Desorción térmica a baja temperatura

Para la remediación ambiental , la desorción térmica a baja temperatura ( LTTD ), también conocida como volatilización térmica a baja temperatura , despojo térmico y tostado del suelo , es una tecnología de remediación ex situ que utiliza calor para separar físicamente los hidrocarburos de petróleo de los suelos excavados. Los desorbedores térmicos están diseñados para calentar los suelos a temperaturas suficientes para hacer que los componentes se volatilicen y desorban (separen físicamente) del suelo. Aunque no están diseñados para descomponer los componentes orgánicos , los desorbedores térmicos pueden, dependiendo de los orgánicos específicos presentes y la temperatura del sistema de desorber, hacer que algunos componentes orgánicos se descompongan total o parcialmente . Los hidrocarburos vaporizados generalmente se tratan en una unidad de tratamiento secundario (por ejemplo, un postquemador , una cámara de oxidación catalítica, un condensador o una unidad de adsorción de carbono) antes de su descarga a la atmósfera. Los postquemadores y los oxidantes destruyen los componentes orgánicos. Los condensadores y las unidades de adsorción de carbono atrapan los compuestos orgánicos para su posterior tratamiento o eliminación.

Al utilizar LTTD, es necesario realizar un cierto preprocesamiento y posprocesamiento del suelo. Los suelos excavados se tamizan primero para eliminar objetos grandes (de más de 2 pulgadas de diámetro). Estos pueden clasificarse por tamaño (por ejemplo, triturarse o desmenuzarse) y luego reintroducirse en el material de alimentación. Después de salir del desorbedor, los suelos se enfrían, se vuelven a humedecer para controlar el polvo y se estabilizan (si es necesario) para prepararlos para su eliminación o reutilización. El suelo tratado puede volver a depositarse en el lugar, usarse como cubierta en vertederos o incorporarse al asfalto.

La LTTD ha demostrado ser muy eficaz para reducir las concentraciones de productos derivados del petróleo, incluidos la gasolina , los combustibles para aviones , el queroseno , el combustible diésel , los aceites de calefacción y los aceites lubricantes . La LTTD es aplicable a componentes que son volátiles a temperaturas de hasta 1200 °F. La mayoría de los desorbedores funcionan a temperaturas entre 300 °F y 1000 °F. Los desorbedores construidos con aleaciones especiales pueden funcionar a temperaturas de hasta 1200 °F. Los productos más volátiles (por ejemplo, la gasolina) se pueden desorber en el rango operativo más bajo, mientras que los productos semivolátiles (por ejemplo, el queroseno, el combustible diésel) generalmente necesitan temperaturas superiores a 700 °F, y los productos relativamente no volátiles (por ejemplo, el aceite de calefacción, los aceites lubricantes) necesitan temperaturas incluso más altas. Esencialmente, todos los tipos de suelo son susceptibles de tratamiento mediante sistemas LTTD. Sin embargo, diferentes suelos pueden requerir distintos grados y tipos de pretratamiento. Por ejemplo, los suelos de grano grueso (por ejemplo, grava y adoquines ) pueden requerir trituración; Los suelos de grano fino que sean excesivamente cohesivos (por ejemplo, arcilla ) pueden requerir trituración.

Las reglamentaciones estatales y locales especifican que los suelos contaminados con petróleo deben someterse a pruebas piloto , procesando parte del suelo del lugar mediante el sistema LTTD (una "quema de prueba"). Los resultados de las pruebas preliminares de las muestras de suelo deben identificar las propiedades constituyentes relevantes, y el examen de los registros de rendimiento de la máquina debe indicar la eficacia del sistema para tratar el suelo. La eficacia demostrada de un sistema particular para un lugar o un residuo específico no garantiza que sea eficaz en todos los lugares o que las eficiencias de tratamiento logradas sean aceptables en otros lugares. Si se realiza una quema de prueba, es importante asegurarse de que el suelo analizado sea representativo de las condiciones promedio y de que se analicen suficientes muestras antes y después del tratamiento para determinar con seguridad si el LTTD será eficaz.

El funcionamiento de las unidades LTTD requiere varios permisos y la demostración del cumplimiento de los requisitos de los mismos. Los requisitos de monitoreo para los sistemas LTTD son por su naturaleza diferentes del monitoreo requerido en un sitio UST. El monitoreo de los flujos de desechos del sistema LTTD (por ejemplo, concentraciones de partículas , volátiles y monóxido de carbono en el gas de chimenea ) es requerido por la agencia o agencias que emiten los permisos para el funcionamiento de la instalación. El propietario/operador de la instalación LTTD es responsable de cumplir con los límites especificados por los permisos y de otros parámetros operativos del sistema LTTD (por ejemplo, temperatura del desorbedor, tasa de alimentación del suelo, temperatura del postquemador).

