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Editado por Dra. Gladys VidalCentro de Ciencias AmbientalesEULA-CHILEUniversidad de Concepción
Introducción
I. Procesos involucrados en la generaciónde cenizas de coke de petróleo
II. Características toxicológicas eimplicancias ambientales del uso decenizas de coke de petróleo
III. Experiencias del sector privado sobrela gestión integral de las cenizas decoke de petróleo
IV. Marco regulatorio para la utilizaciónde cenizas de coke de petróleo
V. Gestión integral de las cenizasgeneradas por la utilización de cokede petróleo
VI. Estudio de cenizas de coke de petróleopara aplicaciones en ingeniería vial
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compuestos antes indicado, en el coke depetróleo y posteriormente de las cenizas,dependerán en gran medida de la calidadde los combustibles que se están refinando,la elevada variabilidad de petróleos y susniveles de níquel y vanadio pueden resultaren cantidades variables de estos metalesen la ceniza.
El proceso de generación de energíaeléctrica a partir de calderas de lechofluidizado, se caracteriza por la formaciónde un alto volumen de cenizas. Estas cenizascontienen sulfato de calcio, originado porla caliza y el anhídrido sulfuroso, producidopor la combustión del coke de petróleo.Esta característica permite que las cenizaspuedan ser usadas, entre otras aplicaciones,como aglutinante en el mejoramiento decaminos.
El presente libro “Gestión integral de lascenizas generadas por la utilización delcoke de petróleo”, tiene como objetivorevisar conceptos relacionados con losprocesos productivos de generación de cokede petróleo, consideraciones ambientales,marco regulatorio, apl icacionesinternacionales y experiencia nacionaladquirida de las cenizas generadas por lautilización del coke de petróleo.
La edición del material que se presenta acontinuación, pretende tratar la temáticade la gestión integral de cenizas generadaspor la utilización de coke de petróleo desdeuna perspectiva multilateral, en que losautores de los seis capítulos que se presentana continuación, esperan que estainformación sirva de referencia paraorganismos públicos, privados y público engeneral.
Dr. Oscar ParraDirector Centro de Ciencias AmbientalesEULA-CHILEUniversidad de Concepción
La generación de energía eléctrica a nivelmundial se ha visto fuertementeinfluenciada por las nuevas normativasambientales, las que han puesto hincapiéen la importancia de favorecer la utilizaciónde fuentes de energía alternativas a lasnormalmente consideradas.
En el caso chileno, la matriz energética estácompuesta principalmente por 40% deenergía hidroeléctrica y 60% a partir decentrales térmicas que emplean gas natural,petróleo diesel y carbón como combustible.Sin embargo, el suministro eléctrico no estáen condiciones de ser asegurado en eltiempo, debido a condiciones climatológicas,como la escasez de lluvias o a políticas decomercialización poco afortunadas de losproveedores. En este escenario, cobraimportancia contar con combustiblesalternativos que permitan suplir estosdesbalances y en consecuencia impedir quela falta de energía sea un impedimentopara el crecimiento del país.
El coke de petróleo (petcoke o “coque depetróleo”) es un subproducto generado delproceso de refinación de petróleo crudo.Su composición depende de la combinaciónde crudos procesados y tecnología de cadarefinería. En algunos casos, este subproductocontiene metales pesados tales como níquel,vanadio y cromo, elementos que sonretirados en el proceso de refinación.
Desde una perspectiva ambiental ytoxicológica, el coke de petróleo seencuentra asociado a su producciónindustrial, al almacenamiento y transportede éste. Así como también, al destino finalque pueden tener las cenizas generadaspor su utilización.
La combustión del coke de petróleo generacenizas que contienen metales residualesprovenientes del crudo original en la formade óxidos, sulfatos y silicatos. Los metalesde importancia toxicológica incluyen níquely vanadio. La concentración de los
La Refinería consiste en un conjunto deplantas de procesos destinadas a larefinación de petróleo crudo y laconversión de algunos subproductos dela refinación en productos.
El petróleo crudo, materia prima principal,proviene de diferentes partes del mundo.El crudo es recepcionado mediante elOleoducto Estenssoro - Pedrals y a travésdel Terminal Marítimo de San Vicente.Cualquiera sea su origen, se recibe y sealmacena en estanques de característicasnormalizadas internacionalmente.Durante el año 2004 se adquieren 6millones de metros cúbicos, siendoimportado el 100%.
Todas las unidades de la refinería trabajanen forma continua y de manerap e r m a n e n t e , d e t e n i é n d o s eocasionalmente y en forma programada.Algunas unidades se det ienenaproximadamente cada 3 años por 30días y otras 15 días al año.
La refinación permite obtener lossiguientes productos:
Gas licuado ( Propano, Butano), Gasolinas (97 octanos sin plomo, 93 octanos sinplomo), Kerosene ( De aviación,Doméstico (parafina)), Petróleo Diesel(Normal B, A1 (con bajo contenido de
azufre), Petróleo combustible (Diesel deinvierno, Fuel Oil Nº6 normal, Fuel Oilbajo en metales, IFOS (Combustible parabarcos)), Petroquímicos (Etileno,Propileno), Químicos (Azufre, Sulfhidratode Sodio), Asfaltos (Fondo de vacíoasfáltico y Componente asfáltico)
La refinería cuenta con las siguientesunidades de proceso:
División Refinería• Planta de Topping Vacío 1• Planta de Topping Vacío 2• Planta Merox Gasolina• Planta Merox Kerosene• Unidad de Visbreaker• Unidad de Cracking Catalítico (FCCU)• Unidad de Isomerización• Unidad Recuperadora de Livianos (URL)• Tratamiento de LPG (DEA)• Tratamiento de Fuel Gas (MDEA)• Planta Merox LPG• Planta Sulfhidrato de Sodio (NaHS)• Hidrotratamiento Diesel (HDS)• Reformación Continua (CCR)• Sistema de Antorcha L-1360
División Etileno e Hidrocracking• Planta de Hidrocracking• Planta de Hidrógeno Talcahuano (CHT)• Planta de Etileno• Sistema de Antorcha L-1320, L-1360 y
L-1390
División Coker• Unidad de Coquización (COKER)• Unidad de Hidrotratamiento (HDT)• Tratamiento de Gases de proceso MDEA-
Coker• Tratamiento de Aguas Ácidas Coker
(SWS 2)• Planta recuperadora de Azufre (URA)• Planta recuperadora de Azufre Nº2
(URA2)
Planta Movimiento de Producto• Planta tratamiento de aguas• Zona Intermedia• Almacenamiento de Crudo• Producto Terminado
Planta de suministro• Agua de enfriamiento• Vapor• Aire• Electricidad
DESCRIPCION DE LOS PROCESOSINVOLUCRADOS EN LA GENERACIONDE CENIZAS DE COKE DE PETROLEO
DIVISION REFINERIA
Topping y Vacío I y II
En las unidades de Topping (destilacióna t m o s f é r i c a ) , s e p r o d u c e e lfraccionamiento primario mediante laaplicación de temperatura. El crudocomienza a fraccionarse obteniéndose lossiguientes subproductos: gases livianos,gas licuado (LPG), gasolina de Topping,nafta, kerosene doméstico, kerosene deaviación, diesel, gas oil atmosférico ycrudo reducido.
Los gases livianos y el LPG van atratamiento donde se les reduce lacantidad de compuestos de azufre. Lagasolina de Topping se dirige comoalimentación a la planta de Etileno o vadirectamente a la preparación de gasolinascomerciales. La nafta alimenta a lasunidades de Etileno o reformación
Catalítica. Tanto el kerosene como eldiesel, pasan directamente a productoscomerciales, en el caso que cumplan conlas especificaciones del producto y nopasen por unidades de tratamiento. Elgas oil atmosférico se utiliza como cargapara la planta de craqueo catalítico y elcrudo reducido es para las unidades defraccionamiento al vacío.
Las unidades de vacío fraccionan el crudoreducido a bajas presiones, para obtenercantidades adicionales de gas oil y pitch(o fondo de vacío). El gas oil se envía acraqueo catalítico y a hidrocraqueo. Elpitch es la carga para la unidad deviscorreducción y se utiliza en lapreparación de Fuel Oil (aceitescombustibles) y en bases para asfalto.Adicionalmente el pitch de vacío, puedeser enviado a la planta de coker.
En cada unidad de Topping se utiliza undesalador. Esta operación consiste en unlavado con agua para remover las salessolubles y los sólidos en suspensión delpetróleo crudo. El propósito de estaunidad es evitar problemas en elfuncionamiento de equipos como: laobstrucción y corrosión de equipos, líneasy la desactivación de catalizadores. Launidad cuenta también con un lavado deborras, sistema de chorro de agua en elfondo del desalador, con el fin de evitarla acumulación de lodo y facilitar ladescarga.
CRACKING CATALITICO (FCCU)
La alimentación de esta planta consisteen Gas oil proveniente de las unidadesde topping y vacío I y II, más productoalmacenado en estanques y dehidrocracking. El proceso de craqueocatalítico consiste en someter al Gas Oila alta temperatura y en contacto con uncatalizador lo transforma principalmenteen gasolina de alto octanaje. Además seobtiene diesel, LPG, gases livianos y FuelOil.
Básicamente el proceso esta compuestopor una sección de catálisis y una secciónde fraccionamiento de los productoscraqueados.
TRATAMIENTO DE GASES LIVIANOS
Tratamiento de LPG con DEA
Los gases livianos provenientes de lamayoría de las unidades contienen ácidosulfhídrico, en esta operación se lograextraer el H2S, y con este se produce gasde refinería que es utilizado comocombustible en la misma refinería. Alextraer el ácido sulfhídrico se logra unacombustión de los gases con un mínimode contaminación atmosférica.
Tratamiento de Fuel Gas con MDEA
El objetivo de esta planta es concentrary recuperar el azufre para obtener el H2Sy de mercaptanos inferiores de la corrientede Fuel Gas, provenientes de la unidadde recuperación de livianos. El flujogaseoso es alimentado en contracorrientecon el flujo de amina (MDEA) en unatorre absorbedora. Por el tope se obtieneFuel Gas endulzado, y por el fondo unacorriente de MDEA enriquecida con H2S,esta es regenerada en una columnadesorbedora que por el tope sale gas quees enviado a la planta de Sulfhidrato deSodio (NaHS) o antorcha, en tanto queen el fondo se obtiene la MDEAregenerada.
PLANTA DE SULFHIDRATO DE SODIO(NAHS)
Esta planta permite extraer grandescantidades de azufre. El gas rico en H2Sproveniente de la planta de MDEA, semezcla con una corriente de soda. Por eltope del reactor, se obtiene un gas quees enviado a la antorcha, en tanto quepor el fondo, se obtiene la solución de
NaHS. Este producto se comercializa comoreactivo utilizado en la minería delmol ibdeno. D iv i s ión Et i leno eHidrocracking.
HIDROCRACKING
Básicamente es un proceso dehidrogenación catalítica, que se producea alta temperatura y presión, lo quepermite transformar el Gas Oil en dieselcon un bajo contenido de azufre ynitrógeno. Al mismo tiempo, se mejorala calidad del Gas Oil que no fueconvertido antes de ser enviado a launidad de craqueo catalítico.
La corriente de gas oil se precalienta y sejunta con un reciclo rico en hidrógeno,para ser alimentada al reactor dedesmetalización, desulfurización ehidrotratamiento donde se produce laremoción del azufre, nitrógeno y oxígeno.La unidad P.S.A (pressure SwingAbsortion), operada por Refinerías BíoBío tiene como función abastecer partedel hidrógeno de make-up a la planta dehidrocracking. Básicamente consiste enrecuperar y purificar los flujos dehidrógeno provenientes de las plantas deIsomerización y Etileno, entregando unhidrógeno de alta pureza.
SISTEMA DE ANTORCHAS
Las antorchas son válvulas de seguridadde la refinería. Las plantas generannormalmente cierto volumen de gases,los que pueden aumentar en formaimportante en caso de una emergenciaoperativa (como por ejemplo una fallaen una de las plantas del proceso). Si estosgases, que son altamente inflamables, nose queman en la antorcha, constituiríanen un peligro potencial en el área en quese concentren. Por ello, al quemarlos enla antorcha se elimina un factor decontaminación y un peligro de explosiónen el área.
DIVISION COKER
Unidad de Coker
Esta planta operada por Refinería Bío BíoS .A . un ida con la p lanta dehidrotratamiento y la cogeneradoraprocesa los pitch de fondo de las torresde vacío pertenecientes a las unidades deTopping para producir coque que secomercializa a Petropower. Los otrossubproductos obtenidos son gases livianos,nafta, diesel y Gas Oil.
La alimentación se carga en unacumulador, donde se precalienta con elGas Oil para se enviada al fondo de unatorre fraccionadora que se mezcla conuna corriente de reciclo. Se suministra elcalor necesario para la coquizaciónretardada, reacción endotérmica, queproduce una vaporización parcial y uncraqueo moderado de la corriente. Elproducto de fondo de la torre es enviadaa Petropower.
El efluente es una mezcla de gases ylíquidos que van acumulándose en unode los dos acumuladores de coque. Ellíquido se convierte en coque y los gasesde hidrocarburos livianos van saliendopor el tope. Los gases que salen por eltope después de entrar en una etapa dereciclo junto con gas oil son sometidos aenfriamiento, compresión, condensacióny separación en gases ácidos que sontratados en la planta de MDEA antes deser enviados a Fuel Gas y en Nafta queson parte de la alimentación de la unidadde HDT.
Al fin del ciclo el coque es retirado por elfondo, mediante su cortamiento coninyección de agua a alta presión. Lospedazos de coque caen por una trampahacia un sitio de acopio. El producto secarga a un molino y se envía por unatransportadora a almacenamientocerrado.
HIDROTRATAMIENTO (HDT)
Esta unidad produce Nafta, Diesel y LPGa partir de Gas Oil. La alimentaciónproviene de la unidad de Coker y deVisbreaker, se les retira el agua y se leinyecta hidrógeno y un antioxidante paraasegurar la estabilidad del flujo. La cargaes calentada antes de ser enviada alreactor de hidrogenación donde seproduce la completa saturación deoleofinas. El efluente líquido es mezcladocon un reciclo gaseoso para seralimentado a un segundo reactor dehidrotratamiento donde se produce lacompleta saturación de olefinas, latransformación de los compuestossulfurados a H2S y la denitrificación aNH3.
El flujo gaseoso es enviado a tratamientode Fuel Gas y el de fondo a un Splitterdonde se obtiene diesel y Nafta. Ademásse producen gases ácidos, que son tratadosen la unidad de Gases Ácidos.
UNIDAD DE TRATAMIENTO DE GASESACIDOS CON MDEA COKER
Trata los gases provenientes de lasunidades de Coker, HDT y HDS con elobjetivo de retirar el H2S los gases ácidosrecuperador se envían a la unidadrecuperadora de azufre.
