Productos de la combustión del carbón
Subproductos de la combustión del carbón

Los productos de la combustión del carbón ( CCP ), también llamados desechos de la combustión del carbón (CCW) o residuos de la combustión del carbón (CCR), [1] se clasifican en cuatro grupos, cada uno basado en formas físicas y químicas derivadas de los métodos de combustión del carbón y los controles de emisiones:

Diagrama de la disposición de los desechos de la combustión del carbón
  • Las cenizas volantes se capturan después de la combustión del carbón mediante filtros ( casas de bolsas ), precipitadores electrostáticos y otros dispositivos de control de la contaminación del aire. Constituyen el 60 por ciento de todos los desechos de la combustión del carbón (etiquetados aquí como productos de la combustión del carbón). Se utilizan más comúnmente como un sustituto de alto rendimiento para el cemento Portland o como clínker para la producción de cemento Portland. Los cementos mezclados con cenizas volantes son cada vez más comunes. Las aplicaciones de los materiales de construcción varían desde lechadas y productos de mampostería hasta hormigón celular y tejas para techos. Muchos pavimentos de hormigón asfáltico contienen cenizas volantes. Las aplicaciones geotécnicas incluyen estabilización de suelos, base de carreteras, relleno estructural, terraplenes y recuperación de minas . Las cenizas volantes también sirven como relleno en productos de madera y plástico, pinturas y fundiciones de metal.
  • Los materiales de desulfuración de gases de combustión (FGD) se producen mediante sistemas de control de emisiones de "depuradores" químicos que eliminan el azufre y los óxidos de las corrientes de gases de combustión de las centrales eléctricas. La FGD comprende el 24 por ciento de todos los desechos de la combustión del carbón. Los residuos varían, pero los más comunes son el yeso FGD (o yeso "sintético") y los absorbentes de los secadores por aspersión. El yeso FGD se utiliza en casi el treinta por ciento de los productos de paneles de yeso fabricados en los EE. UU. También se utiliza en aplicaciones agrícolas para tratar condiciones indeseables del suelo y mejorar el rendimiento de los cultivos. Otros materiales FGD se utilizan en actividades de minería y recuperación de tierras.
  • Las cenizas de fondo y las escorias de calderas se pueden utilizar como materia prima para la fabricación de clínker de cemento Portland, así como para el control de deslizamiento en carreteras heladas. Los dos materiales comprenden el 12 y el 4 por ciento de los desechos de la combustión del carbón, respectivamente. Estos materiales también son adecuados para aplicaciones geotécnicas, como rellenos estructurales y recuperación de tierras. Las características físicas de las cenizas de fondo y las escorias de calderas las hacen adecuadas como reemplazos de agregados en rellenos fluidos y en productos de mampostería de hormigón. Las escorias de calderas también se utilizan para gránulos de techado y como granalla para granallado.

Cenizas volantes

Microfotografía realizada con microscopio electrónico de barrido y detector de retrodispersión: sección transversal de partículas de cenizas volantes

Las cenizas volantes , cenizas de combustión , cenizas de carbón o cenizas de combustible pulverizadas (en el Reino Unido) —plural : residuos de combustión de carbón ( CCR )— son un producto de la combustión del carbón que se compone de las partículas que se expulsan de las calderas de carbón junto con los gases de combustión . Las cenizas que caen al fondo de la cámara de combustión de la caldera (comúnmente llamada caja de fuego) se denominan cenizas de fondo . En las centrales eléctricas modernas a carbón , las cenizas volantes generalmente se capturan mediante precipitadores electrostáticos u otros equipos de filtración de partículas antes de que los gases de combustión lleguen a las chimeneas. Junto con las cenizas de fondo extraídas del fondo de la caldera, se conocen como cenizas de carbón .

Dependiendo de la fuente y la composición del carbón que se quema, los componentes de las cenizas volantes varían considerablemente, pero todas ellas incluyen cantidades sustanciales de dióxido de silicio (SiO 2 ) (tanto amorfo como cristalino ), óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y óxido de calcio (CaO), los principales compuestos minerales en los estratos rocosos que contienen carbón .

El uso de cenizas volantes como agregado liviano (LWA, por sus siglas en inglés) ofrece una valiosa oportunidad para reciclar uno de los mayores flujos de desechos en los EE. UU. Además, las cenizas volantes pueden ofrecer muchos beneficios, tanto económicos como ambientales cuando se utilizan como LWA. [2]

Los componentes menores de las cenizas volantes dependen de la composición específica del lecho de carbón , pero pueden incluir uno o más de los siguientes elementos o compuestos que se encuentran en concentraciones traza (hasta cientos de ppm): galio , arsénico , berilio , boro , cadmio , cromo , cromo hexavalente , cobalto , plomo , manganeso , mercurio , molibdeno , selenio , estroncio , talio y vanadio , junto con concentraciones muy pequeñas de dioxinas , compuestos de HAP y otros compuestos de carbono traza. [3] [4] [5] [6]

En el pasado, las cenizas volantes generalmente se liberaban a la atmósfera , pero las normas de control de la contaminación del aire ahora requieren que se capturen antes de su liberación mediante la instalación de equipos de control de la contaminación . En los Estados Unidos, las cenizas volantes generalmente se almacenan en plantas de energía a carbón o se colocan en vertederos. Aproximadamente el 43% se recicla, [7] a menudo se usa como puzolana para producir cemento hidráulico o yeso hidráulico y un reemplazo total o parcial del cemento Portland en la producción de hormigón. Las puzolanas aseguran el fraguado del hormigón y el yeso y brindan al hormigón una mayor protección contra las condiciones húmedas y el ataque químico.

En el caso de que las cenizas volantes (o de fondo) no se produzcan a partir de carbón, por ejemplo cuando se incineran residuos sólidos en una planta de conversión de residuos en energía para producir electricidad, las cenizas pueden contener niveles más altos de contaminantes que las cenizas de carbón. En ese caso, las cenizas producidas suelen clasificarse como residuos peligrosos .

