Estimation of residual MSW heating value as a function of waste component recycling

La prevención de la producción de residuos desde su origen y el reciclado de residuos de envases son solo parte de las estrategias para tener una gestión de residuos más amplia. El concepto de un manejo adecuado e integral de los residuos sólidos municipales (RSM) incluye la combinación de la prevención de la producción de residuos, el reciclaje, la recuperación de energía y las diferentes opciones de disposición.

La gestión de soluciones de RSM depende en gran medida de la composición  de los materiales de desecho, ya que su fracción orgánica constituye el principal factor de determinar la viabilidad de compostaje, mientras que las fracciones de papel y plásticos determinan la factibilidad de reciclaje o, debido a sus altos valores de calefacción, el de la incineración. La optimización de todo el proceso debe tener en cuenta la mejor combinación de reciclaje de residuos, recuperación de residuos en energía y opciones de eliminación de residuos.

En el artículo analizado se presenta un modelo matemático para calcular la composición de la fracción de la corriente  final de RSU destinados a su eliminación, los residuos remanentes como una función de la composición de la fracción inicial, la recolección selectiva desde origen y las fracciones de reciclaje de residuos de envases. Las capacidades  del modelo se demuestras a través del estudio de la entidad de gestión de RSU (MEMSW) de la región de Lisboa, que está destinado a la cuantificación del potencial de los desechos residuales como combustible incluso para situaciones donde el papel y los plásticos se reciclan de forma intensiva.

Desarrollo del Modelo  

Figura 1. Esquema de una sistema integrado de gestión posible para RSU.

La Fig. 1. muestra un esquema de las posibles operaciones de un sistema integrado de gestión de los RSM. Este sistema combina la recogida selectiva desde su origen que depende de la fracción de masa de cada material de desecho, Y1i, con el reciclaje de un material de desecho de envasado particular, MSI, con la recogida selectiva de residuos orgánicos en origen mSOi, tales como desechos de alimentos, y con disposición final (incineración) de los residuos mezclados residual, Y2i.

En la mayoría de los sistemas de gestión, los residuos de envases de plástico recogidos selectivamente son, además rodar por un proceso, se someten a una operación de ordenación generando dos flujos de residuos diferentes. La primera corriente contiene los residuos que poseen las condiciones necesarias para ser enviados a reciclaje, MRI, en cuanto a la segunda corriente incluye los residuos contaminados rechazados para ser enviados a disposición final, mCi, junto con los residuos mezclados. 

Esta situación también puede ocurrir con otros residuos de envases y se considera en el sistema integrado de gestión esquematizado en la Fig. 1. La materia orgánica, a su vez, puede ser recuperada en una planta de compostaje, para la producción de fertilizantes. El flujo de masa de residuos mezclados, mMSW, es la suma de todas las masas de los materiales diferentes que lo integran, Mii. En esta corriente, la fracción de masa promedio de cada material, Yi, se determina generalmente a través de análisis físicos de los residuos mezclados. Este parámetro, Yi, depende de la fracción inicial de cada material de residuos desde su origen, Y1i, en los flujos de masa de residuos de envases recogidos selectivamente y en los flujos de la masa de residuos orgánicos que se recogen por separado desde su origen. En otras palabras, la composición final de los residuos mezclados, Yi, depende tanto de la composición inicial de fracción y de la recogida selectiva desde su origen. En caso de que los materiales de desecho sean rechazados en el proceso de clasificación se reintroducen en el flujo de mezclado de residuos, la composición de la fracción de los residuos remanentes destinados a su eliminación, Y2i, depende de la composición inicial de fracción, en la recogida selectiva desde su origen y en el tipo de masa de residuos rechazados en la clasificación, mCi. Por lo tanto, también se hace necesario conocer la composición de los RSM desde su origen para determinar la composición final de los residuos destinados a su eliminación. Donde pueden ocurrir diferentes situaciones: 

1.      En un extremo, se puede tener una situación en la que no hay recogida selectiva desde el  origen y  Y1i =Yi  =Y2i. 

