Desorción térmica a baja temperatura

Para la remediación ambiental , la desorción térmica a baja temperatura ( LTTD ), también conocida como volatilización térmica a baja temperatura , extracción térmica y tostado de suelos , 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 que los componentes se volatilicen y se desorban (separen físicamente) del suelo. Aunque no están diseñados para descomponer los componentes orgánicos , los desorbedores térmicos pueden, dependiendo de los compuestos orgánicos específicos presentes y la temperatura del sistema de desorción, provocar la descomposición total o parcial de algunos componentes orgánicos . 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 oxidadores destruyen los componentes orgánicos. Los condensadores y las unidades de adsorción de carbono atrapan los compuestos orgánicos para su posterior tratamiento o eliminación.

Para utilizar LTTD, es necesario realizar un pretratamiento y postratamiento del suelo. Primero, el suelo excavado se tamiza para eliminar  objetos grandes (de más de 5 cm de diámetro). Estos pueden ser clasificados (por ejemplo, triturados o desmenuzados) y luego reincorporados al material de alimentación. Tras salir del desorbedor, el suelo se enfría, se humedece para controlar el polvo y se estabiliza (si es necesario) para prepararlo para su eliminación o reutilización. El suelo tratado puede depositarse en el mismo lugar, utilizarse como cobertura en vertederos o incorporarse al asfalto.

LTTD ha demostrado ser muy eficaz en la reducción de concentraciones de productos derivados del petróleo, incluyendo gasolina , combustibles para aviones , queroseno , gasóleo , aceites de calefacción y aceites lubricantes . LTTD es aplicable a componentes que son volátiles a temperaturas de hasta 1200  °F. La mayoría de los desorbedores operan a temperaturas entre 300  °F y 1000  °F. Los desorbedores construidos con aleaciones especiales pueden operar a temperaturas de hasta 1200  °F. Los productos más volátiles (por ejemplo, gasolina) pueden desorberse en el rango operativo más bajo, mientras que los productos semivolátiles (por ejemplo, queroseno, gasóleo) generalmente necesitan temperaturas superiores a 700  °F, y los productos relativamente no volátiles (por ejemplo, aceite de calefacción, aceites lubricantes) necesitan temperaturas aún más altas. Esencialmente, todos los tipos de suelo son aptos para el tratamiento con 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 cantos rodados ) pueden requerir trituración; Los suelos de grano fino que son excesivamente cohesivos (por ejemplo, la arcilla ) pueden requerir trituración.

Las normativas estatales y locales exigen que los suelos contaminados con petróleo se sometan a pruebas piloto , procesando una muestra de suelo del sitio mediante el sistema LTTD (una "prueba de combustión"). Los resultados de las pruebas preliminares de muestras de suelo deben identificar las propiedades constituyentes relevantes, y el análisis de los registros de rendimiento de la máquina debe indicar la eficacia del sistema en el tratamiento del suelo. La eficacia demostrada de un sistema en un sitio o residuo específico no garantiza su eficacia en todos los sitios ni que la eficiencia del tratamiento sea aceptable en otros. Si se realiza una prueba de combustión, es importante asegurar que el suelo analizado sea representativo de las condiciones promedio y que se analicen suficientes muestras antes y después del tratamiento para determinar con certeza la eficacia del sistema LTTD.

El funcionamiento de las unidades LTTD requiere diversos 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 al 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 los gases 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 en los permisos y con otros parámetros operativos del sistema LTTD (por ejemplo, temperatura del desorbedor, tasa de alimentación de suelo, temperatura del postquemador).

La decisión sobre 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 suelos contaminados, la disposición del sitio). La viabilidad también está determinada por consideraciones regulatorias, logísticas y económicas . La economía de la LTTD como opción de remediación es altamente específica de cada sitio. Los factores económicos incluyen:

• Uso del sitio (porque la excavación y el tratamiento del suelo en el sitio en un sitio minorista (por ejemplo, gasolinera , tienda de conveniencia ) probablemente impedirán que el negocio funcione durante un tiempo bastante prolongado).
• El coste de la LTTD por unidad de volumen de suelo en relación con otras opciones de remediación.
• La ubicación del sistema LTTD aplicable más cercano (ya que los costos de transporte dependen de la distancia).

Los sistemas de desorción térmica se dividen en dos categorías principales: instalaciones fijas y unidades móviles. En las instalaciones fijas, los suelos contaminados se excavan y transportan; las unidades móviles pueden operarse directamente en el lugar. Existen diversas configuraciones de desorción, como desorbedores rotativos, secadores de agregados para plantas de asfalto, tornillos térmicos y hornos transportadores .