Composición química y clasificación

Composición de cenizas volantes según el tipo de carbón [ cita requerida ]
ComponenteBituminosoSubbituminosoLignito
SiO2 (% )20–6040–6015–45
Al2O3 ( % )​5–3520–3020–25
Fe2O3 ( % )​10–404–104–15
CaO (%)1–125–3015–40
Carta de intención (%)0–150–30–5

Las cenizas volantes se solidifican mientras están suspendidas en los gases de escape y se recogen mediante precipitadores electrostáticos o bolsas de filtro. Dado que las partículas se solidifican rápidamente mientras están suspendidas en los gases de escape, las partículas de cenizas volantes suelen tener forma esférica y un tamaño que varía de 0,5 μm a 300 μm. La principal consecuencia del enfriamiento rápido es que pocos minerales tienen tiempo de cristalizarse y que permanece principalmente un vidrio amorfo y templado. Sin embargo, algunas fases refractarias del carbón pulverizado no se funden (por completo) y permanecen cristalinas. En consecuencia, las cenizas volantes son un material heterogéneo.

SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 y ocasionalmente CaO son los principales componentes químicos presentes en las cenizas volantes. [8] La mineralogía de las cenizas volantes es muy diversa. Las principales fases encontradas son una fase vítrea, junto con cuarzo , mullita y los óxidos de hierro hematita , magnetita y/o maghemita . Otras fases identificadas a menudo son cristobalita , anhidrita , cal libre , periclasa , calcita , silvita , halita , portlandita , rutilo y anatasa . Los minerales que contienen Ca anortita , gehlenita , akermanita y varios silicatos de calcio y aluminatos de calcio idénticos a los que se encuentran en el cemento Portland se pueden identificar en cenizas volantes ricas en Ca. [9] El contenido de mercurio puede alcanzar 1 ppm , [10] pero generalmente se incluye en el rango de 0,01 a 1 ppm para el carbón bituminoso. Las concentraciones de otros oligoelementos también varían según el tipo de carbón quemado para formarlos.

Clasificación

La norma ASTM C618 define dos clases de cenizas volantes : cenizas volantes de clase F y cenizas volantes de clase C. La principal diferencia entre estas clases es la cantidad de contenido de calcio, sílice, alúmina y hierro en las cenizas. Las propiedades químicas de las cenizas volantes están influenciadas en gran medida por el contenido químico del carbón quemado (es decir, antracita , carbón bituminoso y lignito ). [11]

No todas las cenizas volantes cumplen con los requisitos de la norma ASTM C618, aunque, según la aplicación, esto puede no ser necesario. Las cenizas volantes que se utilizan como sustituto del cemento deben cumplir con estrictos estándares de construcción, pero en Estados Unidos no se han establecido regulaciones ambientales estándar. El setenta y cinco por ciento de las cenizas volantes deben tener una finura de 45 μm o menos y un contenido de carbono , medido por la pérdida por ignición (LOI), de menos del 4 %. En Estados Unidos, la LOI debe ser inferior al 6 %. La distribución del tamaño de partícula de las cenizas volantes crudas tiende a fluctuar constantemente, debido al rendimiento cambiante de los molinos de carbón y al rendimiento de la caldera. Esto hace necesario que, si las cenizas volantes se utilizan de manera óptima para reemplazar el cemento en la producción de hormigón, se procesen utilizando métodos de beneficio como la clasificación mecánica por aire. Pero si las cenizas volantes se utilizan como relleno para reemplazar la arena en la producción de hormigón, también se pueden utilizar cenizas volantes no beneficiadas con un LOI más alto. Especialmente importante es la verificación de calidad continua. Esto se expresa principalmente a través de sellos de control de calidad, como la marca de la Oficina de Normas de la India o la marca DCL del Municipio de Dubai.

  • Clase "F": La quema de carbón bituminoso y antracita más duro y antiguo produce típicamente cenizas volantes de clase F. Estas cenizas volantes son de naturaleza puzolánica y contienen menos del 7 % de cal (CaO). Al poseer propiedades puzolánicas, la sílice y la alúmina vítreas de las cenizas volantes de clase F requieren un agente cementante, como cemento Portland, cal viva o cal hidratada, mezclado con agua para reaccionar y producir compuestos cementantes. Alternativamente, agregar un activador químico como silicato de sodio (vidrio de agua) a una ceniza de clase F puede formar un geopolímero .
  • Clase "C": Las cenizas volantes producidas a partir de la quema de lignito más joven o carbón subbituminoso, además de tener propiedades puzolánicas, también tienen algunas propiedades autocementantes. En presencia de agua, las cenizas volantes de clase C se endurecen y se vuelven más fuertes con el tiempo. Las cenizas volantes de clase C generalmente contienen más del 20% de cal (CaO). A diferencia de la clase F, las cenizas volantes de clase C autocementantes no requieren un activador. Los álcalis y sulfatos ( SO
    4    ) Los contenidos de cenizas volantes de clase C son generalmente más altos. Al menos un fabricante estadounidense ha anunciado un ladrillo de cenizas volantes que contiene hasta un 50% de cenizas volantes de clase C. Las pruebas muestran que los ladrillos cumplen o superan los estándares de rendimiento enumerados en ASTM C 216 para ladrillos de arcilla convencionales. También se encuentra dentro de los límites de contracción permitidos para ladrillos de hormigón en ASTM C 55, Especificación estándar para ladrillos de hormigón para construcción. Se estima que el método de producción utilizado en ladrillos de cenizas volantes reducirá la energía incorporada de la construcción de mampostería hasta en un 90%. [12] Se esperaba que los ladrillos y adoquines estuvieran disponibles en cantidades comerciales antes de fines de 2009. [13]

Fuentes de eliminación y comercialización

En el pasado, las cenizas volantes producidas por la combustión de carbón simplemente se arrastraban en los gases de combustión y se dispersaban en la atmósfera. Esto creó preocupaciones ambientales y de salud que impulsaron leyes en países altamente industrializados como Estados Unidos [ ¿dónde? ] que han reducido las emisiones de cenizas volantes a menos del 1% de las cenizas producidas. [14] En todo el mundo, más del 65% de las cenizas volantes producidas por las centrales eléctricas de carbón se eliminan en vertederos y estanques de cenizas .