2.     En el otro extremo puede haber recogida por separado desde su origen y los residuos recogidos por separado puede ser totalmente reciclables, lo que significa Yi = Y2i 

3.     Se da la recogida selectiva desde el origen, pero sólo una parte de los residuos recogidos por separado se recicla, el resto es rechazado en el proceso de clasificación y no se envía a la incineración junto con los desechos mezclados, esto es equivalente a Yi = Y2i.

4.     Cuando hay recogida selectiva desde el origen y todos los residuos son rechazados en el proceso de clasificación se destina a incineración como disposición final junto con los residuos mezclados, esto lleva a Y1i-Yi-Y2i 

Se puede observar claramente, para situaciones 2 y 3 la influencia de reciclaje en la composición final es similar. Un ejemplo hipotético se presenta en la Tabla 1 para que sea más fácil de entender el desarrollo de modelado se presenta a continuación. 

Tabla 1. Ejemplo hipotético de la composición y la relación de las diferentes etapas de los sistemas de manejo de RSU

Eq. (1a) permite el cálculo de la composición de fracción de masa de material de desecho i en la fuente cuando se conocen los tipos de masas de los diferentes flujos.

Teniendo en cuenta que, 

y sustituyendo estas ecuaciones en la ecuación. (1a), se obtiene 

En las ecuaciones anteriores, n es el número de materiales separados en origen, MSI puede ser tanto la tasa de masa de materiales de embalaje de residuos que van a clasificar y reciclar, MSPI, o la masa de los residuos orgánicos que se está recuperando, mSOi. 

Como resultado de los análisis físicos de la mezcla de RSM, la fracción i de un material dado se expresa por: 

Para cualquier sistema de residuos, la composición de la fracción de residuos en origen y que destinados a su eliminación (flujo de residuos mezclados) obedecer a las siguientes relaciones: 

Además, si Y1i y las fracciones separados en origen para cada material, TSI, son conocidos, se obtienen las siguientes ecuaciones (véase la Tabla 1) 

En las ecuaciones. (4) - (6) TSi es la fracción separados en la fuente de un material dado i define como:

Por otra parte, la fuente separada fracción TS general se define como:

Eq. (6) permite el cálculo de IC como una función de Yc1i y de la fracción separados en la fuente, TSi. Sin embargo, en los sistemas reales que ya practican la recogida selectiva, los valores de ci son los que generalmente conocidos, y lo que realmente se necesita calcular  Y1i. Por lo tanto, de la ecuación. (6) se obtiene 

Se desprende de la ecuación. (9) que c1i aparece en ambos lados del mismo, por lo que su cálculo es difícil y, por lo tanto, esta dificultad tiene que ser superada. Cabe señalar que la fracción de RSM separados desde su origen en general también se puede calcular a través de las fracciones separadas desde el origen de los diferentes materiales, según lo expresado por:

En la ecuación anterior, la suma índice n puede tomar valores diferentes. De hecho, si n es el número de residuos específicos, como los de envases, las fracciones calculadas sólo se refieren a los residuos de envases. En alternativa, n puede ser el número total de los materiales en la composición RSM obtenido a través de análisis físicos. En este caso, n alcanza su valor máximo, n = nmax, y las fracciones calculadas se refieren a todos los materiales que comprenden el flujo de RSU, es decir, MPR T ¼ mMSWT, donde MPRT es la tasa de la masa total de los residuos potencialmente reciclables desde su origen. En el presente modelo, la segunda situación se considera, n = nmax, con el fin de calcular la fracción global de reciclado y la composición de la corriente de residuos mezclados. La fracción total de residuos mezclados recogidos se define como:

Dado que las tasas masa total de RSM es la suma de las tasas de masas de desechos recogidos por separado con los de la corriente de residuos mezclados, de acuerdo con la ecuación. (12), la elaboración de las ecuaciones. (8), (11) y (12) se obtiene la relación esperada dada por la ecuación (13).