La solución es preparada en unacumulador de concreto que posee en suparte superior un “demister”, que permiteretener los hidrocarburos pesados y trazasde aguas. La amina enriquecida en H2Ssale del absorbedor por el fondo y entraen un “flash drum” donde se separan loshidrocarburos disueltos. En la columnaentra en contacto con el vapor, el vaporsale saturado de H2S se envía a la unidadde recuperación de azufre. El fondo serecicla en el regenerador de amina.
Unidad de recuperación de Azufre (URA)
El objetivo de esta unidad es convertir elácido sulfhídrico (H2S) contenido en losgases livianos de la refinería en azufreelemental. Esto se logra utilizando elproceso de Claus clásico. La unida constade tres partes principales: reactor térmico,reactor catalítico y un incinerador. Esteproceso permite remover alrededor del96% del azufre contenido en estos gasesy transformarlo en un productocomercializable.
DIVISION SUMINISTROS
Suministro de Agua de Enfriamiento
El agua es proporcionada a Refineríadirectamente por la Bocatoma en el ríoBío Bío, mediante un conjunto de 9bombas verticales. El ducto principal pasapor las plantas hacia tres estanques de14.400 m3 ubicados fuera de la refinería.Cada planta que utiliza agua, se conectaa esta línea de servicio y devuelve el aguapara ser tratada en las distintas unidadesdel sistema de tratamiento.
SUMINISTRO DE VAPOR
Uno de los procesos conectados a la líneade agua es la producción de vapor decaldera. La División Suministro, opera 6calderas aquatubulares: dos con unacapacidad de 20T/h de vapor, tresequipadas con un precalentador de airey proporcionando 35T/h, y una de 40 T/hcon un precalentador de agua. Estasgeneradoras de vapor necesitan unproceso de tratamiento de aguas paradi sminuir la dureza , turb idez ,concentración de sílice, de oxígeno y deCO2 con el fin de evitar los problemas decorrosión y de ensuciamiento de lascalderas y de las líneas de vapor.
SUMINISTRO DE AIRE
Ocho compresores proporcionan un flujode 600 pie
3/min. El aire producido por la
compresión tiene una temperatura de180ºC este se enfria y se acumula. Unaparte se utiliza como aire de servicio y laotra se seca y se usa como aire deinstrumento.
SUMINISTRO DE ELECTRICIDAD
Para sos tener e l consumo deaproximadamente de 13.000 kW ademásde ser conectada al sistema deabastecimiento de ENDESA, se cuenta congeneradores propios, la cogeneradoraPetropower entrega una parte de suproducción de electricidad.
Figura 1. Proceso de cogeneración y la generación de tres tipos de cenizas.
Caliza
Combustible
SecciónConvectiva
Ciclón Turbina
Filtros
Molino
Aire
2. Ceniza de fondo (BA): Está compuestapor partículas de tamaño mayor a 0,075mm; esta ceniza precipita al fondo dela caldera y se extrae por gravedad.
3. Ceniza combinada (FBA): Correspondea la mezcla de ceniza volante y defondo, que se produce al mezclarseambas en el silo de almacenamiento.Esta ceniza se puede encontrar enestado seco (FBA-d) o hidratada (FBA-h) en los rellenos de seguridad.
El proceso de cogeneración incluye laadición de caliza a la caldera, para reducirla emisión de SOx a la atmósfera. Comosubproducto de la combustión de dichosmateriales, se produce una gran cantidadde cenizas, denominadas cenizas FBC, lasque se pueden dividir en 3 grupos:
1. Ceniza volante (FA): Corresponde a lafracción más fina, la cual es atrapadaen los colectores de sacos (“baghouse”).
En la unidad de Coquización Retardadael pitch proveniente de las torres de vacíoes transformado en coque, gas oil,gasolina, diesel y gases livianos. El coquees enviado a la planta Cogeneradoradonde es combustionado para obtenervapor de agua y energía eléctrica. Laenergía eléctrica generada en Petropower,ubicada en las instalaciones de ENAPRefinerías Bío-Bío, es utilizada en elfuncionamiento de esta planta, otra partees usada en ENAP Refinerías Bío Bío yPetroquim y el excedente es vendido alSistema Interconectado Central (SIC).
Las cenizas generadas durante lacombustión, tienen su origen en la caliza,ya que ésta absorbe el anhídrido sulfuroso,generando las reacciones de sulfatación(CaSO4), así como también, subproductosde dicha reacción tales como cal viva(CaO) y la calcita (CaCO3). Cuando elproceso se efectúa a presión atmosféricase detecta CaO.
Estos residuos se clasifican en CenizaLiviana y Ceniza Pesada. La generacióndiaria de cenizas varía entre 60 y 80toneladas. El 40 % de las cenizascorresponde a ceniza pesada y el 60%restante es ceniza liviana. Actualmente,éstas son dispuestas en el relleno deseguridad de Copiulemu S.A..
El contenido en azufre del carbón afectade forma directa a la presencia de CaSO4,CaO y CaCO3 en los residuos decombustión.
Por otra parte, la Agencia de ProtecciónAmbiental (EPA) aprueba la utilizaciónde las cenizas en diversos usos tales comola fabricación de paneles de construcción,aditivos para cemento. De acuerdo aliteratura, las cenizas FBC pueden serutilizadas para estabilizar suelos. Losresultados obtenidos indican que tantola resistencia mecánica como lasusceptibilidad al agua del suelo, mejoransignificativamente al adicionar entre 10y 20 % de ceniza con respecto a la fraccióndel suelo bajo 0,5 mm (malla #40).
En cuanto a las características físicas, esimportante resaltar que estas muestrasde residuos sólidos de combustión fraguanpor s i so la s , aumentando suimpermeabilidad a medida que transcurreel tiempo. Por tanto, el material no esdispersable (emisiones difusas).
En cuanto a características fisicoquímicaseste material tiene un 53% de CaO ytrazas de metales pesados, tales como Niy V, todos ellos no biodisponibles.
Hace ya algunos años, en 1999 para sermás exactos, se estuvo discutiendo en elpaís los efectos ambientales del uso decoke de petróleo como fuente de energíay su categorización como un producto yno un residuo. En dicha oportunidad noscorrespondió realizar una presentaciónen relación a las característicastoxicológicas y ambientales del coke depetróleo, ya habiéndose zanjado esadiscusión, nos hemos reunido ahora paradiscutir que es posible hacer con las cenizasde la combustión del coke de petróleo yconocer en particular sus característicastoxicológicas y ambientales.
Este trabajo por tanto, corresponde a unarecopilación de la literatura acerca de lascaracterísticas toxicológicas e implicanciasambientales de las cenizas de coke depetróleo, ya que no tenemos experienciaslocales de la evaluación de estos aspectos.
Partiremos por recordar que el coke depetróleo Es un sólido de color negro ogr i s -o s curo , p roduc ido por l adescomposición térmica y posteriorpolimerización de hidrocarburos líquidospesados, derivados de la destilaciónprimaria de petróleo crudo, por un
proceso denominado “coquizaciónretardada”. A este producto se le conocecon los siguientes nombres: Coke o coque,Coque de petróleo o Carbón de Petróleo,Petcoke.
Bajo condiciones ambientales normales,el coke de petróleo es químicamenteestable y no reactivo. Su combustióngenera óxidos de carbono y azufre, entanto que, la combustión incompletaproduce monóxido de carbono. La emisiónde compuestos azufrados a la forma deSO2 hacia la atmósfera es altamentedependiente de la composición delmaterial parental y de la tecnología deabatimiento disponible.
Básicamente el significado ambiental ytoxicológico del coke de petróleo seencuentra asociado a su producciónindustrial, el almacenamiento y transportedel coke, y finalmente las cenizasresultantes de la combustión.
La combustión del coke de petróleogenera cenizas que contienen metalesresiduales provenientes del crudo originalen la forma de óxidos, sulfatos y silicatos.Los metales de importancia toxicológicaincluyen al níquel y vanadio, un corolarioa ello es que los niveles de níquel yvanadio del coke y posteriormente de lascenizas, dependerán en gran medida dela calidad de los combustibles que se estánrefinando, la elevada variabilidad depetróleos y sus niveles de Ni y V puedenresultar en cantidades variables de estosmetales en la ceniza. Otro tipo decompuesto frecuentemente encontradoen las cenizas son los sulfatos.
La Tabla 1 muestra la composición típicadel coke de petróleo expresados comoporcentaje en peso y de las cenizas(expresados como partes por millón)resultantes de su combustión de acuerdoa lo encontrado en la literatura.
Tabla 1. Composición típica del Coke depetróleo y sus cenizas.
Constituyente Promedio RangoHidrógeno 3,31 3,0 – 3,6Nitrógeno 1,61 1,3 – 1,9Azufre 4,47 3,4 – 5,3Ceniza 0,27 0,0 – 0,6Oxígeno 0,00 0,0 – 0,1Humedad 10,60 5,5 – 15,0
Propiedades Promedio Rangode las Cenizas(ppm)Vanadio <2,000 500 - 2,000Niquel 336 250 - 450Hierro 84 50 - 250Material Volátil, % 10 8 - 16
Fuente : http : / /www.wor ldenergy .org /wec -geis/publications/default/tech_papers/17th_congress/1_2_26.asp#Heading3
Es relevante conocer los usos potencialesde las cenizas de coke de petróleo queinvolucran los siguientes usos, que seclasifican en general como usosencapsulados, donde el riesgo de lixiviadoes mínimo, para diferenciarlo de aquellosusos no encapsulados donde lasposibilidades de contaminación ambientalpueden ser mayores, en este caso caenlas aplicaciones como el mejoramientode suelos.
– Material para la estabilización de suelos– Aditivo para concreto– Relleno en la industria de cemento– Neutralización y solidificación deres iduos l íquidos en industr iaspetroquímicas– En la aglomeración de residuos fecalesde animales y estabilización de lodos detratamiento de efluentes domésticos.
Como ilustración del uso de las cenizasde combustión (que incluyen las cenizas
Figura 1. Usos de lascenizas de combustiónen los Estados Unidos.
1,4 E + 071,2 E + 071,0 E + 078,0 E + 066,0 E + 064,0 E + 062,0 E + 060,0 E + 06
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Sin duda puede existir preocupación enrelación a las consecuencias ambientalesdel uso del coke de Petróleo y sus cenizas,en particular en lo que se refiere a lascaracterísticas toxicológicas de loslixiviados de éstas últimas en los usos noconsolidados. Para evaluar este aspectorecurrimos a la literatura para revisar sihan existido problemas en relación alcontenido de metales pesados, enparticular de níquel y vanadio, ya que elporcentaje importante de ellos en el cokede Petróleo pueden ser de algunapreocupación.
Un ejemplo antiguo de contaminaciónde aguas subterráneas se ha descrito paraChisman Creek, en Northfolk, Virginia.
Entre 1957 y 1974, una empresa localdepositó mas de 500 mil toneladas decenizas volantes provenientes de unacaldera sin lecho fluidizado de VirginiaPower’s Yorktown Power Station en undepósito de arena y grava. Las cenizasvolantes de carbón y coke de petróleocon elevados contenidos de metalespesados contaminaron las aguassubterráneas debajo del depósito. Losresultados del muestreo indicaronconcentraciones elevadas de níquel,vanadio, arsénico, berilio, cromo, cobre,molibdeno y selenio. Debido a elloChisman Creek llegó a ser consideradaun “superfund site”, esto es un sitiocontaminado que requiere un tratamientode descontaminación (Lia et al., 2002).Después de varios años de remediaciónen la actualidad, el sitio se convirtió enun parque recreativo y cancha de fútbol.
de coke de petróleo) en los Estados Unidosse produjeron 144 millones de toneladasde cenizas el año 2003, de ellas mas deun tercio (46 millones de toneladas) fueronutilizadas con fines benéficos. (USEPA,2005).
Debido a la potencial presencia en lascenizas de compuestos de níquel y vanadiovale la pena referirse a algunascaracterísticas toxicológicas de estosmetales pesados.
NIQUEL
El níquel es un compuesto natural quepuede existir en variadas formasminerales. Se le utiliza en una variedadde aplicaciones que incluyen procesosmetalúrgicos y componentes eléctricostales como las pilas (ATSDR, 2003). Algunaevidencia sugiere que el níquel puede serun elemento traza esencial para losmamíferos, lo que significa que todos losseres humanos tenemos trazas de estemetal cumpliendo funciones benéficas ennuestro organismo, como por ejemplo enel metabolismo de la glucosa.
La absorción del níquel es dependientede la forma química en que este seencuentre, las formas solubles en aguason más fácilmente adsorbidas. Elmetabolismo del níquel involucra laconversión de varias formas químicas y launión a varios ligando (ASTDR, 2003). Elníquel se excreta en la orina y fecas encantidades relativas a la vía de exposición.La mayor parte del níquel ingresa alorganismo vía los alimentos y el consumode agua, aunque la exposición porinhalación en actividades laborales es unaruta primaria de entrada en la toxicidadinducida por el níquel.
En grandes dosis (> 5g), algunas formasdel níquel pueden ser tóxicos agudos parael ser humano cuando se toman demanera oral. La LD50 oral para ratas varíaentre 67 mg niquel/kg (sulfato de níquel,hexahidrato) a mas de 9000 mg níquel/kg(polvo de níquel) (ATSDR, 2003). Losefectos tóxicos de la exposición a níquel,
normalmente involucran a los riñones,con algunas evidencias de daño aldesarrollo/reproductivo.
La exposición por inhalación de ciertoscompuestos de níquel pueden causarefectos tóxicos en el tracto respiratorio ysistema inmune. La dosis letal porinhalación para animales varía entre 0,97mg Ni /m
3 hasta 15 mg Ni/m
3. Dentro
de los compuestos más tóxicos por víainhalatoria encontramos el níquelcarbonilo.
La dosis de referencia de la EPA para salessolubles de níquel es de 0,02 mg/kg/díabasados en cambios de peso de órganosy de peso corporal de rata que recibieronsulfato de níquel hexahidratado por 2años.
La ATSDR ha derivado una concentraciónde inhalación crónica de 9 x10
-5 mg Ni/m
3
para el níquel, considerando efectos comoinflamación pulmonar y bronquitis enratas expuestas a sulfato de níquel 6horas/día, 5 días a la semana durante dosaños.
Los órganos blanco para la toxicidadsistémica del níquel son los pulmones yel tracto respiratorio superior para laexposición por inhalación y los riñonespara la exposición oral (ATSDR, 2003)
VANADIO
El vanadio es un elemento metálico queexiste en seis estados de oxidación y ala forma de numerosos compuestosinorgánicos. Algunos de los compuestosde vanadio más importantes son, elp e n t ó x i d o d e v a n a d i o ( V 2 O 5 ) ,metavanadato de sodio (NaVO3),ortovanadato de sodio (Na3VO4),vanadilsulfato VOSO4 y vanadato
de amonio (NH4VO3). El vanadio se utilizacomo un agente de aleación en laindustria del acero y metales no ferrososy como catalizador en aplicacionesquímicas y cerámicas (ATSDR, 1991).