Las cenizas que se almacenan o depositan al aire libre pueden acabar filtrando compuestos tóxicos a los acuíferos subterráneos. Por este motivo, gran parte del debate actual sobre la eliminación de cenizas volantes gira en torno a la creación de vertederos especialmente revestidos que impidan que los compuestos químicos se filtren a las aguas subterráneas y a los ecosistemas locales.

Como el carbón fue la fuente de energía dominante en los Estados Unidos durante muchas décadas, las compañías eléctricas solían ubicar sus plantas de carbón cerca de áreas metropolitanas. Para agravar los problemas ambientales, las plantas de carbón necesitan cantidades significativas de agua para operar sus calderas, lo que llevó a las plantas de carbón (y más tarde a sus cuencas de almacenamiento de cenizas volantes) a ubicarse cerca de áreas metropolitanas y cerca de ríos y lagos que a menudo se utilizan como suministros de agua potable para las ciudades cercanas. Muchas de esas cuencas de cenizas volantes no estaban revestidas y también corrían un gran riesgo de derrames e inundaciones desde los ríos y lagos cercanos. Por ejemplo, Duke Energy en Carolina del Norte ha estado involucrada en varias demandas importantes relacionadas con su almacenamiento de cenizas de carbón y derrames en la cuenca de agua. [15] [16] [17]

El reciclaje de cenizas volantes se ha convertido en una preocupación creciente en los últimos años debido al aumento de los costos de los vertederos y al interés actual en el desarrollo sostenible . En 2017 [actualizar], las centrales eléctricas a carbón en los EE. UU. informaron haber producido 38,2 millones de toneladas cortas (34,7 × 10 6  t) de cenizas volantes, de las cuales 24,1 millones de toneladas cortas (21,9 × 10 6  t) se reutilizaron en varias aplicaciones. [18] Los beneficios ambientales del reciclaje de cenizas volantes incluyen la reducción de la demanda de materiales vírgenes que necesitarían canteras y la sustitución barata de materiales como el cemento Portland .^^

Reutilizar

Según la Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón, en 2019 aproximadamente el 52 por ciento de los CCP en Estados Unidos se reciclaron para "usos beneficiosos". [19] En Australia, aproximadamente el 47% de las cenizas de carbón se reciclaron en 2020. [20] El principal beneficio del reciclaje es estabilizar los componentes ambientalmente dañinos de los CCP, como arsénico, berilio, boro, cadmio, cromo, cromo VI, cobalto, plomo, manganeso, mercurio, molibdeno, selenio, estroncio, talio y vanadio, junto con dioxinas e hidrocarburos aromáticos policíclicos . [21] [22]

En los Estados Unidos no existe ningún registro ni etiquetado del uso de cenizas volantes en los diferentes sectores de la economía (industria, infraestructuras y agricultura). La Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón publica anualmente datos de encuestas sobre el uso de cenizas volantes, que se reconocen como incompletos. [23]

Los usos de las cenizas de carbón incluyen (aproximadamente en orden decreciente de importancia):

Otras aplicaciones incluyen cosméticos , pasta de dientes , encimeras de cocina, [27] baldosas para pisos y techos, bolas de bolos , dispositivos de flotación, estuco , utensilios, mangos de herramientas, marcos de fotos, carrocerías de automóviles y cascos de barcos , hormigón celular, geopolímeros , tejas, gránulos para techos , tarimas, repisas de chimeneas , bloques de hormigón , tuberías de PVC , paneles estructurales aislantes , revestimientos y molduras de casas, pistas para correr, granalla de chorro, madera plástica reciclada , postes y crucetas de servicios públicos, traviesas de ferrocarril , barreras acústicas para carreteras , pilotes marinos, puertas, marcos de ventanas, andamios, postes de señalización, criptas, columnas, traviesas de ferrocarril, suelos de vinilo, adoquines, cabinas de ducha, puertas de garaje, bancos de parque, maderas para jardinería, jardineras, bloques de paletas, molduras, buzones de correo, arrecifes artificiales , agentes aglutinantes, pinturas y capas base, fundiciones de metal y relleno en productos de madera y plástico. [28] [29]

Cemento Portland

Debido a sus propiedades puzolánicas, las cenizas volantes se utilizan como reemplazo del cemento Portland en el hormigón . [30] El uso de cenizas volantes como ingrediente puzolánico se reconoció ya en 1914, aunque el primer estudio notable de su uso fue en 1937. [31] Las estructuras romanas como los acueductos o el Panteón de Roma usaban cenizas volcánicas o puzolana (que posee propiedades similares a las cenizas volantes) como puzolana en su hormigón. [32] Como la puzolana mejora en gran medida la resistencia y la durabilidad del hormigón, el uso de cenizas es un factor clave en su conservación.

El uso de cenizas volantes como reemplazo parcial del cemento Portland es particularmente adecuado, aunque no se limita a, las cenizas volantes de clase C. Las cenizas volantes de clase "F" pueden tener efectos volátiles en el contenido de aire incorporado al hormigón, lo que reduce la resistencia a los daños por congelación/descongelación. Las cenizas volantes suelen reemplazar hasta el 30 % en masa del cemento Portland, pero se pueden usar en dosis más altas en ciertas aplicaciones. En algunos casos, las cenizas volantes pueden aumentar la resistencia final del hormigón y aumentar su resistencia química y durabilidad.