Sustituyendo la ecuación. (10) en la ecuación. (13) y teniendo en cuenta la ecuación. (3a), para n = nmax, se obtiene: 

La sustitución de la ecuación. (14 ) en la ecuación. (13) los rendimientos 

Finalmente, sustituyendo la ecuación. (15) en la ecuación. (9), se obtiene la ecuación. (16a) para la fracción inicial de un material dado i en RSU, Y1i:

Obviamente que, de la ecuación. (16a), es sencillo para obtener la ecuación. (16b) para calcular Yi: 

Con esta ecuación se puede predecir la composición de la fracción de la corriente de residuos mezclados, ci, siempre que la composición de la fracción en la fuente, c1i, y la fracción proveniente de separación de cada material, TSi, sean conocidos. Esto se ilustra por el ejemplo hipotético en la Tabla 1. Ahora, la fracción de reciclado de un material dado i se define por la relación entre la tasa de masa de ese material en realidad reciclado (es decir, los residuos recogidos por separado que no se rechaza) y la potencialmente tasa de masa reciclable del mismo material en la fuente, la ecuación. (17), mientras que la fracción global de reciclado se define como la relación entre las tasas de masas reciclados y tasa de masa total potencialmente reciclable de los materiales considerados, Eq. (18): 

La fracción global de reciclado también puede calcularse a través de las fracciones de reciclaje de los diferentes materiales: 

Hay tres escenarios posibles sobre el destino de los residuos rechazados en el proceso de clasificación. Para el escenario 1, todos los residuos recogidos por separado se recicla y no hay rechazos; para el escenario 2, los residuos rechazados se vuelve a introducir en la corriente de residuos mezclados antes de la incineración; y para el escenario 3, los residuos rechazados no se reintroducen en el flujo de residuos mezclados, ya que tiene un destino diferente (por ejemplo, los vertederos). Cada uno de estos escenarios produce una composición final diferente del residuo mezclado que  va a incineración. Para el escenario 1, mCi= 0, MSPI = RM y Yi Y2i=, como todos los de la masa recogidos selectivamente se reciclan. De las ecuaciones. (17) y (7) se obtiene TRi= TSi y de las ecuaciones. (18) y (8) TR = TS. En el escenario 2, MCI-0, MSPI-MRI, Y2i-Yi, tri-TSi y TR - TS. En este caso, como se retira el flujo de masa de residuos rechazado y se volvió a introducir más tarde en la corriente de residuos mezclados, se puede suponer mCi¼ 0 siempre que un nuevo MspI se define como MspI ¼ MRI. Por lo tanto, las ecuaciones. (17) y (7), que es equivalente a considerar la fracción de reciclado de un material de desecho dada igual a la fracción recogida por separado, TSi¼ tri, y, a partir de las Ecs. (18) y (8), TS = TR. finalmente, 

para el escenario 3, MCI-0, MSPI-MRI, ci c2i=, tri-TSi y TR - TS. 

Para los escenarios 1 y 3, NCA. (16a) y (16b) se pueden utilizar. Sin embargo, para el escenario 2, se requieren nuevas ecuaciones. Para este caso, los valores de c1i entonces se pueden definir como una función de c2i o viceversa, tal como se expresa por las ecuaciones. (20a) y (20b) que se obtienen de las ecuaciones. (16a) y (16b) considerando mCi ¼ 0, TSi¼ TRi y TS = TR: 

Con la ecuación. (20b) la composición de la fracción de los residuos remanentes, c2i, se puede predecir que establece que la composición de la fracción desde su origen, c1i, y las fracciones de reciclado de cada material, tri, son conocidos.

Resultados  

• Composiciones fracción del flujo de residuos mezclados y desechos residuales 

El conocimiento de la composición de los RSU es de suma importancia al momento de la toma de decisiones en cuanto a la gestión de residuos.

Tabla 2. Composiciones típicas de la fracción (%) de residuos mezclados en las diferentes etapas del sistema de gestión de la zona urbana de Lisboa.

En la tabla 2, los valores de la composición de la fracción de masa de RSU desde su origen c1i, son calculadas por el modelo matemático realizado utilizando la ecuación. (20a), y las fracciones de los RSU separados desde su origen, TSi, y de reciclaje, TRi, se calculan a través de las ecuaciones. (7) y (17), respectivamente. 