La decisión de si la LTTD es o no una alternativa de remediación práctica depende de las características específicas del sitio (por ejemplo, la ubicación y el volumen de los suelos contaminados, la disposición del sitio). La viabilidad también está determinada por consideraciones reglamentarias, logísticas y económicas . Los aspectos económicos de la LTTD como opción de remediación son muy específicos del sitio. Los factores económicos incluyen:

• Uso del sitio (porque la excavación y el tratamiento del suelo en el lugar de un establecimiento minorista (por ejemplo , una estación de servicio o una tienda de conveniencia ) probablemente impedirán que el negocio funcione durante un tiempo prolongado).
• El costo de LTTD por unidad de volumen de suelo en relación con otras opciones de remediación.
• La ubicación del sistema LTTD aplicable más cercano (porque los costos de transporte son una función de la distancia).

Los sistemas de desorción térmica se dividen en dos clases generales: instalaciones estacionarias y unidades móviles. Los suelos contaminados se excavan y se transportan a instalaciones estacionarias; las unidades móviles pueden operarse directamente en el lugar. Las unidades de desorción están disponibles en una variedad de configuraciones de proceso, incluidos desorbedores rotativos, secadores de agregados de plantas de asfalto, tornillos térmicos y hornos transportadores .

La plasticidad del suelo es una medida de su capacidad para deformarse sin cizallamiento y es hasta cierto punto una función del contenido de agua. Los suelos plásticos tienden a adherirse a las pantallas y otros equipos, y aglomerarse en grandes grumos. Además de reducir la velocidad de alimentación, los suelos plásticos son difíciles de tratar. Calentar suelos plásticos requiere temperaturas más altas debido a la baja relación área superficial a volumen y al mayor contenido de humedad. Además, debido a que los suelos plásticos tienden a ser de grano muy fino, los compuestos orgánicos tienden a ser fuertemente absorbidos . El tratamiento térmico de suelos altamente plásticos requiere un pretratamiento, como trituración o mezcla con suelos más friables u otras enmiendas (por ejemplo, yeso ).

El material con un diámetro mayor a 2 pulgadas deberá triturarse o eliminarse. El material triturado se recicla y se incorpora al material de alimentación para su procesamiento. Los suelos de grano más grueso tienden a fluir libremente y no se aglomeran en grumos. Por lo general, no retienen humedad excesiva, por lo tanto, los contaminantes se desorben fácilmente. Los suelos de grano más fino tienden a retener la humedad del suelo y aglomerarse en grumos. Cuando están secos, pueden producir grandes cantidades de partículas que pueden requerir reciclaje después de ser interceptadas en la cámara de filtros.

La capacidad de procesamiento de sólidos de un sistema de desorción térmica es inversamente proporcional al contenido de humedad del material de alimentación. La presencia de humedad en los suelos excavados que se van a tratar en la unidad LTTD determinará el tiempo de residencia necesario y los requisitos de calentamiento para la eliminación eficaz de los contaminantes. Para que se produzca la desorción de los componentes del petróleo, la mayor parte de la humedad del suelo debe evaporarse en el desorbedor. Este proceso puede requerir un aporte térmico adicional significativo al desorbedor y un tiempo de residencia excesivo para el suelo en el desorbedor. El contenido de humedad también influye en la plasticidad, lo que afecta al manejo del suelo. Los suelos con un contenido de humedad excesivo (> 20%) deben deshidratarse. Los métodos de deshidratación típicos incluyen el secado al aire (si hay espacio de almacenamiento disponible para esparcir los suelos), la mezcla con suelos más secos o la deshidratación mecánica.

La presencia de metales en el suelo puede tener dos implicaciones:

• Limitaciones a la disposición de los residuos sólidos generados por desorción.
• Preste atención a las regulaciones de control de la contaminación del aire que limitan la cantidad de metales que pueden liberarse en las emisiones de las chimeneas.

A las temperaturas normales de funcionamiento del LTTD , no es probable que los metales pesados ​​se separen significativamente de los suelos.