La toxicidad del vanadio depende de suestado de oxidación y su solubilidad, porejemplo el pentóxido de vanadio V2O5ha sido informado como 5 veces mástóxico que el trióxido de vanadio. Loscompuestos de vanadio son probrementeabsorbidos a través del tractogastrointestinal, pero mayormenteabsorbidos por los pulmones. El vanadioabsorbido se distribuye principalmenteen los huesos, riñones e hígado. Enanimales la intoxicación aguda causavasocontricción, enteritis descamativadifusa, congestión y degeneraciónhepática, hígado graso, congestión depulmones y corteza adrenal etc. Hastaahora no se ha demostrado que el vanadioy sus compuestos tengan propiedadescarcinogénicas o de provocar alteracionesreproductivas. Desde el punto de vista dela toxicidad por inhalación en humanosse han observado bronquit is ybronconeumonia en trabajadoresexpuestos, decoloración en la lengua,actividad irritante en piel y ojos (ATSDR,1991).
Las dosis de referencia crónica (Drf) parael pentóxido de vanadio es de 0,009mg/kg/día, en California (USA) lasconcentraciones máximas totales enresiduos sólidos son de 2.400 mg /kg y sepermite un máximo de 24 mg/dm3 en ellixiviado.
FORMAS DE NI Y V PRESENTES ENLAS CENIZAS
Dado que en Chile ya existen pornormativa (Minsal, 2004), regulacionespara la presencia de compuestos de Ni yV en materiales residuales, es importantehacer una consideración de la factibilidadque los compuestos antes mencionados
de Ni y V puedan estar presentes en lascenizas, limitando por lo tanto sus usospotenciales.
Las cenizas del coke de petróleo tienenel potencial de ser categorizadas comoresiduos peligrosos debido a su elevadocontenido de níquel y vanadio que puedeexceder los límites establecidos. De ahí laimportancia de analizar la especiación delos compuestos de vanadio en la ceniza.
En forma reciente se ha descrito laespeciación de los compuestos de vanadioen una ceniza de coke de petróleoproveniente de una caldera de lechofluidizado que quemaba 100% de petcoke(Lia et al., 2002), los principales resultadosde esta investigación fueron que siempreen la muestra de ceniza aparece elVanadio en proporciones menores congrandes cantidades de calcio y otroselementos tales como, azufre, aluminio,sílice y hierro.
Cuando se analizó la composición delvanadio en la ceniza no se pudo detectarla presencia de óxidos de vanadio, queincluye el temido pentóxido de vanadio,uno de los compuestos más tóxicos delvanadio, ello debido a que las condicionesde combustión impiden la producción dedichos óxidos.
Los autores de dicho estudio recomiendancontinuar investigando el rol de losaditivos en la formación de compuestostóxicos en las cenizas, ya que normalmentese agregan aditivos para prevenir el“fouling” de las calderas. No existen, almenos en la literatura abierta, mayoresantecedentes sobre la composición decompuestos de vanadio en las cenizas depetcoke
En el caso del niquel, existen doscompuestos en el listado del reglamentode residuos peligrosos, uno correspondeal níquel carbonilo (Ni (CO)4) que encondiciones normales de presión ytemperatura es un gas (Presión de vapor
Figura 2. Toxicidad de unsuelo tratado con cenizas
(línea verde), comparado conun suelo tratado con cal
(línea roja) y un suelo control(línea azúl) para el cladócero
Ceriodaphnia dubia.
ALGUNOS ESTUDIOS DE TOXICIDADDE LAS CENIZAS
Debido a las potenciales aplicaciones de lascenizas de petcoke, algunas de ellas noencapsuladas, en la literatura se encuentranalgunos ejemplos interesantes que puedenservir de muestra para la evaluaciónambiental de los efectos de las cenizas.
El ejemplo que presentamos a continuación(Hassett and Heebink, 2001) evalúa los riesgostoxicológicos del uso de una mezcla decenizas de carbón y petcoke (10%) comoaditivo para el mejoramiento de suelos. Paraello se realizaron una serie de pruebas delaboratorio y campo de lixiviados de suelomezclado con cenizas y suelo sin cenizas,además de un suelo con un aditivotípicamente utilizado en la agricultura comoes la cal. Como blancos biológicos se utilizaronorganismos acuáticos (algas, cladóceros,peces, anfibios) y organismos terrestres(lombrices).
Los resultados de estas pruebas indicaronque la toxicidad de los lixiviados de los suelosmejorados con cenizas eran casi equivalentesa la toxicidad observada con el lixiviado deun suelo tratado con cal, con la excepción deuna prueba de sobrevivencia de Ceriodaphniadubia (un microcrustáceo) donde se observóun efecto mayor de las cenizas.
= 400 mm Hg a 25°C) y por lo tanto espoco factible que se encuentre en formasólida en las cenizas. Otra forma de níquelque está regulada es el cianuro de níquel,este es un compuesto insoluble en agua,por lo tanto poco probable que lixivie.
Estudios recientes con cenizas volantesde una mezcla de petcoke/carbónconcluyen que el Ni y Va están asociadosa la fracción no magnética de las cenizasy con materiales insolubles en agua. Noexiste una lixiviación significativa de Ni yV, en pruebas de características detoxicidad del lixiviado (TCLP) (Henke,2005).
En resumen, podemos indicar que almenos en teoría para aquellos compuestosque estan regulados por el reglamentode residuos peligrosos, su presencia enlas cenizas no debiera constituir un riesgosignificativo para el ambiente. Esto sinduda hay que demostrarlo con pruebasexperimentales realizadas con las cenizasgeneradas en nuestro país.
% Lixiviado
100
80
60
40
20
100502512,56,3
Suelo Cal Ceniza
Figura 3. Toxicidad de un suelo tratado con cenizas (línea verde), comparado con un suelo tratadocon cal (línea roja) y un suelo control (línea azúl) para la microalga Selenastrum capricornutum.
Más aún, en algunas pruebas de toxicidadse detectó una mayor toxicidad en el suelotratado con cal que en el suelo tratadocon cenizas, como lo es el caso del ensayode lixiviado con la microalga Selenastrumcapricornutum, en este caso se evalúa lareducción del crecimiento.
En el resto de las pruebas no se observódiferencias significativas entre el suelotratado con ceniza y aquel tratado concal. Las concentraciones máximas de níquely vanadio en el elutriado de dichosexperimentos fueron de 10 y 340 µg/Lrespectivamente. La recomendación quesurge de estos estudios es utilizar unporcentaje determinado de ceniza en lamezcla utilizada para mejorar los suelos,este porcentaje varía entre un 6-15%.
100502512,56,3
% Lixiviado
0
30002500
2000
1500
1000500
Suelo Cal Ceniza
ATSDR (2003). Nickel Toxicity Profile.D i s p o n i b l e e n i n t e r n e t e n :http://www.atsdr.cdc.gov/toxpro2.html.
ATSDR (1992). Vanadium Toxicity Profile.D i s p ó n i b l e e n i n t e r n e t e n :http://www.atsdr.cdc.gov/toxpro2.html.
Hassett D,Heebink L (2001). EnvironmentalEvaluation for Utilization of Ash in SoilStabilization, EPRI, Palo Alto, CA: 2001.WO9227-01.
Henke, K (2005). Trace elements in flyashes from co-combusted Petroleum Cokeand coal..World of Coal Ash, 11-15 april2005, disponible en internet en:http://www.worldofcoalash.org/ashpdf/117hen.pdf.
Jia L., Antony EJ, Charland JP (2002).Investigation of Vanadium compounds inashes from a CFBC firing 100% petroleumcoke. Energy& Fuels 16,397-403.
Ministerio de Salud (2004). ReglamentoSanitario de Residuos Peligrosos.D i s p o n i b l e e n i n t e r n e t e n :http://www.conama.cl/portal/1255/articles-29925_Reglamento_completo.pdf.
USEPA (2005). Using of coal ash inhighway construction, a guide to benefitsand impacts. EPA 530-K-05-002 April 2005.D i s p o n i b l e e n i n t e r n e t e n :http://www.epa.gov/epaoswer/osw/conserve/c2p2/index.html.
Los pocos antecedentes disponibles enla literatura científica existentes indicanque en las cenizas de petcoke no se formael temido pentóxido de vanadio y queademás, es poco probable que existaníquel carbonilo en la ceniza debido a suelevada volatilidad. Ambos contaminantesse encuentran actualmente regulados porel Reglamento de Residuos Peligrosos.
En experimentos con suelos se haobservado que existe lixiviación dealgunos metales, pero que dicho procesono genera contaminantes biodisponibles.
La composición química de la ceniza sinduda reflejará las condiciones de lamateria prima utilizada (el petcoke), máslas condiciones operacionales durante elproceso de combustión, sería bueno tenerantecedentes de la variabilidad de dichacomposición en las cenizas de Petcokeproducidas en Chile.
De acuerdo a los antecedentes de laliteratura, el uso de las cenizas de Carbón/Petcoke no constituyen un riesgoambiental cuando se utilizan en %determinados (6-15 % de ceniza) en usosno encapsulados.
La generación de energía eléctrica a nivelmundial se ha visto fuertementeinfluenciada por las nuevas normativasambientales, las que han puesto hincapiéen la importancia de favorecer lautilización de fuentes de energíaalternativas a las normalmenteconsideradas.
Los combustibles fósiles se utilizan enplantas eléctricas modernas a través delmundo para producir energía eléctrica.El residuo inorgánico que resulta despuésde quemar el carbón denominado cokede petróleo (petcoke o “coque depetróleo”) pulverizado, se conoce comoderivado de combustión o cenizas. Dentrode las cenizas, se pueden encontraralgunas muy volátiles (cenizas volantes olivianas) u otras de mayor peso (cenizaspesadas). Estos derivados se acumulanrápidamente y pueden causar problemasenormes de desperdicio, a menos que seencuentre alguna manera de utilizarlospor medio de programas de recuperación.
Las cenizas volantes o livianas (fly ash)son el producto de los derivados de lacombustión del carbón pulverizado queson arrastradas con los gases de
combustión y recolectadas por losprecipitadores electrostáticos. La escoriade la caldera y las cenizas “de fondo” sonlos derivados más pesados, gruesos yásperos (botton ash). La Figura 1 muestrala diferencia de aspecto que muestran losdistintos tipos de cenizas.
Figura 1. Comparación entre a) cenizas livianasy b) escoria de caldera o cenizas pesadas.
Figura 2. Ejemplo deconstrucciones desde la
antigüedad hasta nuestros díasque utilizan cenizas livianas.
Marina City (Chicago-USA)
Sears Tower & River City (Chicago-USA)
Parteón GriegoColiseo Romano
Las cenizas livianas representan lapuzolana más conocida y más común enel mundo y ha sido usada en laconstrucción desde tiempos remotos. Eluso de este tipo de cenizas volcánicascomo cemento hidráulico se remonta a2300 años atrás, mucho antes que seinventara el cemento potland.
Desde la antigüedad a la fecha se puedemencionar la construcción con cenizaslivianas de El coliseo y El Parteón. Tambiénse han usado cenizas livianas en laconstrucción de acueductos y caminos.Por ejemplo el acueducto de Los Angeles(1910-1912) fue construido con cementoportland y puzolana natural. También sepueden encontrar cenizas volantes en laconstrucción del muelle de San Francisco,el puente de Oakland Bay y otras obrasde infraestructura vial, tales como el túnelque une Londres y París.
La Figura 2 entrega ejemplos deconstrucción desde la antigüedad hastanuestros días que muestran el empleo delas cenizas livianas.
En 1998, en los Estados Unidos se produjeron74,9 millones de toneladas de derivados depetcoke; 44,9 millones de toneladas decenizas volantes, 10,2 millones de toneladasde ceniza “de fondo”, 1,0 millones detoneladas de escoria de la caldera y 18,7millones de toneladas de materiales FGD.
Las plantas carboeléctricas de Gran Bretañageneran cada año, alrededor de 10 millonesde toneladas de desperdicio pulverizado dela ceniza combustible. Esto presenta unproblema de eliminación masivo, peropuede ser reducido utilizando en unavariedad de aplicaciones de construcción,incluyendo concreto. También en esta nacióncasi un millón de toneladas de cenizasvolantes se utiliza en concreto cada año,reemplazando parte (típicamente 25 a 30%)del contenido del cemento en concreto, deesta manera también se reducen los costosde construcción.
Las plantas carboeléctricas de Australiaproducen más de 8 millones de toneladasde cenizas volantes cada año.Aproximadamente 10% de ésto se incorporaen cemento y concreto.
a
b
Figura 3. Cenizas volátiles a) Cenic Fly Ash(Courtesy of U. of Québec), b) SecondaryNucleation of a "Diamond Ball" Departmentof Nuclear Engineering (UMC) AndrewBenedicktus, Mark Prelas
Las características de la aplicación finalqueda definida por la forma, fineza,distribución del tamaño de la partícula,densidad, y composición de las partículasde las cenizas volantes. Las cenizas volantespueden tener diversos colores y dependede su origen de producción. Estas cenizaspueden ser producidas en plantascarboeléctricas o en plantas cuyo materiaprima es mixta, en que el petcoke sólo esuna fracción de materia prima. Lascaracterísticas del tamaño y la forma de lascenizas volantes son dependientes de lafuente y la uniformidad del carbón, gradode pulverización antes de quemarse y eltipo del sistema de colección utilizado. Elenfriamiento rápido de la ceniza desde elestado fundido, mientras se aleja de lal lama causa que la ceniza seaprimordialmente “no-cristalina” o vitreacon cantidades pequeñas de componentescristalinos, tales como mullite, cuarzo,magnetite (o rubí sintético del ferrel) yhematite. Otros componentes que puedenestar presentes en las cenizas volantes yque influyen en su calidad son: periclase,anhidrita, cal, sulfato de alkali, melilite,merwinite, nepheline, sodalite, C3S y C2A.La Figura 3 muestra la estructura que tienenlas cenizas volantes o livianas.
Las partículas de las cenizas volantes,arrastradas desde las calderas con losg a s e s d e c o m b u s t i ó n , s o nextremadamente variables pero tienenalgunas características de interés. Laspartículas tienen generalmente menos de250 micrómetros en tamaño, sonesferoidal, tienen una fuerza mecánicaalta, un rango de densidades desde cercade 3 a menos de 0,6 g/ml, un punto defusión sobre 1000 °C, conductividadtérmica baja y son, sobre todo,químicamente inertes.