Las cenizas volantes pueden mejorar significativamente la trabajabilidad del hormigón. Recientemente, se han desarrollado técnicas para sustituir parcialmente el cemento por cenizas volantes de gran volumen (reemplazo del 50% del cemento). En el caso del hormigón compactado con rodillos (RCC) [utilizado en la construcción de presas], se han logrado valores de sustitución del 70% con cenizas volantes procesadas en el proyecto de la presa Ghatghar en Maharashtra, India. Debido a la forma esférica de las partículas de cenizas volantes, puede aumentar la trabajabilidad del cemento al tiempo que reduce la demanda de agua. [33] Los defensores de las cenizas volantes afirman que sustituir el cemento Portland por cenizas volantes reduce la "huella" de gases de efecto invernadero del hormigón, ya que la producción de una tonelada de cemento Portland genera aproximadamente una tonelada de CO2 , en comparación con la ausencia de CO2 generado con las cenizas volantes. La nueva producción de cenizas volantes, es decir, la quema de carbón, produce aproximadamente entre 20 y 30 toneladas de CO2 por tonelada de cenizas volantes. Como se espera que la producción mundial de cemento Portland alcance casi 2 mil millones de toneladas en 2010, la sustitución de una gran parte de este cemento por cenizas volantes podría reducir significativamente las emisiones de carbono asociadas con la construcción, siempre que la comparación tome como un hecho la producción de cenizas volantes. [ cita requerida ]

Terraplén

Las propiedades de las cenizas volantes son inusuales entre los materiales de ingeniería. A diferencia de los suelos que se utilizan normalmente para la construcción de terraplenes, las cenizas volantes tienen un gran coeficiente de uniformidad y están formadas por partículas del tamaño de la arcilla . Las propiedades de ingeniería que afectan el uso de cenizas volantes en terraplenes incluyen la distribución del tamaño de grano, las características de compactación , la resistencia al corte , la compresibilidad , la permeabilidad y la susceptibilidad a las heladas . [33] Casi todos los tipos de cenizas volantes que se utilizan en terraplenes son de clase F.

Estabilización de suelos

La estabilización del suelo es la alteración física y química permanente de los suelos para mejorar sus propiedades físicas. La estabilización puede aumentar la resistencia al corte de un suelo y/o controlar las propiedades de contracción-expansión de un suelo, mejorando así la capacidad de carga de una subrasante para soportar pavimentos y cimientos. La estabilización se puede utilizar para tratar una amplia gama de materiales de subrasante, desde arcillas expansivas hasta materiales granulares. La estabilización se puede lograr con una variedad de aditivos químicos, incluidos cal, cenizas volantes y cemento Portland. El diseño y las pruebas adecuados son un componente importante de cualquier proyecto de estabilización. Esto permite establecer criterios de diseño y determinar el aditivo químico y la tasa de mezcla adecuados que logren las propiedades de ingeniería deseadas. Los beneficios del proceso de estabilización pueden incluir: valores de resistencia (R) más altos, reducción de la plasticidad, menor permeabilidad, reducción del espesor del pavimento, eliminación de la excavación (transporte/manipulación de material) e importación de base, facilita la compactación, proporciona acceso "en todo clima" a los sitios de los proyectos y dentro de ellos. Otra forma de tratamiento del suelo estrechamente relacionada con la estabilización del suelo es la modificación del suelo, a veces denominada "secado de lodo" o acondicionamiento del suelo. Aunque en la modificación del suelo se produce cierta estabilización de forma inherente, la distinción es que la modificación del suelo es simplemente un medio para reducir el contenido de humedad de un suelo para acelerar la construcción, mientras que la estabilización puede aumentar sustancialmente la resistencia al corte de un material de modo que pueda incorporarse al diseño estructural del proyecto. Los factores determinantes asociados con la modificación del suelo frente a la estabilización del suelo pueden ser el contenido de humedad existente, el uso final de la estructura del suelo y, en última instancia, el beneficio de costo proporcionado. El equipo para los procesos de estabilización y modificación incluye: esparcidores de aditivos químicos, mezcladores de suelo (recuperadores), contenedores de almacenamiento neumáticos portátiles, camiones cisterna, compactadores de elevación profunda, motoniveladoras.

Relleno fluido

Las cenizas volantes también se utilizan como componente en la producción de relleno fluido (también llamado material de baja resistencia controlada o CLSM), que se utiliza como material de relleno autonivelante y autocompacto en lugar de tierra compactada o relleno granular. La resistencia de las mezclas de relleno fluido puede variar de 50 a 1200 lbf/ in2 (0,3 a 8,3 MPa ), según los requisitos de diseño del proyecto en cuestión. El relleno fluido incluye mezclas de cemento Portland y material de relleno, y puede contener aditivos minerales. Las cenizas volantes pueden reemplazar al cemento Portland o al agregado fino (en la mayoría de los casos, arena de río) como material de relleno. Las mezclas con alto contenido de cenizas volantes contienen casi todas cenizas volantes, con un pequeño porcentaje de cemento Portland y suficiente agua para que la mezcla sea fluida. Las mezclas con bajo contenido de cenizas volantes contienen un alto porcentaje de material de relleno y un bajo porcentaje de cenizas volantes, cemento Portland y agua. Las cenizas volantes de clase F son las más adecuadas para mezclas con alto contenido de cenizas volantes, mientras que las cenizas volantes de clase C casi siempre se utilizan en mezclas con bajo contenido de cenizas volantes. [33] [34]

Hormigón asfáltico

El hormigón asfáltico es un material compuesto que consiste en un aglutinante asfáltico y un agregado mineral que se utiliza comúnmente para pavimentar carreteras. Las cenizas volantes de clase F y clase C se pueden utilizar normalmente como relleno mineral para rellenar los huecos y proporcionar puntos de contacto entre partículas de agregado más grandes en mezclas de hormigón asfáltico. Esta aplicación se utiliza junto con otros aglutinantes (como el cemento Portland o la cal hidratada) o como reemplazo de ellos. Para su uso en pavimentos asfálticos, las cenizas volantes deben cumplir con las especificaciones de relleno mineral descritas en ASTM D242. La naturaleza hidrófoba de las cenizas volantes proporciona a los pavimentos una mejor resistencia al desprendimiento. También se ha demostrado que las cenizas volantes aumentan la rigidez de la matriz asfáltica, lo que mejora la resistencia a la formación de surcos y aumenta la durabilidad de la mezcla. [33] [35]