Cabe mencionar que de acuerdo con las actuales legislaciones europeas y portuguesas, los valores que se tienen como objetivo de las tasas de reciclaje (fracciones de reciclaje), se refieren únicamente a la fracción de envases de los materiales de desecho. Además, el análisis de la composición física de los RSU desde su origen muestra que solo una parte de los residuos es potencialmente reciclable. Entonces podemos observar (tabla 2.) el porcentaje  el porcentaje total de papel/cartón desde su origen (tanto de envases y no envasado) es el  26,61% de los residuos mezclados y, de este porcentaje, sólo el 34,47% (9,17% de los residuos de envases de 26.61%) es potencialmente reciclable.  Para los plásticos totales (tanto de envases y de envases) no constituyen 9,84% de los RSU desde su origen  y, a partir de que, el 89,3% (8,79% de los residuos de envases de 9,84%) es potencialmente reciclable. Mostrando que el porcentaje  total de papel/cartón en la composición de los residuos es de 2,7 veces mayor que para los plásticos. Sin embargo, para fracciones iguales de reciclaje de materiales de envases, la reducción de los plásticos en la composición de los RSU es más grande que la del papel cartón.

También muestra la fracción de masa de cada material de desecho i a disposición, c2i, calculado a través de la ecuación. (20b), teniendo en cuenta que todos los residuos rechazados en el proceso de clasificación se reintroducen en el flujo de RSU mezclados  destinados a su eliminación. Además de los valores de fracción de recogida selectiva y reciclado para cada material de i, los valores globales de fracciones también son relaciones relevantes para la gestión de residuos. Estas fracciones se pueden calcular a través de las ecuaciones. (10) y (19), utilizando los valores de T Si, TRi y c1i que aparecen en la Tabla 2 Para el año 2002 y en la región de Lisboa, los valores de TS y TR fueron del 4,2% y 2,11%, respectivamente. 

• Influencia de la recuperación y reciclaje de materiales de desecho en la composición final de los residuos remanentes 

El reciclaje de cada material de desecho produce un diferente efecto en la composición y, como consecuencia, en el valor de calentamiento de los  RSU de desecho. Con el fin de evaluar y cuantificar dicha influencia, se considera que los materiales de desecho que son rechazados en el proceso de clasificación y se reintroducen en la corriente de mezclado de desechos (ver Fig. 1). El modelo matemático, y en particular la ecuación. (20b), se aplica a calcular el cambio de composición de los RSU cuando la fracción de cada material de reciclaje de los residuos de envases es variado entre 0% y 100%. En esta simulación, se considera que las fracciones de reciclaje varían de forma simultánea para todos los materiales de desecho de envases - papel, plástico, vidrio, madera y metal - junto con la fracción de reciclaje de los residuos de alimentos. 

 

Tabla 3.Variación de la composición física en seco de los RSM  en la región de Lisboa en función de la variación simultánea de las fracciones de residuos de envases de reciclaje, TRi, y la fracción de residuos de alimentos recuperado, TRfood

La tabla 3 aclara esta metodología a través de la presentación de los resultados de la aplicación del modelo a la región MEMSW Lisboa. Que como se puede observar, ha aumentado el reciclaje de residuos y materiales de envases de alimentos de 0% a 100% que producen una composición de los residuos con la fracción de desecho de papel que se incrementó en 73,6% (26,61 a 46,22) y la fracción de plástico se redujo en 71,7% (de 9,84 a 2,78). Estas fracciones de la composición de los desechos de residuos  no alcanzan un valor nulo para una fracción de reciclaje de 100% debido a que sólo una parte de esos materiales es reciclable: los residuos de envases.

Por otra parte, la tendencia de un material de desecho seguro para aumentar (envases de papel) o disminuir (paquete plástico-envejecimiento) su composición fraccionada en la basura residual depende, en primer lugar, en la composición de la fracción inicial, c1i, tal como se expresa por la ecuación. (20b). En segundo lugar, durante una cierta composición inicial y para fracciones iguales de reciclaje, la composición fraccional de cada material i en la basura residual es una función de la relación entre la fracción del material de envases que son reciclables i y la fracción de material i desde su origen. De hecho, si observamos la Tabla 2, el material de envases  de papel desde su origen es de sólo 9,17 de 26,61, es decir, 34,5%, mientras que para los plásticos, el material de envase es de  89,3%, es decir, 8,79 de 9,84.