Las altas concentraciones de productos derivados del petróleo en el suelo pueden generar altos valores de calentamiento del suelo. El calor liberado por los suelos puede provocar un sobrecalentamiento y daños en el desorbedor. Los suelos con valores de calentamiento superiores a 2000 Btu/lb requieren mezclarse con suelos más limpios para diluir la alta concentración de hidrocarburos. Las altas concentraciones de hidrocarburos en el gas de escape pueden superar la capacidad térmica del postquemador y potencialmente provocar la liberación de vapores sin tratar a la atmósfera. Los niveles excesivos de componentes en el suelo también podrían provocar la generación de vapores en el desorbedor en concentraciones que superen el límite explosivo inferior (LEL). Si se supera el LEL, existe el riesgo de explosión.

El término "desorción térmica" describe la operación de tratamiento primario que calienta los materiales contaminados con petróleo y desorbe los materiales orgánicos en un gas de purga. Las características de diseño mecánico y las condiciones de operación del proceso varían considerablemente entre los distintos tipos de sistemas LTTD. Las unidades de desorción están disponibles en cuatro configuraciones:

1. Secador rotatorio
2. Secador de agregados para plantas de asfalto
3. Tornillo térmico
4. Horno transportador

Aunque todos los sistemas LTTD utilizan calor para separar (desorber) los contaminantes orgánicos de la matriz del suelo, cada sistema tiene una configuración diferente con su propio conjunto de ventajas y desventajas. La decisión de utilizar un sistema en lugar de otro depende de la naturaleza de los contaminantes, así como de la disponibilidad de la máquina, el rendimiento del sistema y consideraciones económicas. El rendimiento del sistema puede evaluarse sobre la base de pruebas piloto (por ejemplo, quemas de prueba) o el examen de los registros históricos de rendimiento de la máquina. Las pruebas piloto para desarrollar las condiciones de tratamiento generalmente no son necesarias para los suelos contaminados con petróleo.

Los sistemas de secado rotatorio utilizan un reactor cilíndrico de metal (tambor) que está ligeramente inclinado con respecto a la horizontal. Un quemador ubicado en un extremo proporciona calor para elevar la temperatura del suelo lo suficiente como para desorber los contaminantes orgánicos. El flujo de suelo puede ser en paralelo o en contracorriente con la dirección del flujo de gas de purga. A medida que el tambor gira, el suelo se transporta a través del tambor. Los elevadores elevan el suelo, llevándolo cerca de la parte superior del tambor antes de permitir que caiga a través del gas de purga calentado. La mezcla en un secador rotatorio mejora la transferencia de calor por convección y permite que los suelos se calienten rápidamente. Las unidades de desorbedor rotatorio se fabrican para una amplia gama de capacidades de tratamiento; estas unidades pueden ser estacionarias o móviles.

La temperatura máxima del suelo que se puede obtener en un secador rotatorio depende de la composición de la carcasa del secador. La temperatura de descarga del suelo de los tambores de acero al carbono es normalmente de 300 a 600 grados F. Hay tambores de aleación disponibles que pueden aumentar la temperatura de descarga del suelo a 1200 grados F. La mayoría de los secadores rotatorios que se utilizan para tratar el suelo contaminado con petróleo están hechos de acero al carbono. Después de que el suelo tratado sale del secador rotatorio, ingresa a un transportador de enfriamiento donde se rocía agua sobre el suelo para enfriarlo y controlar el polvo. La adición de agua se puede realizar en un transportador de tornillo o en una mezcladora.

Además de la dirección del flujo de gas de purga en relación con la dirección de alimentación del suelo, existe una diferencia importante en la configuración entre los secadores rotatorios de contracorriente y de corriente paralela. El gas de purga de un secador rotatorio de contracorriente normalmente tiene una temperatura de solo 350 °F a 500 °F y no requiere enfriamiento antes de ingresar al filtro de mangas donde quedan atrapadas las partículas finas. Una desventaja es que estas partículas pueden no haber sido descontaminadas y normalmente se reciclan al secador. Los secadores de contracorriente tienen varias ventajas sobre los sistemas de corriente paralela. Son más eficientes en la transferencia de calor del gas de purga al suelo contaminado, y el volumen y la temperatura del gas de salida son menores, lo que permite que el gas vaya directamente al filtro de mangas sin necesidad de ser enfriado. La temperatura más baja del gas de salida y el volumen más pequeño eliminan la necesidad de una unidad de enfriamiento, lo que permite que el equipo de procesamiento posterior sea más pequeño. Los sistemas de contracorriente son efectivos en productos derivados del petróleo con pesos moleculares inferiores al fueloil n.° 2.