Relleno para termoplásticos

Las cenizas volantes de carbón y petróleo de esquisto se han utilizado como relleno para termoplásticos que podrían emplearse para aplicaciones de moldeo por inyección . [36]

Geopolímeros

Más recientemente, las cenizas volantes se han utilizado como componente en geopolímeros , donde la reactividad de los vidrios de cenizas volantes se puede utilizar para crear un aglutinante similar a un cemento Portland hidratado en apariencia, pero con propiedades potencialmente superiores, incluyendo emisiones reducidas de CO 2 , dependiendo de la formulación. [37]

Hormigón compactado con rodillo

El depósito superior de la planta hidroeléctrica Taum Sauk de Ameren se construyó con hormigón compactado con rodillo que incluía cenizas volantes de una de las plantas de carbón de Ameren. [38]

Otra aplicación del uso de cenizas volantes es en las presas de hormigón compactado con rodillos . Muchas presas en los EE. UU. se han construido con un alto contenido de cenizas volantes. Las cenizas volantes reducen el calor de hidratación, lo que permite que se produzcan capas más gruesas. Los datos sobre estos casos se pueden encontrar en la Oficina de Recuperación de los EE. UU. Esto también se ha demostrado en el Proyecto de la Presa Ghatghar en la India .

Ladrillos

Existen varias técnicas para fabricar ladrillos de construcción a partir de cenizas volantes, con lo que se obtiene una amplia variedad de productos. Un tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando cenizas volantes con una cantidad igual de arcilla y luego cociéndolos en un horno a unos 1000 °C. Este método tiene la principal ventaja de reducir la cantidad de arcilla necesaria. Otro tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando tierra, yeso, cenizas volantes y agua, y dejando que la mezcla se seque. Como no se necesita calor, esta técnica reduce la contaminación del aire. Los procesos de fabricación más modernos utilizan una mayor proporción de cenizas volantes y una técnica de fabricación a alta presión, que produce ladrillos de alta resistencia con beneficios ambientales.

En el Reino Unido, las cenizas volantes se han utilizado durante más de cincuenta años para fabricar bloques de hormigón para la construcción . Se utilizan ampliamente para la capa interior de las paredes huecas . Son naturalmente más aislantes térmicamente que los bloques fabricados con otros agregados. [39]

Los ladrillos de fresno se han utilizado en la construcción de viviendas en Windhoek, Namibia , desde la década de 1970. Sin embargo, existe un problema con los ladrillos: tienden a fallar o a producir protuberancias antiestéticas. Esto sucede cuando los ladrillos entran en contacto con la humedad y se produce una reacción química que hace que los ladrillos se expandan. [ cita requerida ]

En la India, los ladrillos de cenizas volantes se utilizan para la construcción. Los principales fabricantes utilizan un estándar industrial conocido como "Ceniza de combustible pulverizada para mezcla de cal y puzolana", que utiliza más del 75 % de residuos reciclados posindustriales y un proceso de compresión. Esto produce un producto resistente con buenas propiedades de aislamiento y beneficios ambientales. [40] [41]

Compuestos de matriz metálica

Las partículas de cenizas volantes han demostrado su potencial como buen refuerzo de las aleaciones de aluminio y muestran una mejora de las propiedades físicas y mecánicas. En particular, la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción y la dureza aumentan cuando se aumenta el porcentaje de contenido de cenizas volantes, mientras que la densidad disminuye. [42] La presencia de cenosferas de cenizas volantes en una matriz de Al puro disminuye su coeficiente de expansión térmica (CTE). [43]

Extracción de minerales

Es posible utilizar la destilación al vacío para extraer germanio y tungsteno de las cenizas volantes y reciclarlos. [44]

Tratamiento y estabilización de residuos

Las cenizas volantes, debido a su alcalinidad y capacidad de absorción de agua, pueden utilizarse en combinación con otros materiales alcalinos para transformar los lodos de depuradora en fertilizantes orgánicos o biocombustibles . [45] [46]

Catalizador

Las cenizas volantes, cuando se tratan con hidróxido de sodio , parecen funcionar bien como catalizador para convertir el polietileno en una sustancia similar al petróleo crudo en un proceso de alta temperatura llamado pirólisis [47] y se utiliza en el tratamiento de aguas residuales. [48]

Además, las cenizas volantes, principalmente de clase C, pueden utilizarse en el proceso de estabilización/solidificación de residuos peligrosos y suelos contaminados. [49] Por ejemplo, el proceso Rhenipal utiliza cenizas volantes como aditivo para estabilizar lodos de depuradora y otros lodos tóxicos. Este proceso se ha utilizado desde 1996 para estabilizar grandes cantidades de lodos de cuero contaminados con cromo (VI) en Alcanena , Portugal. [50] [51]

Impactos ambientales

La mayoría de los CCP se depositan en vertederos, se colocan en pozos de minas o se almacenan en estanques de cenizas en centrales eléctricas a carbón. La contaminación de las aguas subterráneas por estanques de cenizas sin revestimiento ha sido un problema ambiental continuo en los Estados Unidos. [52] Además, algunos de estos estanques han tenido fallas estructurales, lo que ha provocado derrames masivos de cenizas en los ríos, como el derrame de cenizas de carbón del río Dan en 2014. [53] Las normas federales de diseño para estanques de cenizas se reforzaron en 2015. [54] [55] Tras los desafíos judiciales a varias disposiciones de las regulaciones de 2015, [56] la EPA emitió dos normas finales en 2020, denominadas normas "CCR Parte A" y "CCR Parte B". Las normas requieren que algunas instalaciones modernicen sus embalses con revestimientos, mientras que otras instalaciones pueden proponer diseños alternativos y solicitar tiempo adicional para lograr el cumplimiento. [57] [58] En marzo de 2023 publicó una norma propuesta que reforzaría los límites de aguas residuales para las descargas a aguas superficiales. [59]

Contaminación de aguas subterráneas

El carbón contiene niveles traza de oligoelementos (como arsénico , bario , berilio , boro , cadmio , cromo , talio , selenio , molibdeno y mercurio ), muchos de los cuales son altamente tóxicos para los seres humanos y otras formas de vida. Por lo tanto, las cenizas volantes obtenidas después de la combustión de este carbón contienen concentraciones mejoradas de estos elementos y el potencial de las cenizas para causar contaminación de las aguas subterráneas es significativo. [60] En los EE. UU. hay casos documentados de contaminación de las aguas subterráneas que siguieron a la eliminación o utilización de cenizas sin que se hubiera establecido la protección necesaria.