Las principales investigaciones para laaplicación de este tipo de material sonconduc idas pr inc ipa lmente poruniversidades y distintas organizacionesa través del mundo. Toda estainvestigación tiene como finalidadexplorar nuevas aplicaciones que generenbenéficos evitando cualesquier impactoambiental.
Bajo estos lineamientos trabajo, porejemplo el Centro “Fly ash resourceCenter”, cuyo objetivos es de promoverla utilización de la cenizas volantes, de laescoria de la caldera y de la ceniza “defondo“ por medio de la diseminación deconocimiento, estudio, investigación yactividades. Además provee informaciónsobre los derivados de la combustión delcarbón: estudio de materiales, ambiental,criterio (norma)/control de calidad ymercado. Este Centro difunde la premisaque mientras más se utilicen los derivadosde la combustión del carbón, se reduciránlos costos de eliminación (costos que soneconómicos y necesarios para elambiente).
Otras instancias que han realizadoestudios de las cenizas livianas ha sido laUS Amy Corp of Engineers y el US Bureauof Reclamation. Por otra parte, la EPA
(United States Environmental ProtectionAgency) de Estados Unidos ha publicadoguías en que muestra los beneficios eimpactos del uso de cenizas en laconstrucción de obras viales, entre otras(EPA, 2005).
La American Coal Ash Association, desde1998 en adelante ha publicado en formaanual la proyección que presenta el usode las cenizas, en las distintas aplicaciones(ASTM C, D, E). Es también importantedestacar que este subproducto ha sidoestandarizado por la ASTM (AmericanSociety for Testing and Materials) paraser aplicados en el área de la construcción.A continuación se muestra un listado deorganizaciones de países en que se hangenerado especificaciones para lanormalización de las cenizas en cuestión.
ASTM (West Conshohocken, PA USA)• ASTM C 618: Standard Specifation for
Coal Fly Ash and Raw or CalcinedNatural Pozzolan for Use as a MineralAdmixture in Portland Cement Concrete
• ASTM C 311: Standard Test Methods forSampling and Testing Fly Ash or NaturalPozzolans for Use as a MineralAdmixture in Portland-Cement Concrete
• ASTM D 5239: Standard Practice forCharacterizing Fly Ash for Use in SoilStabilization
• ASTM E 850: Standard Practice for Useof Inorganic Process Wastes as StructuralFill
• ASTM E 1861: Standard Guide for Useof Coal Combustion By-products inStructural Fills
• ASTM D 5370: Standard Specificationfor Pozzolanic Blended Materials inConstruction Applications
• ASTM C 1240: Standard Specificationfor Silica Fume for Use in Hydraulic-Cement Concrete and Mortar
IDOT (Illinois Dept. of Trans. Springfield,IL USA)• 306.01: Special Provision for Fly Ash
Modified Soils• 308.01: Special Provision for Fly Ash
Stabilized Soil Mixture Subbase
• Special Provision for Cement-Fly Ash-Aggregate Mixture (CFAM) Base Course
• Special Provision for Pozzolanic BaseCourse, Type A
• Special Provision for Use of Fly Ash inPC.C. Pavement, Base Course, BaseCourse Widening
AASHTO (USA)• AASHTO Standard Specifications for
Transportation Materials and Methodsof Sampling and Testing
EUROPEAN STANDARDS• BS 3892 Part 1 Fly Ash standard; Part 2
Fly Ash for Use as a Type II Addition• BS EN 450 European Standard for Fly
Ash• BS EN 197 European Standard for
Multiple Binders (fly ash, cement, silicafume) Allowed in Concrete
AUSTRALIA• Portland Cement -AS 3972-1991,• Flyash -AS 3582.1-1991, and A.S. 1129
Fly Ash Specification• Ground Granulated Blast Furnace Slag
-AS 3582.2.
CANADA• CAN/CSA A23.5-97 Canadian
Specification for SupplementaryCementing Materials(includes fly ash)
GERMANY (Deutsches Instut fur Normung-Berlin)• DIN 1164-1 German Cement standard• DIN 1045 Reinforced Concrete Structures;
Design and Construction• DIN EN 450 Fly Ash In Concrete-
Definition, Demands and Quality control• ENV 206:1990 (CEN/TC 104) Beton -
Eigenschaften, Herstellung, Verarbeitungund Gütenachweis
• EN 445:1996 (CEN/TC 104) Einpreßmörtelfür Spannglieder - Prüfverfahren
• EN 446:1996 (CEN/TC 104) Einpreßmörtelfür Spannglieder - Einpreßverfahren
• EN 447:1996 (CEN/TC 104) Einpreßmörtelfür Spannglieder - Anforderungen fürüblichen Einpreßmörtel
Tabla 1. Ejemplo de una composición típica de una cenizas volantes o livianas(composición en % peso).
Clase F Clase F Clase C Clase CBajo-Fe Alto-Fe Alto-Ca Bajo-Ca
SiO2 46-57 42-54 25-42 46-59Al2O3 18-29 16.5-24 15-21 14-22Fe2O3 6-16 16-24 5-10 5-13CaO 1,8-5,5 1,3-3,8 17-32 8-16MgO 0,7-2,1 0,3-1,2 4-12,5 3,2-4,9K2O 1,9-2,8 2,1-2,7 0,3-1,6 0,6-1,1Na2O 0,2-1,1 0,2-0,9 0,8-6,0 1,3-4,2SO3 0,4-2,9 0,5-1,8 0,4-5,0 0,4-2,5LOI 0,6-4,8 1,2-5,0 0,1-1,0 0,1-2,3TiO2 1-2 1-1,5 <1 <1
• EN 450:1994 (CEN/TC 104) Flugasche fürBeton - Definitionen, Anforderungenund Güteüberwachung
• EN 451-1 :1994 (CEN/TC 104)Prüfverfahren für Flugasche - Teil 1:Bestimmung des freien Calciumgehalts
• EN 451-2 :1994 (CEN/TC 104)Prüfverfahren für Flugasche - Teil 2:Bestimmung der Feinheit durchNaßsiebung
NETHERLANDS• NEN 3550 Dutch cement standard
UNITED KINGDOM(British StandardsInstitution- London)• B.S. 3892 PFA as a separate constituent
in OPC• B.S. 6588 Blended cement containing
PFA• B.S. 6610 Pozzolanic pulverised fuel ash
cement
Además, en el Anexo 1 se muestra unlistado de instituciones que estántrabajando en temas relacionados con lainvestigación y aplicación de cenizasvolantes en diferentes áreas.
Las partículas encontradas en cenizaslivianas son esféricas y actúan como cojínde bolas vidriosas adentro el concreto,en comparación, partículas de cementoPortlan son angulares en forma y actúancomo lubricante para la mezcla en elconcreto, llenando a vacíos/huecos yestructurando de mejor forma dichocemento.
En la Tabla 1 se muestra la composiciónquímica de las cenizas livianas. El análisisquímico se realizó por absorción atómica(ICP) o método húmedo. La mayor partedel SiO2, Al2O3 y Fe2O3 se presenta enforma amorfa de cristal. SO3 esusualmente presentado como sulfato decalcio o sulfato álcali. La mayor parte delCaO/MgO no está libre. LOI se presumeque puede ser carbón (analizado a travésde un analizador de carbono – LECO -).La ceniza clase C es usualmentecementante (hidráulicamente). Las cenizasclase F tiene una fase cristalina e inertecristalina constituida por: cuarzo,magnetita, mullite, hematita. Por ejemplo,ha sido reportada que la clase de alto Fe,proveniente de carbón bituminoso deleste de Canadá contiene: 9,6% de cuarzo,20,4% mullite, 4,5% magnetita, 4,5 %magnetita, 5,4% hematita y 58% cristal.
La aplicación de cenizas volantes presentauna serie de beneficios ya sea ésta sola omezclada. Uno de los beneficios másimportantes de mencionar es eleconómico, debido a la reducción de loscostos del concreto. En otros casos, laaplicación de cenizas volantes puedeayudar a entregar distintas propiedadesa las obras civiles donde se aplican. Porejemplo, el uso de cenizas volantes pudohaber ayudado a disminuir el daño decorrosión que sufre por el aire y el mar,un puente construido en Puerto Rico en1980. El uso de cenizas volantes puedeayudar a generar obras civiles con menorpermeabilidad de gases o agua a ésta,debido a la estructura esférica y regularque presentan las cenizas en cuestión.Otros beneficios o mejoras que presentanlas cenizas volantes frente al concreto,son las siguientes:• Duración – fuerza para largo plazo (long
term strength)• “Trabajabalidad” (workability) – mejor
habilidad de entregar productoimpelado con bomba, y manipularla –m a n c h a s , b o r r o n e s y o t r a simperfecciones (“bolsillos”) sonevidencia de baja trabajabilidad
• Cohesividad• Resistencia a congelación (agua que
entra vacios dilata 9% resultando enuna presión de hasta 30,000 psi (207,000kPa).
• Esto empieza el proceso dedeterioración, que hace aun más fácilque entre más agua.
• Propiedad fluida (y en lechada paraalbañil).
• Fuerza- actuando como plasticolaestructural; compuestos llamados“entrigonites” que tienen porcentajesaltos de azufre y aluminio, dilatanadentro el concreto.
La incorporación de las cenizas livianasen el concreto ayudan a mejorar una seriede propiedades, entre ellas la compresión.En 1960 el promedio de la fuerzacompresiva del concreto era de 6000 psi(41,000 kPa). En 1972 la necesidad de másfuerza compresiva y densidad hizo subireste promedio a 9000 psi (62,000 kPa).Actualmente, se tiene como objetivolograr fuerzas compresivas de 12,000 psi(83,000 kPa) incorporando 15% cenizaslivianas.
Por otra parte, el uso de estas cenizaspuede disminuir impactos que se generanal medio ambiente. Entre ellos se puedenmencionar los siguientes:
• La cantidad de productos de combustiónque deben ir a rellenos sanitarios
• El neto uso de energía• El efecto invernadero• El aumento de temperatura en concreto• Emisión de los contaminantes adversos
y tóxicos• Los cuatro puntos antes indicados se
realizan para reemplazar cementomanufacturado por cenizas livianas
• La segregación en el producto final• El calor de hidratación que a la vez
reduce la potencial para rejas• Permeabilidad/penetrabilidad• Demanda de agua• Encogimiento durante el proceso de
secar• Daño por ataque de sulfatos
En la Tabla 2 se muestran algunasaplicaciones de cenizas livianas enaplicaciones sola o mezclada.
Tabla 2. Uso de cenizas en diferentes aplicaciones, a) sola o b) mezclada
SOLA:
• Hacer caminos/calles en campos petroleros y otros lugares difíciles de mantener(campos agrícolas)
• Reclamación de minas (de carbón, plata, etc.)• Pavimento de playas de estacionamiento y terrenos dedicados a ser espacios para
almacenar equipo (tractores, camiones, remolques)• Hacer lechos para ferrocarriles y cañerías• Tapar rellenos sanitarios cuando el nivel del desecho llega a un metro del nivel
final• Hacer cubiertas para cañerías verticales para sacar petróleo subterráneo• Como llenador en productos de aluminio amoldado• Construir plataformas para cargar camiones• Hacer firmes de carreteras (caminos)/balasto• Estabilizar tierra en lecherías (granjas lecheras) y campos (corrales, granjeros, etc.)• Llenador estructural• Hacer playas para almacenar montones de grano (para animales en los campos)• Hacer lechada para albañilería/mazonería• Fabricar ladrillos y formas/moldes de concreto (barreras)• Mejoranza de tierra para agricultura
MEZCLADA
• En concreto asfáltico, especialmente donde la arena no tiene partículas finas.• Agregado construcción de:• Calles• Rutas• Puentes (como Tampa)• Edificios incluyendo armazones• Pistas para aeropuertos (incluyendo Filadelfia)• En Washington D.C como concreto arquitectural expuesto a la vista• Veredas (aceras)• Soleras• Entradas de autos• Edificios dedicados a estacionamiento de autos
En general y debido al origen de la cenizasvolantes (combustión del petcoke), existeun grado de preocupación por lasautoridades ambientales y de salud,respecto de la aplicación de dichas cenizas.Sin embargo, ha habido señalesimportantísimas que indican el respaldode las organizaciones antes indicadas parala aplicación de las cenizas en cuestión yevitar su disposición en rellenos sanitarios.
Como un ejemplo de lo antes indicado,se puede mencionar lo siguiente: enCalifornia (USA) la reglamentaciónambiental es muy estricta al igual que loscontroles de los subproductos. Debido ae s t o e x i s t e n d o s a g e n c i a smedioambientales principales que dirigenel destino final de cenizas livianas:California Regional Water Quality Boardcuya tarea principal es asegurar que elagua subterránea no se contamine.California Department of Toxic SubstancesControl (DTSC) controla niveles de: pH –entre 2,5 – 12,5; varios metales – nivelestotales (TTLC-hasta 2500 mg/kg y solubles(STLC – 25 mg/kg). Además, deben pasarpruebas de toxicidad, a través debioindicadores.
A pesar de esto, la DTSC determinó paraGWF Power System, situada en la Bahíadel norte de California, que posee seisplantas de electricidad privada utilizandoexclusivamente coke de petróleo, que suscenizas livianas se consideran “calizasintética” no corresponden a un residuotóxico y/o peligroso. De este modo, sepuede utilizar como producto en vez dedesecho. También determinó que la calizasintética no necesita ser controlada porsus regulaciones.
Las cenizas volantes pueden serconsideradas como un muy buen sellantede suelos con un pobre grado decontenido de arenas y éstas puedenayudar a la compactación e incrementarla densidad del suelo.
Las cenizas volantes clase C pueden serusadas para el potencial control de laexpansión de los suelos y promueve laestabilización con el material grueso delsuelo. Las cenizas volantes pueden llegara contener entre un 15-35% del total deCaO. La mayor cantidad de CaO es medidapor análisis elemental y se encuentra enfase cristalina. Algo del CaO esta presentecomo cal libre (0 - 7%), el cual puedereaccionar con un 20% de exceso de suelo.Las cenizas clase C pueden conteneraluminosilicatos de calcio, aliminato detricalcio, CaO libre, MgO, CaSO4, sulfatosalkalinos, carbón y magnetita/hematita.
La densidad del suelo es muy importanteporque determina la carga de aplicaciónde la ceniza, debido a la influencia de lapermeabilidad y rigidez, lo que afecta ala sedimentación y estabilidad última. Elincremento de la densidad significa unincremento de la rigidez y resistencia ydisminución de la permeabilidad. Parauna densidad específica, el suelo deberíatener ciertos valores de resistencia parael diseño de la aplicación de cenizas. Paraesto se diseñan curvas tipo campana deGauss del suelo, graficando humedad vsdensidad. El peak de la curva representala máxima densidad. El tamaño departículas varían de tamaño de grava aarcilla. Las cenizas volantes están en lacategoría como compuestos no-plásticos,en el límite entre líquido y plástico (Majko,1997).