En los sistemas de corriente paralela, el gas de purga es de 50 °F a 100 °F más caliente que la temperatura de descarga del suelo. El resultado es que la temperatura de salida del gas de purga puede variar de 400 °F a 1000 °F y no puede ir directamente a la cámara de filtros. El gas de purga primero ingresa a un postquemador para descontaminar las partículas finas, luego pasa a una unidad de enfriamiento antes de introducirse en la cámara de filtros. Debido a la mayor temperatura y volumen del gas de purga, la cámara de filtros y todos los demás equipos de procesamiento posteriores deben ser más grandes que en un sistema de contracorriente. Los sistemas de corriente paralela tienen varias ventajas sobre los sistemas de contracorriente: el postquemador está ubicado aguas arriba de la cámara de filtros, lo que garantiza que las partículas finas se descontaminan; y debido a que el gas de purga calentado se introduce en el mismo extremo del tambor que el suelo de alimentación, el suelo se calienta más rápido, lo que resulta en un tiempo de residencia más largo. Temperaturas más altas y un tiempo de residencia más largo significan que los sistemas de corriente paralela se pueden utilizar para tratar suelos contaminados con productos petrolíferos más pesados. Los sistemas de cocorriente son eficaces para productos derivados del petróleo livianos y pesados, incluidos el combustible para calefacción nº 6, el petróleo crudo, el aceite de motor y el aceite lubricante.

Las plantas de asfalto mezclado en caliente utilizan agregados que han sido procesados ​​en una secadora antes de ser mezclados con asfalto líquido. El uso de suelos contaminados con petróleo como material agregado está muy extendido. Las secadoras de agregados pueden ser fijas o móviles. Las capacidades de tratamiento de suelos varían de 25 a 150 toneladas por hora. El suelo puede incorporarse al asfalto como un proceso de reciclaje o el suelo tratado puede usarse para otros fines.

Los secadores rotatorios de asfalto normalmente están construidos de acero al carbono y tienen una temperatura de descarga del suelo de entre 300 °F y 600 °F. Por lo general, los secadores de agregados de las plantas de asfalto son idénticos a los desorbedores rotatorios de contracorriente descritos anteriormente y son eficaces con los mismos tipos de contaminantes. La principal diferencia es que no se requiere un postquemador para la incorporación de agregados limpios a la mezcla de asfalto. En algunas áreas, es posible que se requiera que las plantas de asfalto que utilizan suelo contaminado con petróleo para los agregados estén equipadas con un postquemador.

Un desorbedor de tornillo térmico generalmente consta de una serie de 1 a 4 sinfines. El sistema de sinfines transporta, mezcla y calienta los suelos contaminados para volatilizar la humedad y los contaminantes orgánicos en una corriente de gas de purga. Los sinfines se pueden disponer en serie para aumentar el tiempo de residencia en el suelo, o se pueden configurar en paralelo para aumentar la capacidad de rendimiento. La mayoría de los sistemas de tornillo térmico hacen circular un aceite de transferencia de calor caliente a través de los tramos huecos del sinfín y devuelven el aceite caliente a través del eje al sistema de calentamiento del fluido de transferencia de calor. El aceite calentado también circula a través del canal encamisado en el que gira cada sinfín. Los tornillos térmicos también se pueden calentar con vapor. Los sistemas calentados con aceite pueden alcanzar temperaturas del suelo de hasta 500 °F, y los sistemas calentados con vapor pueden calentar el suelo a aproximadamente 350 °F.

La mayor parte del gas generado durante el calentamiento del aceite de transferencia de calor no entra en contacto con el material de desecho y puede descargarse directamente a la atmósfera sin controles de emisiones. El resto del gas de combustión mantiene la temperatura de salida del gas de purga del tornillo térmico por encima de los 300 grados F. Esto garantiza que los compuestos orgánicos volatilizados y la humedad no se condensen. Además, el gas de combustión reciclado tiene un bajo contenido de oxígeno (menos del 2% en volumen), lo que minimiza la oxidación de los compuestos orgánicos y reduce el riesgo de explosión. Si los datos analíticos previos al tratamiento indican un alto contenido orgánico (más del 4%), se recomienda el uso de un tornillo térmico. Después de que el suelo tratado sale del tornillo térmico, se rocía agua sobre el suelo para enfriarlo y controlar el polvo. Los tornillos térmicos están disponibles con capacidades de tratamiento de suelo que varían de 3 a 15 toneladas por hora.