Ejemplos

Maryland

Constellation Energy eliminó cenizas volantes generadas por su central generadora Brandon Shores en una antigua mina de arena y grava en Gambrills, Maryland , entre 1996 y 2007. Las cenizas contaminaron las aguas subterráneas con metales pesados. [61] El Departamento de Medio Ambiente de Maryland impuso una multa de un millón de dólares a Constellation. Los residentes de la zona presentaron una demanda contra Constellation y en 2008 la empresa resolvió el caso por 54 millones de dólares. [62] [63]

Carolina del Norte

En 2014, a los residentes que viven cerca de la estación de vapor Buck en Dukeville, Carolina del Norte , se les dijo que "los pozos de cenizas de carbón cerca de sus hogares podrían estar filtrando materiales peligrosos a las aguas subterráneas". [64] [65]

Illinois

Illinois tiene muchos vertederos de cenizas de carbón con cenizas de carbón generadas por plantas de energía eléctrica que queman carbón. De los 24 vertederos de cenizas de carbón del estado con datos disponibles, 22 han liberado contaminantes tóxicos, incluidos arsénico , cobalto y litio , en aguas subterráneas, ríos y lagos. Los productos químicos tóxicos peligrosos vertidos al agua en Illinois por estos vertederos de cenizas de carbón incluyen más de 300.000 libras de aluminio, 600 libras de arsénico, casi 300.000 libras de boro, más de 200 libras de cadmio, más de 15.000 libras de manganeso, aproximadamente 1.500 libras de selenio, aproximadamente 500.000 libras de nitrógeno y casi 40 millones de libras de sulfato, según un informe del Environmental Integrity Project , Earthjustice , Prairie Rivers Network y Sierra Club . [66]

Tennesse

En 2008, la planta de combustibles fósiles de Kingston , en el condado de Roane, derramó 1.100 millones de galones de cenizas de carbón en los ríos Emory y Clinch y dañó zonas residenciales cercanas. Se trata del mayor derrame industrial en Estados Unidos [67].

Texas

Según un estudio del Environmental Integrity Project (EIP), las aguas subterráneas que rodean cada una de las 16 centrales eléctricas de carbón de Texas han sido contaminadas por cenizas de carbón. Se encontraron niveles peligrosos de arsénico, cobalto, litio y otros contaminantes en las aguas subterráneas cercanas a todos los vertederos de cenizas. En 12 de los 16 sitios, el análisis del EIP encontró niveles de arsénico en las aguas subterráneas diez veces superiores al Nivel Máximo de Contaminantes de la EPA ; se ha descubierto que el arsénico causa varios tipos de cáncer. En 10 de los sitios, se encontró litio, que causa enfermedades neurológicas, en las aguas subterráneas en concentraciones superiores a 1.000 microgramos por litro, que es 25 veces el nivel máximo aceptable. El informe concluye que la industria de los combustibles fósiles en Texas no ha cumplido con las regulaciones federales sobre el procesamiento de cenizas de carbón y que los reguladores estatales no han protegido las aguas subterráneas. [68]

Ecología

El efecto de las cenizas volantes sobre el medio ambiente puede variar en función de la planta de energía térmica donde se produzcan, así como de la proporción de cenizas volantes respecto de las cenizas de fondo en el producto de desecho. [69] Esto se debe a la diferente composición química del carbón en función de la geología del área donde se encuentra el carbón y del proceso de combustión del carbón en la planta de energía. Cuando se quema el carbón, crea un polvo alcalino . Este polvo alcalino puede tener un pH que varía de 8 a 12. [70] El polvo de cenizas volantes se puede depositar en la capa superior del suelo, lo que aumenta el pH y afecta a las plantas y animales del ecosistema circundante. Los oligoelementos, como hierro , manganeso , zinc , cobre , plomo , níquel , cromo , cobalto , arsénico , cadmio y mercurio , se pueden encontrar en concentraciones más altas en comparación con las cenizas de fondo y el carbón original. [69]

Las cenizas volantes pueden filtrar componentes tóxicos que pueden ser de cien a mil veces mayores que el estándar federal para agua potable . [71] Las cenizas volantes pueden contaminar el agua superficial a través de la erosión , la escorrentía superficial , las partículas en el aire que aterrizan en la superficie del agua, el agua subterránea contaminada que se mueve hacia las aguas superficiales, el drenaje de inundaciones o la descarga de un estanque de cenizas de carbón. [71] Los peces pueden contaminarse de un par de formas diferentes. Cuando el agua está contaminada por cenizas volantes, los peces pueden absorber las toxinas a través de sus branquias. [71] El sedimento en el agua también puede contaminarse. El sedimento contaminado puede contaminar las fuentes de alimento de los peces, los peces pueden luego contaminarse al consumir esas fuentes de alimento. [71] Esto puede conducir a la contaminación de los organismos que consumen estos peces, como pájaros, osos e incluso humanos. [71] Una vez expuestos a las cenizas volantes que contaminan el agua, los organismos acuáticos han tenido niveles aumentados de calcio , zinc, bromo , oro, cerio, cromo, selenio, cadmio y mercurio. [72]