  

Discusión 

Los datos obtenidos por el modelo matemático pueden ser utilizados como valores de entrada para las ecuaciones de cálculo y HHV LHV. Para los sistemas de gestión que poseen un proceso de incineración (WTE) como disposición final, el análisis debe centrarse en la predicción de la variación de los valores caloríficos de residuos en función de las tasas de reciclaje Legalmente impuestas y las tasas de recuperación de residuos.

Los modelos predictivos para los valores calóricos, HHV y PCL de los RSU se han desarrollado por varios autores. Algunos de estos modelos se basan en la composición física de residuos, mientras que otros se basan en los análisis químicos finales o próximos. Por lo tanto, es necesario convertir la composición física de RSU en su composición química. Dicha conversión muestra un ejemplo (tabla 4.) Con tal composición química seca (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y ceniza) para cada componente de residuos, la media ponderada de masa de la composición química seca de residuos se puede evaluar como se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4. Conversión de los RSM, composición física en la composición química en seco.

Además, si  conocemos también el contenido de humedad de cada componente de residuos, la composición química húmeda se puede evaluar como se muestra en la Tabla 5 En esta tabla, el porcentaje de masa de cada componente químico i viene dado por mi, w = mi, d (1 _ mW / 100), donde mi, w y mi, d son los porcentajes de masa húmeda y seca del componente químico i, respectivamente, y mw es el porcentaje de masa de humedad. 

Tabla 5. Conversión de la composición física RSM a composición química húmeda 

Con el fin de evaluar la influencia de las tasas de reciclaje en los valores caloríficos de los residuos mezclados, se aplicó el modelo desarrollado en el presente trabajo para calcular la composición física de los RSM con disposición final (incineración), c2i. La ecuación Sheurer-Kestner se utilizó en el presente documento para calcular el HHV sobre una base seca. El LHV se calcula haciendo el correspondiente a la ecuación Mendeliev. Estas ecuaciones son, respectivamente, 

Para la ecuación Sheurer-Kestner, los valores de C, H, S, O y la humedad W, se dan en porcentaje en peso sobre una base seca, mientras que para la ecuación Mendeliev esos valores son el porcentaje en peso en base húmeda. 

Las ecuaciones. (21a) y (21b) se desarrollan a través mezclas particulares de diferentes tipos de desechos sólidos, y el valor térmico de residuos puede no estar perfectamente correlacionado con el C, H, S, O y el contenido de agua. Los coeficientes usados ​​en estas ecuaciones podrían necesitan ser cambiados para las mezclas de residuos específicos, y podría ser apropiado utilizar la hora de dimensionar el equipo incinerador o, en alternativa, ecuaciones diferentes se pueden obtener experimentalmente. Las ecuaciones se utilizan en este trabajo como una ayuda en la evaluación de las opciones de política y sus posibles inexactitudes que si son leves no debe un efecto enormemente en las conclusiones de la evaluación. 

 La Fig. 2 muestra las curvas que representan la variación de la HHV desechos residuales con el reciclado de cada material de residuos de envases y la recuperación de los residuos de comida. Cada curva representa el efecto de la variación  individual de la tasa de reciclaje de materiales de envases (papel, plástico, madera, vidrio y metal). La Fig. 3 muestra gráficos similares para la variación de LHV de los RSU residuales con los mismos parámetros. 

Figura 2. Influencia de las tasas de reciclaje de los diferentes materiales de desecho de envases y de la materia orgánica en el alto poder calorífico (HHV) de residuos mezclados. RSM - variación simultanea de las tasas de reciclaje de todos los materiales de evases. RSM (1)- la variación simultanea de las tasas de reciclaje de todos los materiales de envases y de los residuos de alimentos   

  

Figura 3. Influencia de las tasas de reciclaje de los diferentes materiales de desecho de envases diferentes  y de la materia orgánica en el valor de calentamiento bajo (PCI) de residuos mezclados. RMS variación simultanea de las tasas de reciclaje de todos los materiales de envases. RSM (1)- la variación simultanea de las tasas de reciclaje de todos los materiales de envases y de los residuos de alimentos

De la figura. 2 se puede observar que la recuperación de los residuos de alimentos tiene un efecto negativo diferente en el HHV y su reducción puede llegar a un máximo del 6,4%. Sin embargo, a partir de la fig. 3 se puede percibir el comportamiento opuesto: un efecto positivo del PCI de los residuos remanentes, exhibiendo un incremento que puede alcanzar un valor máximo de 36,8%. El impacto negativo en HHV es debido a la reducción de C y H en el residuo residual cuando se elimina la materia orgánica, mientras que el impacto positivo en LHV es debido a la reducción de H2O en el desecho residual se separa cuando los residuos de alimentos.