Dado que los tornillos térmicos se calientan indirectamente, el volumen de gas de purga de la unidad de tratamiento térmico primario es menos de la mitad del volumen de un sistema calentado directamente con una capacidad de procesamiento de suelo equivalente. Por lo tanto, los sistemas de tratamiento de gases de escape consisten en operaciones unitarias relativamente pequeñas que son adecuadas para aplicaciones móviles. El calentamiento indirecto también permite que los tornillos térmicos procesen materiales con alto contenido orgánico, ya que el gas de combustión reciclado es inerte, lo que reduce el riesgo de explosión.

Un horno transportador utiliza una cinta metálica flexible para transportar el suelo a través de la cámara de calentamiento primaria. Una capa de tierra de una pulgada de profundidad se extiende uniformemente sobre la cinta. A medida que la cinta se mueve a través del sistema, los agitadores de suelo levantan la cinta y giran el suelo para mejorar la transferencia de calor y la volatilización de los compuestos orgánicos. El horno transportador puede calentar los suelos a temperaturas de entre 300 y 800 grados F. En el rango de temperatura más alto, el horno transportador es más eficaz para tratar algunos hidrocarburos de petróleo más pesados ​​que los tornillos térmicos calentados con aceite o vapor, los secadores de agregados de plantas de asfalto y los secadores rotativos de acero al carbono. Después de que el suelo tratado sale del horno transportador, se rocía con agua para enfriarlo y controlar el polvo. A febrero de 1993, solo un sistema de horno transportador estaba en uso actualmente para la remediación de suelo contaminado con petróleo. Este sistema es móvil y puede tratar de 5 a 10 toneladas de suelo por hora.

Los sistemas de tratamiento de gases de escape para sistemas LTTD están diseñados para abordar tres tipos de contaminantes del aire: partículas, vapores orgánicos y monóxido de carbono. Las partículas se controlan con operaciones unitarias húmedas (por ejemplo, depuradores Venturi) y secas (por ejemplo, ciclones, cámaras de filtros). Los secadores rotatorios y los secadores de agregado asfáltico utilizan con mayor frecuencia operaciones unitarias de limpieza de gases en seco. Los ciclones se utilizan para capturar partículas grandes y reducir la carga de partículas en la cámara de filtros. Las cámaras de filtros se utilizan como el dispositivo final de control de partículas. Los sistemas de tornillo térmico suelen utilizar un depurador Venturi como control principal de partículas.

El control de los vapores orgánicos se logra mediante su destrucción o recolección. Los postquemadores se utilizan después de los secadores rotatorios y los hornos transportadores para destruir los contaminantes orgánicos y oxidar el monóxido de carbono. Los postquemadores convencionales están diseñados para que las temperaturas de los gases de salida alcancen entre 1400 °F y 1600 °F. La eficiencia de destrucción orgánica suele oscilar entre el 95 % y más del 99 %.

Los condensadores y el carbón activado también se pueden utilizar para tratar los gases de escape de los sistemas de tornillo térmico. Los condensadores pueden ser sistemas enfriados por agua o por electricidad para reducir las temperaturas de los gases de escape a entre 100 °F y 140 °F. La eficiencia de los condensadores para eliminar compuestos orgánicos varía del 50 % a más del 95 %. Los gases no condensables que salen del condensador normalmente se tratan mediante un sistema de tratamiento con carbón activado en fase de vapor. La eficiencia de los sistemas de adsorción con carbón activado para eliminar contaminantes orgánicos varía del 50 % al 99 %. El condensado del condensador se procesa a través de un separador de fases donde el componente orgánico de la fase no acuosa se separa y se desecha o se recicla. El agua restante se procesa luego a través de carbón activado y se utiliza para rehumidificar el suelo tratado.

La temperatura de tratamiento es un parámetro clave que afecta el grado de tratamiento de los componentes orgánicos. La temperatura de tratamiento requerida depende de los tipos específicos de contaminación por petróleo en el suelo. La temperatura real alcanzada por un sistema LTTD es una función del contenido de humedad y la capacidad térmica del suelo, el tamaño de las partículas del suelo y las características de transferencia de calor y mezcla del desorbedor térmico.

El tiempo de residencia es un parámetro clave que afecta el grado de descontaminación que se puede lograr. El tiempo de residencia depende del diseño y el funcionamiento del sistema, las características de los contaminantes y del suelo, y el grado de tratamiento requerido.