Los suelos contaminados con cenizas volantes mostraron un aumento en la densidad aparente y la capacidad hídrica, pero una disminución en la conductividad hidráulica y la cohesión. [72] El efecto de las cenizas volantes en los suelos y los microorganismos en los suelos está influenciado por el pH de las cenizas y las concentraciones de metales traza en las cenizas. [72] Las comunidades microbianas en suelos contaminados han mostrado reducciones en la respiración y la nitrificación. [72] Estos suelos contaminados pueden ser perjudiciales o beneficiosos para el desarrollo de las plantas. [72] Las cenizas volantes suelen tener resultados beneficiosos cuando corrigen las deficiencias de nutrientes en el suelo. [72] La mayoría de los efectos perjudiciales se observaron cuando se observó fitotoxicidad por boro. [72] Las plantas absorben los elementos elevados por las cenizas volantes del suelo. [72] El arsénico, el molibdeno y el selenio fueron los únicos elementos encontrados en niveles potencialmente tóxicos para los animales de pastoreo. [72] Los organismos terrestres expuestos a las cenizas volantes solo mostraron niveles aumentados de selenio. [72]

En el Reino Unido, las lagunas de cenizas volantes de antiguas centrales eléctricas de carbón se han convertido en reservas naturales como Newport Wetlands , [73] [74] que proporcionan hábitat para aves raras y otros animales salvajes. [75]

Derrames de almacenamiento a granel

Falla en la contención de cenizas volantes de la Autoridad del Valle de Tennessee el 23 de diciembre de 2008 en Kingston, Tennessee

Cuando las cenizas volantes se almacenan a granel, generalmente se almacenan húmedas en lugar de secas para minimizar la fuga de polvo . Los embalses resultantes ( estanques de cenizas ) suelen ser grandes y estables durante largos períodos, pero cualquier ruptura de sus presas o diques es rápida y a gran escala.

En diciembre de 2008, el colapso de un terraplén en un embalse para el almacenamiento húmedo de cenizas volantes en la planta fósil de Kingston de la Autoridad del Valle de Tennessee causó una importante liberación de 5,4 millones de yardas cúbicas de cenizas volantes de carbón, dañando tres casas y fluyendo hacia el río Emory . [76] Los costos de limpieza pueden superar los $1.2 mil millones. [ necesita actualización ] Este derrame fue seguido unas semanas más tarde por un derrame más pequeño de la planta de TVA en Alabama , que contaminó Widows Creek y el río Tennessee . [77]

En 2014, 39.000 toneladas de cenizas y 27 millones de galones (100.000 metros cúbicos) de agua contaminada se derramaron en el río Dan , cerca de Eden (Carolina del Norte), desde una central eléctrica de carbón cerrada de Carolina del Norte que es propiedad de Duke Energy. Actualmente es el tercer peor derrame de cenizas de carbón que ha ocurrido en Estados Unidos. [78] [79] [80]

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) publicó una regulación sobre residuos de combustión de carbón (CCR) en 2015. La agencia continuó clasificando las cenizas de carbón como no peligrosas (evitando así los estrictos requisitos de permisos bajo el Subtítulo C de la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA), pero con nuevas restricciones:

  1. Los estanques de cenizas existentes que contaminan las aguas subterráneas deben dejar de recibir CCR y cerrarse o revestirse con un revestimiento.
  2. Los estanques de cenizas y vertederos existentes deben cumplir con las restricciones estructurales y de ubicación, cuando corresponda, o cerrar.
  3. Un estanque que ya no recibe CCR aún está sujeto a todas las regulaciones a menos que se desagote y se cubra antes de 2018.
  4. Los estanques y vertederos nuevos deben incluir un revestimiento de geomembrana sobre una capa de suelo compactado . [54]

El reglamento fue diseñado para prevenir fallas en los estanques y proteger las aguas subterráneas. Se requiere una inspección, un registro y un seguimiento mejorados. También se incluyen procedimientos para el cierre, como la colocación de tapas, revestimientos y deshidratación. [81] Desde entonces, el reglamento de la CCR ha sido objeto de litigios.

Contaminantes

Las cenizas volantes contienen concentraciones traza de metales pesados ​​y otras sustancias que se sabe que son perjudiciales para la salud en cantidades suficientes. Los oligoelementos potencialmente tóxicos en el carbón incluyen arsénico , berilio , cadmio , bario , cromo , cobre , plomo , mercurio , molibdeno , níquel , radio , selenio , torio , uranio , vanadio y zinc . [82] [83] Aproximadamente el 10% de la masa de carbón quemado en los Estados Unidos consiste en material mineral no quemable que se convierte en ceniza, por lo que la concentración de la mayoría de los oligoelementos en las cenizas de carbón es aproximadamente 10 veces la concentración en el carbón original. Un análisis de 1997 realizado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) encontró que las cenizas volantes normalmente contenían de 10 a 30 ppm de uranio, comparable a los niveles encontrados en algunas rocas graníticas , roca fosfórica y pizarra negra . [84]

En 1980, el Congreso de los Estados Unidos definió las cenizas de carbón como un "residuo especial" que no estaría regulado bajo los estrictos requisitos de permisos para residuos peligrosos de la RCRA. En sus enmiendas a la RCRA, el Congreso ordenó a la EPA que estudiara la cuestión de los residuos especiales y determinara si era necesaria una regulación más estricta de los permisos. [85] En 2000, la EPA declaró que las cenizas volantes de carbón no necesitaban ser reguladas como residuos peligrosos. [86] [87] Como resultado, la mayoría de las centrales eléctricas no estaban obligadas a instalar geomembranas o sistemas de recolección de lixiviados en los estanques de cenizas. [88]

Estudios del USGS y otros sobre elementos radiactivos en cenizas de carbón han concluido que las cenizas volantes son comparables a suelos o rocas comunes y no deberían ser fuente de alarma. [84] Sin embargo, organizaciones comunitarias y ambientales han documentado numerosas preocupaciones sobre contaminación y daños ambientales. [89] [90] [91]

Preocupaciones por la exposición

La sílice cristalina y la cal, junto con sustancias químicas tóxicas, representan riesgos de exposición para la salud humana y el medio ambiente. Las cenizas volantes contienen sílice cristalina, que se sabe que causa enfermedades pulmonares, en particular silicosis , si se inhala. La sílice cristalina está catalogada por el IARC y el Programa Nacional de Toxicología de los EE. UU. como un carcinógeno humano conocido . [92]

La cal (CaO) reacciona con el agua (H2O ) para formar hidróxido de calcio [Ca(OH) 2 ], lo que le da a las cenizas volantes un pH de entre 10 y 12, una base de mediana a fuerte. Esto también puede causar daño pulmonar si está presente en cantidades suficientes.