Las normas ASTM 5239, han estandarizadoel uso de cenizas volcánicas para laestabilización de suelos. En bibliografíase entrega un listado de ellas.
En la actualidad, se están realizandoesfuerzos en investigar aplicaciones paralas cenizas volantes o livianas. Losbeneficios de las aplicaciones sonevidentes contrarrestándolo con sudisposición final en rellenos sanitarios.Más aún, debido a características físicasy químicas que presenta este subproducto,las propiedades de las aplicaciones finalescon cenizas volantes pueden resultarestructuralmente de mejor calidad, frentea otro que no lo use.
ASTM C 618: Standard Specifation forCoal Fly Ash and Raw or Calcined NaturalPozzolan for Use as a Mineral Admixturein Portland Cement Concrete.
ASTM C 311: Standard Test Methods forSampling and Testing Fly Ash or NaturalPozzolans for Use as a Mineral Admixturein Portland-Cement Concrete.
ASTM D 5239: Standard Practice forCharacterizing Fly Ash for Use in SoilStabilization.
ASTM E 850: Standard Practice for Use ofInorganic Process Wastes as Structural FillASTM E 1861: Standard Guide for Use ofCoal Combustion By-products in StructuralFills.
ASTM D 5370: Standard Specification forPozzolanic Blended Materials inConstruction Applications.
ASTM C 1240: Standard Specification forSilica Fume for Use in Hydraulic-CementConcrete and Mortar.
EPA (2005) Using of coal ash in highwayconstruction, a guide to benefits andimpacts. EPA 530-K-05-002 April 2005.Disponible en internet en.
EUROPEAN STANDARDS. BS 3892 Part 1Fly Ash standard; Part 2 Fly Ash for Useas a Type II Addition.
EUROPEAN STANDARDS. BS EN 450European Standard for Fly Ash.
EUROPEAN STANDARDS. BS EN 197European Standard for Multiple Binders(fly ash, cement, silica fume) Allowed inConcrete.
Majko, R M. 1997. Ash Recovery ProjectManager Company BusStr: 400 S. URL:http://www.duke-energy.comInterest:Duke Energy's most successful engineeredash fill project to date was completed inNov 97.http://www.flyash.com/
ANEXO
1. ORGANIZACIONES QUE ESTANRELACIONADAS CON LAAPLICACION, INVESTIGACION, ENTREOTRAS DE CENIZAS VOLANTES
• Evanston, IL USA• Agriculture WA, Animal Health Labs;
South Perth, Western Australia• Alberta Research Council; Edmonton,
Alberta Canada• Burlington, Wisconsin USA• Allegheny Energy; Fairmont, WV and
Greensburg, PA USA• Allen-Sherman-Hoff; Malvern, PA USA• American Coal Ash Association ; Aurora,
CO USA ; Columbus, OH USA• Ameren Services;St. Louis, MO USA• Arizona Public Service co.; Phoenix, AZ
USA• Ashcor Technologies, Ltd.; Calgary, AB
Canada of Australia• Ash Resources, Inc.; Evansville, IN USA• Ash Resources (PTY) Ltd.; Randburg,
South Africa• Ash Resources L td . ; Retford ,
Nottinghamshire United Kingdom• Ash Systems, Inc.; Albany, NY USA• AshTek Industries,Inc.; Newburyport,MA
USA• Australian Academy of Technological
Sciences and Engineering• Babcock and Wilcox; Barbeton, OH USA• Baltimore Gas and Electric Co.;
Baltimore, MD USA , Germany.• Ben-Gurion University of the Negev,
Chemistry Dept.; BEER-SHEVA, Israel• BBC&M Engineering; Dublin,OH USA• Black Diamond, Inc.; Woodbury, MN
USA• Board of Water & Light; Lansing,MI USA• Bogazici Universitesi; Bebek, Istanbul,
Turkey• Boral Material Technologies, Inc.; San
Antonio,TX and Phoenix, AZ USA• Brazil Creek Minerals, Fort Smith,
Arkansas, US• British Cement Association
• B V K - B u n d e e s v e r b a n dKraftwerksnebenprodukte e.V. ;Dusseldorf, Germany
• Calcutta University, Dept. of ChemicalEng.; Calcutta, West Bengal, India
• Cambria Reclamation Corp.; Edensburg,PA
• Canadian Portland Cement Association• Caraustar Industries;Austell, GA• Carbon Plus LLC; Avon Lake, OH• Carolina Power and Light; Raleigh, NC• C.A.S.T. Materials, Inc.; Huntington, WV• Coal Combustion Product Pilot Extension
Program. Ohio State University• Central and South West Services; Dallas,
TX• Center for Applied Energy Research• Center for Coal Utilization , Japan
(CCUJ); Tokyo, Japan• Central Hudson Gas & Electric;
Newburgh, NY• Central Research Institute of Electric
Power (CRIEPI), Abiko ResearchLaboratory; Abiko, Chiba, Japan
• CERCHAR,Centre d'Etudes et deRecherches du Charbon; Mazingarbe,France
• C h a r a h E n v i r o n m e n t a l , I n c . ;Madisonville, KY
• Choctaw Co. ,Economic Development;Ackerman, MS
• Chubu Electric Power Co. Inc. Japan• Cinergy Corp.; Cincinnati,OH, Aurora, IN• City of Hamilton Ohio; Hamilton, OH• Clarkson Co.; Baltimore, OH• Clyde Materials Handling-Power
Division; Flower Mound, TX• Coal Ash Resource Center (University of
North Dakota)• Coal Resources Corp.; Cincinnati,OH• Cobouw, The Hague, Netherlands• Combustion Products Management, Inc.;
Bridgeport, WV, Ithaca, NY• Commercial Testing and Engineering
Co.; Lexington, KY• Company Surschiste; Dovai, France• Conforma CLAD; New Albany, IN• CONSOL, Inc.; Library, PA• Construction Technology Laboratories,
Inc. ; Skokie, IL• CESC see ICMPDL
• CSIR, Div. of Roads and TransportTechnology; Pretoria, Gauteng, SouthAfrica
• CSIRO, Div. of Coal and Energy; Bangor,New South Wales, Australia
• D'Appolonia ; Monroeville, PA• Dayton Power and Light Co. ;
Aberdeen,Oh• Delft University of Technology, Delft
Chem Tech; Delft, The Netherlands• Delmarva Power; Wilmington, DE USA• Dome Technology; Idaho Falls, ID• Dravo Lime Co.,R esearch Center;
Pittsburgh, PA• Duke Power Co; Charlotte, NC• Dundee University; Dundee, Scotland,
United Kingdom.• Duquesne Light Co., CCB Services;
Pitrtsburg, PA• East Kentucky Power Cooperative, Inc.;
Winchester, KY• ECOBA-European Association for Use
of By-Products of Coal-fired PowerStations;
• Ecole des Mines de Nantes, Dept.S y s t e m e s E n e r g e t i q u e s e tEnvironnement; Nantes, France
• Electrabel; Brussel, Belgium• Electric Power Research Institute ; Palo
Alto, CA• Energy and Environmental Research
Center• Environmental Protection Agency• Environmental Resources Management;
Annapolis, MD• Enviroseal Corp.; Lake Worth, Fl• EPCOR Utilities, Environmenatl Affairs
and Sustainable Devel.;Edmonton,Alberta Canada
• Federal Energy Technology Center• Federal Higway Administration (FHWA).
U.S. Dept. of Transportation• FirstEnergy Corp.; Independence, OH,
Akron, OH• FLY ASH RESOURCE CENTER; Oak Park,
IL USA• Fossil Energy Reseach Corp.; Laguna
Hills, CA• Freeman United Coal Mining Co.;
Farmersville, IL• Departamento de Engenharia de
Processos; Porto Alegre Brazil
• GAI Consultants; Monroeville, PA• Geological Survey of Israel; Jerusalem,
Israel• Global New Energy Corporation;
Vancouver, BC Canada• GPU Genco; Johnstown, PA• Griffith University, Waste Management
Research Unit; Brisbane, Queensland,Australia
• Haley & Aldrich, Inc.; Boston, MA• HANDS-ON FlyAsh; Northborough, MA• Helsinki UNiversity of Technology, Dept.
of Chemical Eng.; Espoo, Finland• Hemmings and Associates; Kennesaw,
GA• Hokkaido Electric Power Co, Research
and Development Dept.; Ebetsu,Hokkaido, Japan
• Hokkaido University, Center ofAdvanced Research of EnergyTechnology(CARET); Sapporo, Japan
• Holderbank Management andConsulting Ltd.; Holderbank, Switzerland
• Holman, Inc; Duluth, GA, Chesterfield,MO.
• HOSEO University in Chung Nam, Korea• ICMPL, CESC Limited; Calcutta, West
Bengal India• ICS-UNIDO, Trieste, Italy• Indiana Dept. of Commerce; Energy
Policy Div.; Indianapolis, IN• Indiana Dept. of Natural Resources, Div.
of Reclamation; Jasonville, IN• Indiana Geological Survey; Bloomington,
IN• Indiana Power & Light Co.; Indianapolis,
IN• INETI, Estrada do Paco do Lumiar; Lisbon,
Portugal• Indiana Geological Survey; Bloomington,
IN• Indiana Ready Mixed Concrete
Association.• Institute de Carboquimica, CSIC;
Zaragoza, Spain• Institute of Earth Sciences, Jaume
Almera CSIC; Barcelona, Spain• International Materials, Inc.; Bryn Mawr,
PA• Iowa Fly Ash Affiliate Research Program• Iowa State University. Ames, Iowa. USA
• ISG Resources Inc. HEADWATERSResources; Bay City, MI ,Talorsville, GA,Salt Lake City, UT, Kennesaw, GA.
• Israel Electric. Isr• Kajima Engineering & Construction;
Monterey Park, CA• Kansas City Power & light Co.; Kansas
City, MO• Sustainable (Dutch Research Institute
for the Power Sector), Arnhem, TheNetherlands
• Kentucky Dept. for Surface Mining;Frankfurt, KY
• Korea Electric Power Corp.(; Seoul,Korea.
• Korea Electric Power Research Institute,Taejon, Korea
• Korean Fly-Ash Cement; Boreong,Chung-Nam, Korea
• Lehigh University, Energy ResearchCenter; Bethlehem, PA
• Maryland Dept. of Natural Resources,Power Plant Research Program;Annapolis, MD
• M a r s o l e x E n v i r o n m e n t a lTechnologies;Lebanon, PA
• Masaryk University; Blansko, The CzechRepublic
• Master Builders; Beachwood, OH• Materials Engineering & Research Lab• Metropol i tan Energy Systems;
Cincinnati, OH• Midland Standard, Inc. ; Cleveland, OH• Mineral Resource Technologies;
Atlanta,GA USA• Mineral Solutions, Inc.; Naperville, IL,
Eagan, MN• Mintek Resources, Inc.; Dayton, OH,
State College, PA and Vincennes, IN• International Corp.; Toledo, OH.• National Center for Asphalt Technology.
USA• National Mine Land Reclamation Center.
West Virginia University. Morgantown,WV USA
• National Power PLC; Swindon, Wiltshire,United Kingdom
• National Thermal Power Corp. Ltd., AshUtilization Div.; Noida, U.P. India
• National University of Singpore, Dept.of Civil Eng.; Singapore
• Nebraska Public Power District; NorthPlatte, NE
• Norizal Md. Noordin. Malaysia• New Mexico Bureau of Geology and
Mineral Resources (see fly ash pics)• North Dakota State University, Dept.
of Chemistry; Fargo, ND• Northen Indiana Public Service Co.;
Merrillville, IN• Ohio Coal Development Office, Ohio
Dept. of Development; Columbus, OH• Ohio EPA; Columbus,OH• Ohio State University, Dept. of Civil and
Environmental Engineering andGeodetic Science;Columbus, OH
• Ohio University, Dept. of Civil Eng.;Athens, OH
• Ontario Hydro Technologies; Toronto,Ontario, Canada
• Ontario Power Generation Inc.; Toronto,Canada
• ORTECH; Mississauga, Ontario, Canada• Pacificorp; Salt Lake city, UT• Penn Worldwide Inc.; Pittsburg, PA• Pennsylvania Power and Light;
Allentown, PA• Pennsylvania State University, The
Energy Institute, Materials ResearchLaboratory; University Park, PA
• PG & E Generating Co.; Somerset, MA• Phoenix Cement• Pittsburg Mineral & Environmental
Technology (PMET), Inc.; New Brighton,PA
• Portland Cement Association• Power Magazine; St. Louis, MO• Pozzolanic Industries (Member of );
Brisbane, Australia.• PROGRES (an EU Thematic Network
Project)• Progess Materials, Inc. (PMI); part of
Electric Fuels; St. Petersburg, FL• PSG Leljak s.p.; Lasko, Slovenis• Public Service Electric & Gas Resource
Recovery; Gibbstown, NJ• Purdue University; West Lafayette, IN• Pusan National University, School of
Mech. Eng.; Pusan, Korea• RENEL-Romanian Authority Electricity;
Bucharest, Romania• Recycled Materials Research Center.
University of New Hampshire.
• Resource Materials Testing, Inc.;Clermont, GA
• ReUse Technology, Inc. Kennesaw, GA.• RetexoGruppe - Risp GmbH; Rositz ,
Germany• Rocla Pavers & Masonry; Moorebank,
Australia• Rudnik Zagorje v Zapiranju, d.o.o.;
Zagorje, Slovenia• Sargent and Lundy, Chicago, IL USA• Sask Power International. Regina,
Saskatchewan, Canada• Separation Technologies, Inc.; Needham,
MA• Shaw Resources; Nova Scotia, Canada.• Sphere Services, Inc.; Oak Ridge, TN• SK Power Co.; Hellerup, Copenhagen
Denmark• SOILMEC SpA; Cesena, Italy• Solutions Management, Inc.; Cincinnati,
OH• Solvera Particulate Controls, Inc.; Solon,
OH• SorTech Separation Technologies Ltd.
Israel• South Carolina Electric and Gas Co.;
Columbus, SC• South Carolina Public Service Authority,
Combustion Products Utilization;Moncks Corner, SC
• Southeastern Fly Ash, The SEFA Group.• Southern California Edison; Laughlin,NV• Southern Co.; Birmingham, AL• Southern Illinois University, Dept. of
Physics, Dept. of Civil Eng.;Carbondale,IL USA
• Southern Indiana Gas and Electric;Evansville, IN
• Southern Resea r ch In s t i tu te ,E n v i r o n m e n t a l a n d E n e r g yDiv.;Birmingham,AL
• SpaceKey Consulting; Palo Alto, CA• Ssangyong Cement Industrial Co. Ltd.;
Taejeon, Korea• Steag- Entsorgung in Germany• St. Lawrence Cement Co.; Albany, NY• SynAggs, Inc.; Library, PA• Synthetic Materials; Cumberlandcity,
TN• Taiheiyo Cement Corp. Japan• Taiwan Power Co.; Taipai, Taiwan• Tanveer Enterprises; New Delhi, India.