La plasticidad del suelo es una medida de su capacidad para deformarse sin cizallamiento y depende, en cierta medida, de su contenido de agua. Los suelos plásticos tienden a adherirse a las cribas y otros equipos, y a aglomerarse en grandes grumos. Además de ralentizar la velocidad de alimentación, los suelos plásticos son difíciles de tratar. Calentar suelos plásticos requiere temperaturas más altas debido a su baja relación superficie-volumen y su mayor contenido de humedad. Asimismo, dado que los suelos plásticos suelen ser de grano muy fino, los compuestos orgánicos tienden a estar fuertemente adsorbidos . El tratamiento térmico de suelos altamente plásticos requiere un pretratamiento, como la trituración o la mezcla con suelos más friables u otros enmiendas (por ejemplo, yeso ).

El material con un diámetro superior a 2  pulgadas deberá triturarse o retirarse. El material triturado se recicla y se reincorpora al abono para su procesamiento. Los suelos de grano grueso tienden a ser sueltos y no se aglomeran. Por lo general, no retienen un exceso de humedad, por lo que los contaminantes se desorben fácilmente. Los suelos de grano fino tienden a retener la humedad y a aglomerarse. Cuando están secos, pueden generar grandes cantidades de partículas que podrían requerir reciclaje tras ser interceptadas en el filtro de mangas.

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 tratarán en la unidad LTTD determinará el tiempo de residencia requerido y los requisitos de calentamiento para la eliminación efectiva de 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 mismo. El contenido de humedad también influye en la plasticidad, lo que afecta la manipulación del suelo. Los suelos con un contenido de humedad excesivo (> 20 %) deben deshidratarse. Los métodos típicos de deshidratación incluyen el secado al aire (si se dispone de espacio de almacenamiento para extender los suelos), la mezcla con suelos más secos o la deshidratación mecánica.

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

• Limitaciones en la eliminación de los residuos sólidos generados por la desorción.
• Prestar atención a las normativas de control de la contaminación atmosférica que limitan la cantidad de metales que pueden liberarse en las emisiones de las chimeneas.

A las temperaturas normales de funcionamiento del LTTD , es poco probable que los metales pesados ​​se separen significativamente de los suelos.

Las altas concentraciones de productos derivados del petróleo en el suelo pueden generar un elevado poder calorífico. El calor liberado por el suelo puede provocar sobrecalentamiento y daños en el desorbedor. Los suelos con un poder calorífico superior a 2000 Btu/lb requieren mezclarse con suelos más limpios para diluir la alta concentración de hidrocarburos. Las altas concentraciones de hidrocarburos en los gases de escape pueden exceder la capacidad térmica del postquemador y, potencialmente, liberar vapores sin tratar a la atmósfera. Los niveles excesivos de componentes en el suelo también podrían generar vapores en el desorbedor en concentraciones que superen el límite inferior de explosividad (LIE). Si se supera el LIE, existe 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 planta de asfalto
3. Tornillo térmico
4. Horno transportador

Si bien todos los sistemas LTTD utilizan calor para separar (desorber) los contaminantes orgánicos de la matriz del suelo, cada sistema tiene una configuración diferente con sus propias ventajas y desventajas. La decisión de utilizar un sistema u otro depende de la naturaleza de los contaminantes, así como de la disponibilidad de la maquinaria, el rendimiento del sistema y consideraciones económicas. El rendimiento del sistema puede evaluarse mediante pruebas piloto (por ejemplo, pruebas de combustión) o el análisis de los registros históricos de rendimiento de la maquinaria. Generalmente, no son necesarias pruebas piloto para desarrollar las condiciones de tratamiento en suelos contaminados con petróleo.

Los sistemas de tratamiento de gases residuales para sistemas LTTD están diseñados para abordar tres tipos de contaminantes atmosféricos: partículas, vapores orgánicos y monóxido de carbono. Las partículas se controlan mediante operaciones unitarias tanto húmedas (p. ej., lavadores Venturi) como secas (p. ej., ciclones, filtros de mangas). Los secadores rotatorios y los secadores de agregados asfálticos suelen utilizar operaciones unitarias de limpieza de gases secos. Los ciclones se utilizan para capturar partículas grandes y reducir la carga de partículas en el filtro de mangas. Los filtros de mangas se utilizan como dispositivo final de control de partículas. Los sistemas de tornillo térmico suelen utilizar un lavador Venturi como control primario de partículas.

El control de los vapores orgánicos se logra mediante su destrucción o recolección. Se utilizan postquemadores después de los secadores rotatorios y los hornos de cinta transportadora para destruir los contaminantes orgánicos y oxidar el monóxido de carbono. Los postquemadores convencionales están diseñados para que la temperatura de los gases de salida alcance entre 800  °C y 820 °C. La eficiencia de destrucción de compuestos orgánicos suele oscilar entre el 95 % y más del 99 %.

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

La temperatura de tratamiento es un parámetro clave que influye en el grado de tratamiento de los componentes orgánicos. La temperatura de tratamiento requerida depende del tipo específico de contaminación por hidrocarburos en el suelo. La temperatura real alcanzada por un sistema LTTD depende del contenido de humedad y la capacidad calorífica 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 influye en el grado de descontaminación que se puede lograr. El tiempo de residencia depende del diseño y funcionamiento del sistema, las características de los contaminantes y del suelo, y el grado de tratamiento requerido.