Las hojas de datos de seguridad de materiales recomiendan tomar una serie de precauciones de seguridad al manipular o trabajar con cenizas volantes. [93] Estas incluyen usar gafas protectoras, respiradores y ropa desechable y evitar agitar las cenizas volantes para minimizar la cantidad que se dispersa en el aire.

La Academia Nacional de Ciencias señaló en 2007 que "la presencia de altos niveles de contaminantes en muchos lixiviados de CCR (residuos de combustión de carbón) puede crear problemas ecológicos y de salud humana". [3]

Regulación

Estados Unidos

Tras el derrame de cenizas volantes de carbón de la planta fósil de Kingston en 2008, la EPA comenzó a desarrollar regulaciones que se aplicarían a todos los estanques de cenizas del país. La EPA publicó la norma CCR en 2015. [54] Algunas de las disposiciones de la regulación CCR de 2015 fueron impugnadas en litigio, y el Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para el Circuito del Distrito de Columbia remitió ciertas partes de la regulación a la EPA para que elaborara más normas. [56]

El 14 de agosto de 2019, la EPA publicó una norma propuesta que utilizaría criterios basados ​​en la ubicación, en lugar de un umbral numérico (es decir, el tamaño del embalse o del vertedero) que requeriría que un operador demuestre un impacto ambiental mínimo para que un sitio pueda seguir en funcionamiento. [94]

En respuesta a la remisión judicial, la EPA publicó su norma final "CCR Parte A" el 28 de agosto de 2020, que exige que todos los estanques de cenizas sin revestimiento se adapten a ellos o cierren antes del 11 de abril de 2021. Algunas instalaciones pueden solicitar obtener tiempo adicional (hasta 2028) para encontrar alternativas para gestionar los desechos de cenizas antes de cerrar sus embalses superficiales. [95] [96] [97] La ​​EPA publicó su norma "CCR Parte B" el 12 de noviembre de 2020, que permite a ciertas instalaciones utilizar un revestimiento alternativo, basándose en una demostración de que la salud humana y el medio ambiente no se verán afectados. [58] A partir de 2021, hay litigios adicionales pendientes sobre la regulación CCR. [98]

En octubre de 2020, la EPA publicó una norma final sobre directrices para efluentes que revierte algunas disposiciones de su regulación de 2015, que había endurecido los requisitos sobre metales tóxicos en aguas residuales descargadas de estanques de cenizas y otros flujos de desechos de plantas de energía. [99] [100] La norma de 2020 también ha sido impugnada en litigios. [101] En marzo de 2023, la EPA publicó una norma propuesta que revertiría algunos aspectos de la norma de 2020 e impondría limitaciones más estrictas para las aguas residuales de algunas instalaciones. [102]

India

El Ministerio de Medio Ambiente, Bosques y Cambio Climático de la India publicó por primera vez una notificación en la gaceta en 1999 especificando el uso de cenizas volantes y ordenando una fecha límite para que todas las plantas de energía térmica cumplieran asegurando el 100% de utilización. [103] Las enmiendas posteriores en 2003 y 2009 trasladaron la fecha límite para el cumplimiento a 2014. Como informó la Autoridad Central de Electricidad de Nueva Delhi, en 2015, solo se estaba utilizando el 60% de las cenizas volantes producidas. [104] Esto ha dado lugar a la última notificación en 2015 que ha fijado el 31 de diciembre de 2017 como la fecha límite revisada para lograr el 100% de utilización. De las cenizas volantes utilizadas aproximadamente en un 55,7%, la mayor parte (42,3%) se destina a la producción de cemento, mientras que solo alrededor del 0,74% se utiliza como aditivo en el hormigón (véase la Tabla 5 [29]). Los investigadores en la India están abordando activamente este desafío trabajando en cenizas volantes como aditivo para hormigón y cemento puzolánico activado como el geopolímero [34] para ayudar a lograr el objetivo de utilización del 100%. [105] El mayor alcance claramente radica en el área de aumentar la cantidad de cenizas volantes que se incorporan al hormigón. India produjo 280 millones de toneladas de cemento en 2016. Con el sector de la vivienda consumiendo el 67% del cemento, existe un enorme alcance para incorporar cenizas volantes tanto en la creciente proporción de PPC como en el hormigón de resistencia baja a moderada. Existe la idea errónea de que los códigos indios IS 456:2000 para Hormigón y Hormigón Armado e IS 3812.1:2013 para Cenizas Volantes restringen el uso de Cenizas Volantes a menos del 35%. Existen conceptos erróneos similares en países como EE. UU. [106], pero la evidencia de lo contrario es el uso de HVFA en muchos proyectos grandes donde se han utilizado mezclas de diseño bajo un estricto control de calidad. Se sugiere que, para aprovechar al máximo los resultados de la investigación presentados en el artículo, se desarrolle urgentemente un hormigón de cenizas volantes de volumen ultraalto (UHVFA) para su uso generalizado en la India utilizando cenizas volantes locales. También se requieren medidas urgentes para promover los hormigones a base de cemento geopolímero o puzolana activados con álcali.

En el registro geológico

Debido a la ignición de depósitos de carbón por las Trampas Siberianas durante el evento de extinción del Pérmico-Triásico hace unos 252 millones de años, se liberaron grandes cantidades de carbón muy similar a las cenizas volantes modernas en los océanos, que se conservan en el registro geológico de depósitos marinos ubicados en el Alto Ártico canadiense. Se ha planteado la hipótesis de que las cenizas volantes podrían haber provocado condiciones ambientales tóxicas. [107]

Véase también

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