• Technical University of Lodz, Instituteof General Food Chemistry; Lodz, Poland
• Technische Universiteit Delft , Delft,Netherlands
• Technology Informatio and AssessmentCouncil. India
• Tecwill Oy; Joensuu, Finland• Teknologisk Institut, Center for Gron
Beton, Taastrup, Danmark• Tennessee Technological University;
Cookeville, Tn• Tennessee Valley Authority (TVA);
Chattanooga, TN• Termoelektrarna toplarna; Ljubljana,
Slovenia• Texas A&M Univers i ty , Texas
Transportation Institute, By-ProductsUtilization Research Center; CollegeStation, Tx
• Thailand Graduate Institute of Scienceand Technology
• Trans-Ash; Cincinnati, OH.• Trans-Ash Canada, Ltd.; Femonton, AB,
Canada• Trumbull Corp.; Pittsburg, PA• Tufts University, Dept. of Civil and
Environmental Eng.; Medford, MA• UFZ Leipzig-Halle GmbH, Center for
Environmental Research Leipzig-Halle;Magdeburg, Germany
• Union Electric Co.; St. Louis, MO• United Kingdom Quality Ash Association
(UKQAA)• Universidade Federal de Santa Maria;
Santa Maria, RS Brazil• University of Cagliari, CSGM- Centro
Studi Geominerari e Mineralurgici delCNR; Cagliari, Italy
• University of Derby; Derby, UnitedKingdom
• University of Dundee, ConcreteTechnology Unit; Dundee, Scotland,United Kingdom
• University of Durham, Durham, UnitedKingdom
• University of Georgia, Savannah RiverEcology Laboratory; Aiken, SC
• University of Goteborg, Chemistry;Goteborg, Sweden
• University of Kentucky, Dept. ofAgronomy, Dept. of Civil Eng., KentuckyGeo log i ca l Su rvey , KentuckyTransportation Center ; Lexington, KY
• University of Limerick, Materials Scienceand Technology Dept.; Limerick, Ireland
• University of Manchester Institute ofScience and Technology, GeotechnicsResearch Group, Dept. Civil andStructural Engineering Manchester ,United Kingdom
• University of Modena, Dept. ofChemistry; Modena, Italy
• University of North Dakota, Energy andEnvironmental Research Center ; GrandForks, ND USA
• University of Pretoria, Dept. of PlantProduction and Soil Science; Pretoria,Gauteng, South Africa
• University of Southern Queensland,Toowoomba, Queensland Australia
• University of Toronto, Dept. of CivilEng.; Toronto, Ontario Canada
• University of Waterloo in Waterloo,Ontario Canada
• University of Wisconsin-Milwaukee.Center for By-products Utilization.Milwaukee, WI USA
• University of Wyoming, WesternResearch Institute; Laramie, WY
• U.S Army Corps of Engineers, WaterwaysExperiment Station(WES), Vicksburg,MS USA
• U.S. Dept. of Agriculture, AgricultureResearch Service (USDA-ARS); Beaver,WV and University Park, PA
• U.S. Dept. of Energy, Federal EnergyTechnology Center ; Pittsburg,PA,Morgantown, WV
• U.S. Dept. of Energy,and NationalEnergy Technology Laboratory
• USDI Office of Surface Mining; Alton,IL
• U.S. Geological Survey;Denver,CO,Columbus, OH
• U.S. Trade and Development Agency;Arlington,VA
• Utex Ltd.; Rybnik, Katowice, Poland• Utrecht Un iver s i t y , Dept . o f
Geochemistry; Utrecht, The Netherlands• VERMEER Infrastructure Development
B.V.; Hoofddorp, The Netherlands• VFL Technolgy Corp.; West Chester, PA• VGB Power Tech-Germany• Viateu Ltd/SGT; Luopioimen, Finland
• Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity, Dept. of Crop and SoilEnvironmental Sciences; Blacksburg, VA
• VTT Technical Research Centre ofFinland, Finland
• Wallace Industries.• Western Australia Department of
Environmental Protection, Bunbury, WAAustralia
• Western Kentucky Energy; Island, KYand Henderson, KY
• Western Research Institute; Laramie,WY
• West Virginia University, Div. of Plantand Soil Sciences ,National Mine LandReclamation Center, National ResearchCenter for Coal and Energy;Morgantown, WV
• Wilkes University Ash Institute in Wilkes-Barre, PA USA
• Wisconsin Electric Power Company• Wisconsin Ready Mixed Concrete
Association• Wyoming Analytical Laboratories;
Golden, Co• Zagorje Mine In Closing; Zagorje,
Slovenia• ZeoTech Corporation; Philadelphia, PA
Si se revisa la corta historia que paranuestro Sistema de Evaluación deEvaluación de Impacto Ambiental(MINSEGPRES, 1994) han significado losproyectos que dicen alguna relación conla generación de cenizas, ya sean delsector energético propiamente tal, asícomo de otros rubros, podemos resumirpor ejemplo, lo siguiente: entre los años1994 y 1995, se presenta un EIA para laconstrucción en Talcahuano de la primeraplanta en Chile y Latinoamérica degeneración y utilización de coke depetróleo, a través de un CFB (circulatingfluidized-bed), denominado ProyectoPetropower (60 MW y 26 ton/hr vapor dealta), cuyo impulsores principales sonENAP y Foster Wheeler Inc.
Conjuntamente con lo anterior sepresentan al SEIA (MINSEGPRES 2002)otras Centrales Térmicas, en otras regionesdel país que también utilizarán mezclasde petcoke/carbón como combustible, demayor capacidad de generación quePetropower y que además importarán sucombustible, tanto carbón como el propiopetcoke, desatando con ello un grandebate a nivel nacional sobre lospotenciales impactos de la utilización delpetcoke como combustible y agregandode paso incerteza sobre sus “característicasambientales”.
Los proyectos mencionados son:
Guacolda, III región, 304 MWNorgener, II región, 277 MWElectroandina Tocopilla, II región, 630 MWLaguna Verde, V región
Luego de un accidentado paso por nuestroSEIA, las centrales son apropiadas, no sinel rechazo de muchos sectoresambientalistas, bajo algunas de lassiguientes condiciones:
Normas chilenas de calidad de aire queprotegen la salud de las personas y elmedio ambiente.
Normas de emisión más estrictas delmundo en cuanto a níquel y vanadio.Respecto del primero, conviene aclararque el único compuesto cancerígenoes el níquel carbonilo (o carbonilo deníquel), que se presenta principalmenteen el proceso de refinación del níquel,pero no se detectó en las emisiones depetcoke.
No producirán residuos ni cenizastóxicas; como ya lo demostrarondiversas pruebas realizadas porl a b o r a t o r i o s n a c i o n a l e s einternacionales.
Mayores exigencias a las actuales paralas concentraciones de azufre en loscombustibles.
Deberán someterse a un amplio plande monitoreo de contaminantesatmosféricos.
Podrán ser obligadas a ajustar susoperaciones y limitar el uso del petcokee n c a s o d e d e t e c t a r s e u nempeoramiento en la calidad del aireen zonas aledañas a las termoeléctricas.Esto es, si en cualquier monitor de lared de vigilancia de calidad del aire sedetectase una concentración del 80%de la norma vigente, la generadoradeberá reducir sus emisiones.
Se someterán a monitoreos continuosde las emisiones de anhídrido sulfurosomedidas en chimenea. Además, deníquel y vanadio en las emisiones a finde demostrar el cumplimiento de lasnormas internacionales exigidas.
Monitoreo de las variables relevantesen lo que respecta al manejo delvertedero de cenizas y escorias, asícomo el fortalecimiento de las medidasde control ambiental que permiten eltransporte y depósito seguro de cenizasy escorias, y su contenido de vanadioy níquel, en el vertedero autorizadoque existe actualmente para estosefectos.
Medidas adicionales impuestas a la centralGuacolda:
Limitación porcentaje de azufre demezcla de carbón-petcoke: No podráser superior a 1,6%.
Limitación a la emisión máxima deanhídrido sulfuroso. Luego de seismeses de operación no se podrásobrepasar una tasa de emisión deanhídrido sulfuroso a la atmósferaequivalente a 71,4 ton/día. Después dees período, no se podrá superar las 84ton/día.
Diez monitores en línea vigilandominuto a minuto la calidad del aire: Lared de monitoreo de calidad del aireq u e a c t u a l m e n t e p o s e e l atermoeléctrica, constituida por dosestaciones localizadas en el área urbanade Huasco, se completará hasta alcanzarun número de 10 estaciones, quepermitan determinar la calidad del aireen los puntos de mayor relevancia. Lared de monitoreo estará dotada conterminales en línea instalados en laCentral, para permitir el manejodinámico de las emisiones, y endependencias del Servicio Agrícola yGanadero, del Servicio de Salud deAtacama y de la Dirección Regional dela Comisión Nacional del MedioAmbiente, para fines de fiscalización ydifusión de la información a lacomunidad.
Medidas adicionales impuestas a la centralNorgener:
Limitación de la concentración máximade azufre tanto en el carbón como enel petcoke.
Prohibición de aumentar las emisionesde partículas, anhídrido sulfuroso ni decenizas y escorias, respecto de lasituación actual de operación de laCentral utilizando sólo carbón. Ellogarantizará que, respecto de la situaciónactual, no exista un empeoramiento dela calidad del aire para estoscontaminantes.
Caracterización química de cada partidade combustible (mezcla carbón-petcoke)usado de manera de mantener elcontrol de las especificaciones químicasque lo componen.
Operación de red de monitoreo enTocopilla, con 2 monitores de materialparticulado, 3 monitores de anhídridosulfuroso y, adicionalmente, mediciónde níquel y vanadio con 6 muestrasmensuales en calidad y monitoreo deníquel y vanadio en chimeneas.
El D.S. 95/02, Reglamento del Sistema deEvaluación de Impacto Ambiental,establece en su Art. 3:
Letra ñ, “Producción, almacenamiento,transporte, disposición o reutilizaciónhabituales de sustancias tóxicas ,explosivas, radiactivas, inflamables,corrosivas o reactivas….”
Letra o, “Proyectos de saneamientoambiental, tales …y disposición deresiudos industriales”.
Letra ñ.1, “Producción, almacenamiento,disposición, reutilización o transporte pormedios terrestres, de sustancias tóxicas,…semestre o más, en una cantidad igualo superior a doscientos kilogramosmensuales (200 kg/mes)… señaladas enla Clase 6.1 de la NCh 382. Of98”.
Letra ñ.5, “Producción, almacenamiento,disposición, reutilización o transporte,por medios terrestres de sustanciascorrosivas o reactivas, …semestre o más,en una cantidad igual o superior a cientoveite mil kilogramos diarios (120.000kg/día)”.
Por otra parte y dado todo el escenarioanterior, se abre en el país un ampliodebate sobre las ventajas y desventajasde la utilización del coke comocombustible, los cuestionamientos másfuertes incluyen:
1. Discusiones sobre si es o no un residuo(incluso algunos se atreven a calificarloabiertamente como residuo peligroso),o más bien se trata de un subproductocombustible, obtenido en el procesode refinación del petróleo.
2. Discusiones sobre los impactos queprovoca su utilización (especialmenteen cuanto a las emisiones al aire).
3. Y en menor medida la generación decenizas como consecuencia de sucombustión.
Paralelo a este comienzo turbulento,debido a la introducción del petcoke comoun nuevo combustible a la matrizenergética, se hace más conocido lautilización integral de este combustible,debido a experiencias internacionales devarios años.
Luego de amplios debates, el país adoptaeste derivado del petróleo como uncombustible más, consecuentemente seaprueban las Centrales del norte del país,así como Petropower, lo que formalizasu “aprobación” a un nivel de la sociedaden general.
A nivel mundial se expande y generalizael uso de este subproducto comocombustible alternativo y a nivel nacionaly en especial con posterioridad a nivelregional se aprueba la utilización delpetcoke de Petropower, como substitutodel carbón en la producción de cementosiderúrgico, y se aprueba la utilización deuna parte de las cenizas generadas porel proceso de Petropower (pesadas o“bottom ash”) como substituto de lapuzolana en la elaboración de cementoPortland.
Finalmente, en la actualidad lapreocupac ión se centra en larevalorización o uso benéfico de lascenizas livianas (“fly ash”) a través dediferentes alternativas de procesos, entrelos que destacan:
• Estabilización de caminos• Producción de mezclas asfálticas• Producción de cementos (reemplazo de otras materias primas)• Elaboración de hormigones (reemplazo de cemento y/o de áridos finos)
Ministerio del Interior (MININT) (1980)Constitución Política de Chile.
Ministerio Secretaría General de laPresidencia (MINSEGPRES) (1994) LeyN°19.300. Ley de Bases Generales sobreel Medio Ambiente.
Ministerio Secretaría General de laPresidencia (MINSEGPRES) (2002) D.S.N°95; Modifica Reglamento Sistema deEvaluación de Impacto Ambiental.
Ministerio de Salud (MINSAL) (2004)D.S.Nº148; Reglamento Sanitario sobreResiduos Peligrosos.
Letra o.8, “Sistemas de tratamiento y/odisposición de residuos industrialessólidos”.
Letra o.9 “Plantas de tratamiento y/odisposición de resiudos peligrosos“.
Algunos proyectos de aprovechamientobenéfico residuos en el SEIA benéficoresiduos en el SEIA:
1. Aprovechamiento benéfico de lodosde planta de aprovechamientobenéfico de lodos de planta detratamientos de aguas servidasdomesticas, tratamientos de aguasservidas domesticas, ESSBIO.
2. Se aprueba su utilización en prediosforestales y se aprueba su utilizaciónen predios forestales y agrícolas, previouna serie de caracterizaciones yagrícolas, previo una serie decaracterizaciones y análisis.
3. Utilización de cenizas de biomasa comofertilizante en predios forestales.
4. Se aprueba su utilización para plantasespecíficas, en predios específicos concondiciones para su aplicación enterreno.
5. Utilización de combustible líquidoalternativo (aceites usados), en hornode clinker.
6. Utilización de petcoke como reemplazode combustible en horno de cementoen planta Melón.
7. Utilización de neumáticos comoreemplazo de combustible en hornode clinker.
De acuerdo a la normativa vigente enChile, las cenizas se pueden utilizar en laconstrucción de caminos si el proponentedel proyecto demuestra durante elproceso de tramitación de su proyecto enel Sistema de Evaluación de ImpactoAmbiental, que las cenizas en esaaplicación especifica dan cumplimiento alo establecido en el D.S. Nº148,demostrando que este material no generaimpacto negativo sobre el medioambiente y que además cumple latotalidad de la normativa vigente y dereferencia.
