eléctricos, etc. Efectos tóxicos:

• Efectos en la piel: Cloracné, hiperpigmentación, hiperqueratosis. • Efectos neurológicos: Neuropatías, disfunciones sexuales, neuritis, etc. • Efectos en el cuerpo: Fibrosis hepática, problemas digestivos, dolores

musculares, disfunciones en el sistema inmunológico, etc. Los mayores emisores: La industria siderúrgica, metalúrgica, fabricación de cemento, calderas, calefacciones, tráfico, plantas termoeléctricas, químicas, fabricación de vidrio y cerámica, industria textil, petroquímica, vertederos e incineradoras. Destino de las dioxinas: La gráfica siguiente muestra, en el caso de las incineradoras de RSU que no son, con mucha diferencia, las mayores productoras de dioxinas y furanos un promedio, a partir de 130 ensayos de casos estudiados, de donde se encuentras las dioxinas y furanos.

En escorias60%

En cenizas volantes

32%

A la atmosfera8%

Xavier Elías

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POSIBLES VÍAS DE EXPOSICIÓN A EMISIONES DE PCDD’s El gráfico siguiente muestra las posibles vías de exposición a dioxinas y

furanos provenientes de una instalación de incineración de RSU (o bien de cualquier de los focos emisores de estas sustancias). Estas vías son básicamente el aire y el agua.

Al margen del inventario de dioxinas y furanos, que se expone mas adelante,

las principales fuentes de emisión son: Fuentes industriales:

• Procesos industriales químicos diversos. • Industria papelera. • Procesos metalúrgicos y siderúrgicos. • Procesos de reactivación de carbón granular. Limpieza en seco.

Procesos de combustión: • Incineración de todo tipo • Generación de electricidad • Reciclado de metales. • En el mismo apartado, pero como fuentes difusas: • Tráfico rodado. • Calefacciones domésticas. • Incendios forestales. • Tabaco. Incendios. Accidentes.

Para tener una idea de la magnitud: si durante el año 1.995 en Alemania se

emitieron 291 g I-TEQ, se calcula que los incendios forestales de Canadá a primeros de la década de los ochenta emitieron 58.700 g en un solo año.


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PRESENCIA DE DIOXINAS Y FURANOS Debido al carácter estable de estos compuestos su presencia es considerable en diversos ámbitos. Las tablas siguientes reproducen los resultados de diferentes investigadores (1) Vogtmenn&Fricke (1992) y (2) Hezbolzheimer& Colom (1998). Todos los valores se hallan expresados en ng TR/kg (SMS) Bajo bosque (0-2 cm) (1) 35 Zona Industrial (1) 18 Arcén carretera (1) 21 Zona agrícola (1) 5 Hojas (1) 24-23 Hojas cercanas carretera (1) 42 Papel reciclado (1) 6-17 Papel de periódico (1) 0,2-2 Aserrín y corteza de madera (1) 10 Corteza de árbol (1) 3 Residuos municipales (2) 4.50 Fracción orgánica de RSU (2) 4.29 Compost de FO de RM (1) 12.07 Compost de RV (1) 10.58 Compost de RM (1) 103 Compost de Torrelles de Llobregat (2) 5.0

En el caso de alimentos y productos comunes la presencia esta en la tablas siguientes. La OMS recomienda un máximo de ingestión de 1 – 4 ng I-TEQ/kg/día.

Alimento ng I-TEQ/kg Alimento ng I-TEQ/kgCarne de res 1,4 – 1,8 Aves 2,0 – 2,3Queso 1,8 – 2,2 Huevos 0,7 – 1,5Mantequilla 0,8 – 1,3 Pescado mar 29,2 – 35,7Carne cerdo 0,3 – 0,5 Pescado río 17,0 – 35,0Cordero 1,6 – 2,0 Frutas 0,02

Substancia ng I-TEQ/kg Substancia ng I-TEQ/kgCésped 5,9 Papel tissue 36,3Residuo cocina 3,0 Papel coloreado 3,6Fruta exótica 3,1 Cartón 18,3Hojas 22,4 Paja 2,0Papel 13,0 Polvo de calle 11,4

Xavier Elías

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RIESGO DE LAS PCDD’s PARA LA SALUD El congénere biológicamente mas activo y que ha sido confirmado por

innumerables estudios y ensayos, es la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD) para la cual existe infinidad de bibliografía.

Sin embargo el profesor Neubert opina que este compuesto no debería figurar

entre las sustancias de mayor preocupación desde el punto de vista de la toxicología medioambiental. No existe, hasta la fecha, un síntoma característico de intoxicación aguda o crónica por TCDD. Por suerte el hombre no pertenece a una especie de mayor sensibilidad o susceptibilidad a la exposición a TCDD como son los roedores.

Las estimaciones hechas para la población de los EE.UU sobre riesgos de

muerte o acortamiento de las expectativas de vida se resumen en la tabla siguiente.