El valor de calefacción  varia cuando todas las fracciones porcentuales de todos los materiales envases varían simultáneamente su valor, mientras que la curva nombrado como RSM (1) representa la misma variación cuando todos los materiales de envases diferentes varían todos sus fracciones de reciclaje junto con el de la recuperación de alimentos residuos. 

Para esta situación, la Tabla 6 presenta dos composiciones químicas en el húmedo y seco sobre la base de los RSM residual como una función de la variación simultánea de las fracciones porcentuales de reciclaje de todos los materiales de residuos de envases (papel, plástico, vidrio, madera y metal) y de los residuos de alimentos entre 0% y 100%. 

Tabla 6. Variación de la composición química y los valores de calentamiento de RMS mezclados en la región de Lisboa como funcion de la variación simultanea de la tasa del reciclaje de residuos de envases, TRi y de la fracción de residuos alimentos recuperados  TRfood.

Estos valores fueron obtenidos para el mismo escenario que produjo la curva trazada RSU (1). Este cuadro muestra que, en base seca, los porcentajes en peso de carbono (C) e hidrógeno (H) disminuyen con el aumento de la fracción de reciclaje que, para la fase húmeda, el comportamiento es el opuesto. Sobre la base seca, tal disminución proviene de la reducción de residuos orgánicos, compuesto principalmente de C y H, y de su peso significativo en la composición química de la mezcla de RSM desde su origen . Por otro lado, el aumento del porcentaje en peso de C y H sobre la base húmeda proviene de la reducción de la humedad (H2O) de la composición mezclada de RSM que ocurre con la eliminación de residuos orgánicos. 

El reciclaje de los envases de papel reduce tanto el HHV y la LHV de la basura residual, pero sólo 0,3% para HHV y 4,2% para LHV debido al bajo porcentaje de envases de papel en esta composición MSW particular. Aunque el porcentaje de envases de plástico en la composición de los RSM es menor que el de los envases de papel, el impacto más negativo de reciclar el primero (6% para HHV y 14% para LHV) puede explicarse por el porcentaje mucho mayor de que el material de envases dentro de la clase de residuos de plástico, en comparación con el caso del papel / cartón (véase la Tabla 2). 

Conclusiones 

La recogida selectiva de los residuos de alimentos desde su origen y su recuperación tienen una fuerte influencia sobre ambos valores de calentamiento debido a su porcentaje dominante en la composición de los RSM mezclado inicial y su alto contenido de humedad.

Con el fin de predecir el uso potencial de los RSU como combustible, el parámetro más relevante a considerar es el LHV porque representa la energía realmente disponible para ser convertida en calor y / o electricidad. La comparación de los efectos en HHV y PCI de la variación de las fracciones de reciclaje confirma la declaración anterior.

El potencial que se ha mencionado anteriormente se hace más grande que cuando se produce una de las siguientes condiciones: la recuperación de los residuos de alimentos aumenta, el reciclado de vidrio aumenta o los aumentos de reciclaje de metal. 

Discusión del Articulo 

Discusión del Artículo 

¿El reciclado de residuos de envases puede ser compatible con la incineración dentro de los sistemas integrados de gestión de residuos?,  ¿Por qué?,  ¿De qué nos sirve el modelo matemático que se presenta? ¿De qué nos sirve determinar la fracción de residuos desde su origen y el reciclaje de los diferentes materiales de desecho?

Texto basado en el artículo: “Estimation of residual MSW heating value as a function of waste component recycling” de los autores: Alexandre Magrinho y Viriato Semiao. Mechanical Engineering Department, Escola Superior de Tecnologia de Setubal, Campus IPS, Estefanilha, Setubal, Portugal.- Mechanical Engineering Department, Instituto Superior Tecnico, Universidade Tecnica de Lisboa, Av. Rovisco Pais, 1049001 Lisbon, Portugal- Respectivamente.

Anexo