Al Estado le corresponde velar que sehaga efectivo el derecho de las personasa vivir en un medio ambiente libre decontaminación, así como garantizar suderecho a la protección de la salud. Delmismo modo, el crecimiento de laactividad económica ha multiplicado lageneración de residuos peligrosos, con elconsiguiente aumento de los riesgos queamenazan la salud humana y el medioambiente.
Por otra parte, para cumplir cabalmentelos compromisos del Estado y enfrentarel peligro creciente que representan losresiduos peligrosos, es indispensableregular el proceso completo de su manejo,desde que se generan y hasta que seeliminan, en términos que permitan suadecuado control y seguimiento, en unmarco de certeza jurídica necesario parael desenvolvimiento de la actividadeconómica, que sirva también de garantíapara la comunidad en su conjunto.
EL Reglamento Sanitario de ResiduosPeligrosos D.S. Nº148/2004 establece lascondiciones sanitarias y de seguridadmínimas a que deberá someterse lageneración, tenencia, almacenamiento,transporte, tratamiento, reuso, reciclaje,disposición final y otras formas deeliminación de los residuos peligrosos. Enparticular, un adecuado marco normativoinduce a la incorporación de una gestiónde los residuos más eficientes, que ayudea minimizar la generación de residuospeligrosos.
Los requisitos para la utilización industrialde las cenizas no están regulados. Sinembargo, a partir de los antecedentesrecopilados y experiencias internacionalesel personal de la SEREMI de Salud estatrabajando para definir la factibilidad dedar aplicación industrial a estos residuos.
Del mismo modo en el artículo tercerodel Reglamento se presentan definiciones,las cuales se deben considerar al efectuarel análisis de si es posible o no reutilizarlas cenizas de Cogeneración, dentro delas que destacan:
a) Residuo Peligroso:Residuo o mezcla de residuos quepuede presentar riesgo para la saludpública y/o efectos adversos al medioambiente, ya sea directamente odebido a su manejo actual o previsto,como consecuencia de presentaralgunas de las características señaladasen el artículo 11.
b) Almacenamiento o Acumulación:Conservación de residuos en un sitio ypor un lapso determinado.
c) Eliminación:Cualquiera de las operacionesseñaladas en el articulo 86°.
El reaprovechamiento de un material oproducto, el cambiar materias primas omodificar el proceso son alternativas quenos permiten conservar energía, y portanto, nos permiten reducir la carga sobreel medio ambiente al reducir elrequerimiento de materias primas.
La Gestión de Residuos Industriales estaregulada por el D.S. Nº148/03 quecorresponde al Reglamento Sanitario deResiduos Peligroso, este documento ensu articulo primero establece lascondiciones sanitarias y de seguridadmínimas que deberá someterse lageneración, almacenamiento, transporte,tratamiento, reuso, reciclaje, disposiciónfinal y otras formas de eliminación deresiduos los peligrosos.
A partir de estas definiciones podemosiniciar el proceso de evaluación,considerando los aspectos toxicológicosy fisicoquímicos de las cenizas.
d) Estabilización:Proceso mediante el cual un residuoes convertido a una forma química másestable, el que puede incluir lasolidificación cuando ésta producecambios químicos para reducir lamovilidad de los contaminantes.
e) Manejo:Todas las operaciones a las que sesomete un residuo peligroso luego desu generación, incluyendo, entre otras,su almacenamiento, transporte yeliminación.
f) Minimización:Acción para evitar, reducir o disminuiren su origen, la cantidad y/opeligrosidad de los residuos peligrososgenerados. Considera medidas talescomo la reducción de la generación,la concentración y el reciclaje.
g) Reciclaje:Recuperación de residuos peligrosos ode materiales presentes en ellos, pormedio de las operaciones señaladas enel artículo 86° letra B, para ser tilizadosen su forma original o previatransformación, en la fabricación deotros productos en procesosproductivos distintos al que los generó.
h) Reuso:Recuperación de residuos peligrosos ode materiales presentes en ellos, pormedio de las operaciones señaladas enel artículo 86° letra B, para ser utilizadosen su forma original o previatransformación como materia primasustitutiva en el proceso productivoque le dio origen.
i) Solidificación:Proceso en el que ciertos materialesson adicionados a los residuos paraconvertirlos en un sólido para reducirla movilidad de contaminantes omejorar su manipulación y suspropiedades físicas. El proceso puedeo no involucrar una unión químicaentre el residuo, sus contaminantes yel material aglomerante.
j) Tratamiento: Todo proceso destinadoa cambiar las características físicas y/oquímicas de los residuos peligrosos,con el objetivo de neutralizarlos,recuperar energía o materiales oeliminar o disminuir su peligrosidad.
Pero, antes de pensar en la reutilizacióndebemos implementar medidas deminimización, orientadas a la reducciónde la generación de los residuos en elorigen. En este contexto cobran fuerzamedidas tales como la reutilización y elreciclaje de los Residuos IndustrialesSólidos, los cuales son fuerte promovidosen el D.S. Nº148/2003.
Aspectos Toxicológicos y Fisicoquimicos
La combustión del coke de petróleogenera cenizas que contienen metalesresiduales provenientes del crudo original,en los cuáles se encuentra el níquel y elvanadio. Las Cenizas que se generan enuna caldera de lecho fluidizado se originana partir de la caliza introducida comodesulfuridor, y que es retenida en losfiltros de mangas.
Además, es importante destacar que lacaliza permite que el anhídrido sulfurosoproducido por la combustión del carbónde petróleo sea retenido, formandosulfato de calcio (yeso) en casi un 90% dela composición de las cenizas.
Por otra parte, el níquel y el vanadioquedan en la ceniza como compuestosinsolubles y no reactivos.
Tabla 1. Caracterización de metales residuales en ceniza de caldera de lecho fluidizado.
Metales Metales Metales en cenizasen Crudos en Coque Níquel (ppm) Vanadio (ppm)Níquel Vanadio Níquel Vanadio Ceniza Ceniza Mezcla Ceniza Ceniza Mezcla(ppm) (ppm) (ppm) (ppm) Liviana Pesada Liviana Pesada57 105 572 1362 3930 2144 2118 10326 5174 5172
Los resultados incluidos en la tabla sonsolo referenciales y corresponden amuestras de un día en particular. Sinembargo, a partir de esta informaciónpodemos establecer que estos compuestosestán presentes en concentracionessignificativas y además, se encuentran enla lista de sustancias peligrosas ATSDR/EPA.
1) NíquelEl níquel puro es un metal plateado, muyabundante, asociado en forma primariacon el oxigeno (óxidos) o azufre, por logeneral se combina con otros metalespara formar mezclas; fierro, cobre, cromo,zinc, etc..
El níquel ha sido reconocido como unagente carc inógeno del t ractorespiratorio, por exposición en ambienteslaborales no controlados. Donde el efectoadverso más común es una reacciónalérgica, llegando en algunos casos aprovocar asmas, bronquitis crónica y unafunción pulmonar reducida. Soncomponentes que se encuentran en lalista de sustancias peligrosas ATSDR/EPA.
Tabla 2. Normativa Asociada (D.S. 594/99)
Sustancia LPP (mg/m3) ObservacionesNíquel, metal y compuestos Insolubles 0,8 A1Níquel, compuestos solubles 0,08 A4
National Institute for Ocupational Health and Safety (NIOHS)Níquel y sus sales 1 mg/m3
2) VanadioAmpliamente distribuido en la naturaleza,se encuentra en el petróleo crudo y susderivados. Es un metal de color blanco-gris, y se encuentra a menudo en formade cristales. Normalmente se combinacon otros elementos como el oxígeno,sodio, azufre o cloro.
El más importante es el Pentóxido deVanadio, al cual se le asocian bronquitisy bronconeumonía, decoloración en lalengua, irritante en piel y ojos,principalmente por exposición enambientes laborales no controlados.
Cont. Tabla 2. Normativa Asociada (D.S. 594/99)
Sustancia LPP (mg/m3) ObservacionesVanadio en Polvo respirable y humos exp V2O5 0,04 A1
Tabla 3. Normativa Asociada (OSHA)Sustancia LPP (mg/m3)Pentoxido de Vanadio en polvo 0,06Pentoxido de Vanadio en Aire 0,1
Tabla 4. National Institute for Ocupational Health and Safety (NIOHS)Vanadio 36 mg/m3
¿Cuándo un residuo es peligroso?
De acuerdo al D.S. Nº148 un residuo se clasifica como peligroso cuando alguno delos siguientes ensayos es positivo. Estos son:
• Toxicidad Aguda• Toxicidad Crónica• Toxicidad Extrínseca Método US EPA 1311• Inflamabilidad Método US EPA 1010 - 1030• Reactividad Método US EPA 9039 - 9010• Corrosividad Método US EPA 1110
¿Cuándo se dice que un residuo es tóxico?
• Cuando su eliminación puede dar origena una o más substancias agudas (art.88°) o crónicas (art . 89°) enconcentraciones que pongan en riesgola salud de la población.
• Cuando su eliminación se haga a travésde disposición final en el suelo ymediante ensayo o test toxicidad porlixiviación (TCLP), se establezca unaconcentración máxima permisible (CMP)superior a la señalada en la tablacorrespondiente del art. 14.
Figura 1. Procedimiento para establecer la Peligrosidad de un residuo.
La AS tiene lafacultad de
comprobar queun residuo
cualquiera es ono peligroso
El residuo no espeligroso
Verificar si el residuo está en lasCategorías de Residuos de las
Lista I, II o III del art 18º
Verificar si el residuo está enLista A. del art. 19
El residuo es Peligroso
El generador puede demostrar aLa AS, que los residuos no son
peligrosos, según los métodos delos art. 12 al 17
NO está
Lista B
Concentraciones Máximas Permisibles(CMP) art. 14 - Identificación de ResiduosPeligrosos.
Artículo 14Un residuo tendrá la característica detoxicidad extrínseca cuando su eliminaciónpueda dar origen a una o más sustanciastóxicas agudas o tóxicas crónicas enconcentraciones que pongan en riesgo lasalud de la población. Cuando laeliminación se haga a través de sudisposición final en el suelo se consideraráque el respectivo residuo tiene estacaracterística cuando el Test de Toxicidadpor Lixiviación arroje, para cualquiera del a s s u s t a n c i a s m e n c i o n a d a s ,concentraciones superiores a las señaladasen la siguiente Tabla 5:
Tabla 5. Concentraciones Máximas Permisibles (CMP).Código RP Nº CAS Sustancia CMP (mg/l)D004 7440-38-2 Arsénico 5D007 7440-47-3 Cromo 5D009 7439-97-6 Mercurio 0,2D008 7439-92-1 Plomo 5D010 7782-49-2 Selenio 1D005 7440-39-2 Bario 100D018 71-43-2 Benceno 0,5D006 7440-43-9 Cadmio 1D019 56-23-5 Tetracloruro de carbono 0,5D020 57-74-9 Clordano 0,03D021 108-90-7 Clorobenceno 100D022 67-66-3 Cloroformo 6D023 95-48-7 o-Cresol (*) 200D024 108-39-4 m-Cresol (*) 200D025 106-44-5 p-Cresol (*) 200D026 -------- Cresol (*) 200D016 94-75-7 2,4-D 10D027 106-46-7 1,4 Diclorobenceno 7,5D028 107-06-2 1,2 Dicloroetano 0,5D029 75-35-4 1,1 Dicloroetileno 0,7D030 121-14-2 2,4 Dinitrotolueno 0,13D012 72-20-8 Endrin 0,02D031 76-44-8 Heptacloro (y su epóxido) 0D032 118-74-1 Hexaclorobenceno 0,13D033 87-68-3 Hexacloro-1,3-butadieno 0,5D034 67-72-1 Hexacloroetano 3D013 58-89-9 Lindano 0,4D014 72-43-5 Metoxicloro 10D035 78-93-3 Metiletilcetona 200D036 98-95-3 Nitrobenceno 2D037 87-86-5 Pentaclorofenol 100D038 110-86-1 Piridina 5D011 7440-22-4 Plata 5D039 127-18-4 Tetraclroetileno 0,7D015 8001-35-2 Toxafeno 0,5D040 49-01-6 Tricloroetileno 0,5D041 95-95-4 2,4,5-Triclorofenol 400D042 88-06-2 2,4,6-Triclorofenol 2D017 93-72-1 2,4,6,-TP(silvex) 1D043 75-01-4 Cloruro de vinilo 0,2
(*) La suma de las concentraciones de losisómeros (o-cresol, m-cresol y p-cresol)debe ser inferior a la CMP establecidapara el cresol.
Como se puede observar en esta tabla nose menciona el níquel ni el vanadio.
Artículo 43Toda instalación de Eliminación deresiduos peligrosos deberá contar con larespectiva autorización otorgada por laAutoridad Sanitaria, en la que seespecificará el tipo de residuos que podráeliminar y la forma en que dichaeliminación será llevada a cabo, ya seamediante
Tratamiento, reciclaje y/o disposición final
Al momento de otorgar dichaautorización se asignará un número deidentificación, valido para la aplicacióndel Título VII de este Reglamento.
Art. 86°A; Operaciones que no puedenconducir a la recuperación de recursos,el reciclaje, la regeneración, el reuso uotros usos.
Art. 86°B; Operaciones que puedenconducir a la recuperación de recursos,el reciclaje, la regeneración, el reuso uotros usos.
• Descripción de las actividades que sedesarrollan en el proceso productivo,sus flujos de materiales e identificaciónde los puntos en que se generanresiduos peligrosos.
• Identificación de las características depeligrosidad de los residuos generadosy estimación de la cantidad anual decada uno de ellos.
• Análisis de las alternativas deminimización de la generación deresiduos peligrosos y justificación de lamedida seleccionada
• Detalle de los procedimientos internospara recoger, transportar, embalar,etiquetar y almacenar residuos.
• Definición del perfil del profesional otécnico responsable de la ejecución delPlan, así como, del personal encargarlode operarlo.
D.S. 148/03 RISPEL Párrafo II, De lasactividades que realizan Operaciones deReuso y/o Reciclaje
Artículo 52El uso de residuos peligrosos como insumode cualquier actividad será autorizadopor la Autoridad Sanitaria cuando noimplique riesgo para la salud pública o almedio ambiente.