CAUSAS PRIMARIAS Enfermedades cardiovasculares 1 en 2 Cáncer 1 en 2

CAUSAS QUE ACORTAN LAS EXPECTATIVAS DE VIDA Accidente de tráfico 1 en 100 Incendios 1 en 800 Electrocución 1 en 5.000 Accidentes aéreos 1 en 20.000 Mordeduras o picaduras venenosas 1 en 20.000 Botulismo 1 en 3.000.000 Ingesta del límite máximo adaptado por la US EPA para el tricloroetileno en el agua potable

1 en 10.000.000

Los diversos estudios consultados por este autor concluyen que el límite de

emisión, al menos por lo que hace referencia a las incineradoras, es mas que suficiente para garantizar la salud pública de los ciudadanos que habitan en las proximidades de estas instalaciones (supone un riesgo semejante al tricloroetileno).

La propia US EPA, el PNUMA y Kees Olie (descubridor de las dioxinas)

confirman que mayoritariamente la presencia de PCDD procede de fuentes difusas y la ingesta es MAYORITARIAMENTE A TRAVES DE LA INGESTA DE ALIMENTOS.

Teniendo en cuenta que la fuente de exposición de PCDD’s es la dieta (En la

actualidad se cifra en el 95%) la solución pasa por una reducción de sus niveles en los alimentos y ello sobrepasa la acción nacional ya que la procedencia de los alimentos es universal.

En el reciente congreso “Dioxin 2002” celebrado en Barcelona, la Universidad

Rovira i Virgili, el pescado y el marisco aportan el 45,5% de las dioxinas a la dieta, mientras los derivados de la leche contribuyen en un 21,5%.


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EL INVENTARIO ALEMAN DE PCDD’s Solo hay 16 países, de los 190 del mundo, que tengan confeccionado un

inventario de dioxinas y furanos. El inventario que se expone en la tabla siguiente corresponde a Alemania. El

primero lo realizó en 1.994/1.995 y el siguiente en 1.999/2.000. Los valores anuales están expresados en g I-TEQ/año (valor equivalente

internacional de toxicidad de los diversas dioxinas y furanos). Es justo destacar que la incidencia de las incineradoras no alcanza el 3%.

Valor 1.994/1.995

Estimado 1.999/2.000

Incineración de residuos 32 << 4

Industria metalúrgica 220 < 40

- Fundición secundaria Al 18 < 1

- Fundiciones 2 < 2

- “Sintering” 158 < 20

- Acero. Plantas O2 4 < 3

- Acero. H. Eléctrico 5 < 2

- Otros 33 < 12

Generación energía eléctrica 3 < 3

Calderas industriales y comerciales 15 < 10

Otros procesos térmicos < 1 < 1

Crematorios 2 < 1

Tráfico 4 < 1

Calefacciones urbanas 15 < 10

TOTAL 291 << 70

Xavier Elías

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TOXICIDAD DE COMPUESTOS RELACIONADOS CON LOS PCDD’s Existen muchísimos compuestos que se usan en la industria que se distinguen

por: • Tener una toxicidad semejante a las dioxinas y furanos. • Algunos de ellos tienen ya valores de Factor de Equivalencia Tóxica

(TEF) para humanos como: Hexaclorobenceno, Bifenilos coplanares y PCN’s

Los compuestos que se citan a continuación presentan toxicidad por si mismos

y por ser precursores de dioxinas y furanos (por ejemplo en el caso de combustión incontrolada).

Algunos de estos compuestos se han comentado a lo largo de la obra, sin

embargo una lista mas exhaustiva sería: • PCB’s: 11 de los 209 congéneres. Se hallan en fluidos dieléctricos, disolventes,

lubricantes, aditivos, pinturas y colorantes. • PCN’s: 75 congéneres. Mismo tipo de aplicación que los PCB’s a lo que hay que

añadir los conservantes de madera. • PBB’s: Usados en plastificantes y retardantes de llama. • PBDE’s: Empleados en circuitos eléctricos y aparatos de televisión. • CP’s: En plastificantes, lubricantes de sistemas mecánicos y retardantes de llama.

En otro orden conceptual, también deben citarse compuestos que por diversas

razones contienen compuestos tóxicos como las cenizas volantes y las escorias de las incineradoras que, por el momento las incineradoras no están obligadas a llevar a cabo un control de la presencia de dioxinas y furanos en estos residuos secundarios.

• CENIZAS VOLANTES. En ellas, por adsorción, quedan retenidas buena parte de las dioxinas y furanos producidas en la síntesis “de novo”. Por ello se considera un residuo tóxico y peligroso. Por lo general las cenizas junto con el polvo del filtro de mangas se encapsula en una matriz de cemento, se encierra en bolsas de plástico y se deposita en depósitos de seguridad.

• ESCORIAS. La problemática es diferente. En los hornos de incineración de RSU (u otro residuo) que use la tecnología de parrillas, esta zona se halla a baja temperatura (debido a la necesidad de refrigeración de las partes metálicas de las parrillas) y esta es la causa de que se sinteticen dioxinas y furanos, la mayoría de ellas van a parar, obviamente, a las escorias.

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Incineracion - Xavier Elias