Articulo 53Los establecimientos que reusen susresiduos peligrosos y los que reciclen talesresiduos en cantidades no superiores a 12kilogramos anuales cuando se trate deresiduos tóxicos agudos o 12 toneladascuando se trate de otros residuospeligrosos, deberán mantener un sistemade registro que consigne el tipo y cantidadde los residuos eliminados
Artículo 26El Plan de Manejo de RISPEL debeprivilegiar opciones de sustitución en lafuente, minimización y reciclaje cuyoobjetivo sea reducir la peligrosidad,cantidad y/o volumen de residuos quevan a disposición final y deberácontemplar a los menos los siguientesaspectos;
Articulo 86Las operaciones de eliminación a las quepueden someterse los residuos peligrososserán solamente las que señalan acontinuación:
A) Operaciones que no pueden conducira la recuperación de recursos, el reciclaje,la regeneración, el reuso u otros usos
A.1 Depósito permanente dentro o sobrela tierra (por ejemplo: en minassubterráneas)
A.2 Tratamiento en el suelo (por ejemplo:biodegradación de desperdicioslíquidos o lodos en el suelo, etc)
A.3 Rellenos de seguridadA.4 T r a t a m i e n t o b i o l ó g i c o n o
especificado en otra operación deeste artículo que de lugar acompuestos o mezclas finales que seeliminen mediante cualquiera de lasoperaciones indicadas en esta tabla.
A.5 Tratamiento físico químico noespecificado en otra operación deeste artículo que de lugar acompuestos o mezclas finales que seeliminen mediante cualquiera de lasoperaciones indicadas en esta tabla(por ejemplo evaporación, secado,ca l c inac ión , neut ra l i zac ión ,precipitación, etc.)
A.6 Incineración en tierraA.7 Almacenamiento de residuos por
períodos prolongados
B) Operaciones que pueden conducir a larecuperación de recursos, el reciclaje, laregeneración, el reuso u otros usos.
B.1 Utilización como combustible, queno sea la incineración directa, u otrosmedios de generar energía.
B.2 Recuperación o regeneración desolventes.
B.3 Reciclaje o recuperación de sustanciasorgánicas que no se utilizan comosolventes.
B.4 Recuperación o regeneración demetales y compuestos metálicos.
B.5 Reciclaje o recuperación de otrasmaterias inorgánicas.
B.6 Regeneración de ácidos o bases.B.7 Recuperación de componentes
ut i l i zados para reduc i r l acontaminación.
B.8 Recuperación de componentesprovenientes de catalizadores.
B.9 Recuperación o reutilización deaceites usados.
B.10 Tratamiento de suelos en beneficiode la agricultura o el mejoramientoecológico.
B.11 Utilización de residuos peligrososresultantes de cualquiera de lasoperaciones numeradas de B.1 a B.10.
B.12 Intercambio de residuos parasometerlos a cualquiera lasoperaciones numeradas de B.1 a B.11.
Ministerio del Interior(MININT) (1980)Constitución Pólitica de Chile.
Ministerio Secretaría General de laPresidencia (MINSEGPRES) (1994) LeyN°19.300. Ley de Bases Generales sobreel Medio Ambiente.
Ministerio Secretaría General de laPresidencia (MINSEGPRES) (2002) D.S.N°95; Modifica Reglamento Sistema deEvaluación de Impacto Ambiental.
Ministerio de Salud (MINSAL) (2004)D.S.Nº148; Reglamento Sanitario sobreResiduos Peligrosos.
Decreto Ley N°2.763/79, publicado en elD.O. el 3 de Agosto de 1979.
Ministerio Secretaría General de laPresidencia MINSEGPRES (1998) D.S. Nº59; Establece Norma de Calidad Primariapara Material Particulado RespirableMP10, en Especial de los Valores queDefinen Situaciones de Emergencia.Modifica el D.S. Nº 185/91, del Ministeriode Minería y la Res. Ex. Nº 369, de 1988,del Ministerio de Salud. UltimaModificación D.O. 11 de Septiembre de2001.
Ministerio Secretaría General de laPresidencia (MINSEGPRES) (2001) D.S. Nº45; Modifica D.S. 59 de 1998 que establecenorma de calidad primaria anual paramaterial particulado respirable MP10.
ENAP Refinerias BioBio, es la únicaempresa en Chile que fabrica Carbón(coque) de Petróleo, a partir de loscompuestos pesados del petróleo crudo.(coquificación retardada).
Petropower Energía (Foster Wheeler), esla única termoeléctrica en Chile, con unacaldera de lecho flluidizado de caliza, ypor tanto la única que genera este tipode cenizas resultantes de la cogeneracióneléctrica.
De los periodos de seguimiento ymuestreo a las cenizas, es posible observarque todos los valores de los analitosinorgánicos que se encuentran en el art.14° del D.S. 148/04, están por debajo delas concentraciones máximas permisibles(no son tóxicas por lixiviación)
• No se observa niveles de reactividad enlas cenizas (sulfuro y cianuro)
• No presenta caracter íst ica decorrosividad
1.1 ANTECEDENTES GENERALES
La Planta Cogeneradora Petropower,ubicada en las instalaciones de ENAPRefinerias Bío-Bío, utiliza tecnología decombustión de lecho fluido para producirenergía eléctrica en base a “coke” depetróleo. El proceso de cogeneraciónincluye la adición de caliza a la caldera,para reducir la emisión de SOx a laatmósfera. Como subproducto de lacombustión de dichos materiales, seproduce una gran cantidad de cenizas,denominadas cenizas FBC, las que sepueden dividir en 3 grupos:
• Ceniza volante (FA):Corresponde a la fracción más fina, lacual es atrapada en los colectores desacos (“baghouse”).
• Ceniza de fondo (BA):Está compuesta por partículas detamaño mayor a 0,075 mm; esta cenizaprecipita al fondo de la caldera y seextrae por gravedad.
• Ceniza combinada (FBA):Corresponde a la mezcla de volante yde fondo, que se produce al mezclarseambas en el silo de almacenamiento.Esta ceniza se puede encontrar enestado seco (FBA-d) o hidratada (FBA-h) en los depósitos sanitarios.
De acuerdo a la literatura y experienciasa n t e r i o r e s , m a y o r i t a r i a m e n t einternacionales, las cenizas FBC puedenser utilizadas para estabilizar suelos.
2.1 ESTABILIZACION DE SUELOS
2.1.1 Antecedentes generales
El propósito de la estabilización de sueloses mejorar el comportamiento mecánicoy físico de las distintas capas granularesque conforman un camino, tales comobases o subbases, carpetas de rodado ysubrasante. También permite modificarciertas propiedades del suelo con lafinalidad que éste resista mejor la acciónde agentes externos, tales como el aguay el tránsito. Existen dos vías paraestabilizar un suelo: estabilizaciónmecánica y estabilización química.
Tradicionalmente, la estabilizaciónmecánica se define como un proceso queconsiste en el mejoramiento de laspropiedades físicas y mecánicas de unsuelo sin la adición de materiales químicos,distinguiéndose dos procedimientos:mezcla de diferentes tipos de suelo ycompactación. Por su parte, laestabilización química es utilizada comocomplemento de la estabilizaciónmecánica. Consiste en mejorar laspropiedades físicas y/o mecánicas del suelomediante la adición de un productoquímico, de manera de producir uncambio de las propiedades molecularessuperficiales de los granos (partículas) desuelo y/o la adherencia entre ellos.
Los estabilizadores químicos puedenmodificar diferentes propiedades delsue lo , ta les como p las t i c idad ,compresibilidad y permeabilidad, pero elprincipal interés es usualmenteincrementar la resistencia del suelo ymejorar su comportamiento en presenciade agua. Las propiedades de desempeñodel suelo, que son deseables de modificar,son:
1.2 OBJETIVOS Y ALCANCES DELACTUAL PROYECTO
El objetivo general del proyecto es evaluartécnicamente el aporte estructural de lascenizas FBC, cuando éstas son utilizadasen la estabilización de materialesgranulares.
Los objetivos específicos del proyecto son:
• Establecer los rangos de las dosis deceniza a utilizar en la estabilización desuelos.
• Evaluar el aporte estructural de capasestabilizadas con ceniza FBC paraestablecer espesores recomendables deconstrucción según las condiciones delsuelo de apoyo y tipo de materialutilizado en la estabilización.
• Definir su forma de aplicación y estudiarla forma en que la ceniza quedaráintegrada en la matriz de suelocompactada.
• Realizar pruebas a escala real deestabilización de suelos con objeto deevaluar y contrastar los resultados deterreno con resultados de laboratorio.
• Evaluar el deterioro superficial de lacapa estabilizada con ceniza FBCsometida a condiciones de tránsito yclima húmedo.
• Estudiar la necesidad de utilizarsuperficies protectoras del tipo sellos olechadas asfálticas.
En este documento se presentanantecedentes generales de los mecanismosde estabilización y resultados premilitaresde las etapas del proyecto que están enejecución. A la fecha, este proyecto estáen plena fase de estudio, por lo cual losantecedentes que aquí se presentan sonpreliminares. Lo anterior implica que esnecesario continuar con los estudios, encada uno de los ítems antes definidos,para obtener conclusiones claras yconfiables.
• Capacidad de soporteEstá asociada a la resistencia mecánicade la capa granular en el pavimento.Un suelo de mayor calidad será capazde resistir las tensiones a que estásometido en el pavimento sindeformarse. Esta propiedad, además,debe perdurar en el tiempo ante lacontinua acción de las cargas de tránsito(efecto de fatiga).
• Estabilidad bajo aguaSe refiere al desempeño del suelo en lapresencia de agua. Si el suelo va a estarexpuesto a la acción del agua esrecomendable que sus propiedadesm e c á n i c a s n o s e r e d u z c a nconsiderablemente cuando se humedeceo satura.
• Estabilidad volumétrica (ante cambiosde humedad o ciclos hielo-deshielo)Se refiere a la capacidad del suelo deresistir los efectos de la humedad y losciclos hielo-deshielo sin cambiarsignificativamente de volumen. Loscambios de humedad en suelosinestables provocan presiones porexpansión, loas cuales pueden generarfisuras o deformaciones en capasadyacentes.
• ImpermeabilidadPara impedir que el agua penetre enlas capas inferiores, especialmentecuando la capa estabilizada sirve desuperficie de rodado.
• Resistencia a la abrasiónSe refiere a la capacidad de resistir losesfuerzos producidos por la tracciónque producen los neumáticos sobre lasuperficie de rodado. Esta propiedad serequiere en suelos o materiales queestarán expuestos al tráfico (capas derodado).
• TrabajabilidadAlgunos agentes químicos facilitan laextensión y compactación del materialgranular.
Los agentes estabilizadores químicos“tradicionales” son el asfalto, la cal y elcemento, los cuales son ampliamenteusados en el mundo, y sobre los cualesexisten normas y procedimientosestablecidos.
En este capítulo se describen las principalescaracterísticas del uso del cemento, la caly las cenizas como agentes estabilizadorescementantes.
2.1.2 Estabilización de suelos concemento
El cemento Portland se define como un“material pulverizado muy fino, denaturaleza inorgánica, el cual al sermezclado con agua endurece tanto al airecomo bajo agua, resultando en unproducto que en su mayor parte esinsoluble y que exhibe altas resistenciasmecánicas". El cemento Portland estácompuesto principalmente por silicatos yaluminatos de calcio hidráulicos (C3S, C2Sy C3A). Cuando entra en contacto con elagua, se produce una pasta de cemento(cemento + agua) donde se producen lasreacciones de hidratación, en las cualeslos silicatos y aluminatos de calcio formanproductos de hidratación, que en eltiempo dan lugar a una masa endurecidaconocida como pasta de cementohidratada.
(a) Mecanismo de Estabilización de Suelos
El objetivo de estabilizar un suelo concemento es básicamente el incrementode la resistencia mecánica gracias a laformación de agentes cementantes,s iendo un efecto secundario lamodificación de algunas propiedadesfísicas del suelo.
En limos y arcillas, la formación de agentescementantes pega una porción de laspartículas finas del suelo formando unapasta de cemento, la cual encierra a laspartículas no unidas, esto crea una matrizcontinua con una estructura celular, dela cual depende la resistencia. Puesto que
la matriz fija las partículas finas, elcemento reduce la plasticidad eincrementa la resistencia al corte del suelo.La adición de cemento al suelo tambiénreduce su susceptibilidad a cambiosvolumétricos por variaciones de humedado ciclos hielo / deshielo.
En suelos granulares el efecto decementación es similar al que ocurre enel hormigón, la única diferencia es quela pasta de cemento no llena todos losvacíos del agregado debido a que lascantidades de cemento utilizadas sonsignificativamente menores, luego la pastade cemento formada pega las partículasgruesas sólo en ciertos puntos, llamadospuntos de contacto (no se forma unamatriz continua).
(b) Propiedades de los Suelos Estabilizadoscon Cemento
Las propiedades de los suelos estabilizadoscon cemento dependen en gran medidadel tipo de suelo (granular o fino),densidad y contenido de agua, entre otrosfactores. Las principales propiedades físicasy mecánicas que pueden ser modificadasson:
• Características de compactaciónGeneralmente se produce un cambio,tanto en la densidad máxima que seobtiene como en la humedad óptimade compactación (puede aumentar odisminuir dependiendo del tipo desuelo).
• Resistencia Aumenta la resistencia mecánica del
suelo estabilizado. La resistenciadepende principalmente del tipo desuelo (granular o fino) y del contenidode cemento. Se pueden alcanzarresistencias de hasta 70 kgf/cm2 parasuelos finos y hasta 150 kgf/cm2 parasuelos granulares, dependiendo de ladosis de cemento.
• Retracción Los suelos estabilizados con cemento
exhiben retracción producto del curadoy secado. La magnitud de la retraccióndepende del tipo de suelo, dosis decemento, dosis de agua y condicionesde curado
(c) Consideraciones al Estabilizar Sueloscon Cemento
• AplicacionesLa estabilización con cemento esampliamente usada en caminospavimentados, para la estabilización debases y subbases, sin embargo, no esun estabilizador apropiado paracarpetas de rodado de grava o tierra.Cuando se utilizan bajas dosis decemento la carpeta no resiste la acciónabrasiva del tránsito, produciéndose eldesprendimiento de áridos, por lo tantoen estos casos se requiere la construcciónde una superficie de rodado (o capa deprotección) sobre las capas estabilizadas,por ejemplo tratamientos superficialesasfálticos.
• Programación de la ConstrucciónEs importante indicar que un atraso enla compactación de los suelosestabilizados con cemento puedeproducir una pérdida tanto de densidadcomo de resistencia, por lo que esimportante planificar las operacionesde construcción de modo que lacompactación se realice en cuanto elsuelo esté mezclado con el cemento.
• Suelos con Materia OrgánicaAlgunos compuestos orgánicos de bajopeso molecular pueden actuar comoretardadores del proceso de hidratacióndel cemento y reducir la resistencia delsuelo estabilizado.
• Suelos con SulfatosEn el caso de suelos granulares, lapresencia de sulfatos no producenecesariamente efectos negativos. Sinembargo en suelos finos las reaccionesentre la arcilla y los sulfatos pueden serperjudiciales para la estabilidadvolumétrica del material. Es importanteindicar que el uso de cementosresistentes a los sulfatos sólo tiene efectoen hormigones; en el caso de suelosfinos estabilizados, los sulfatosproducirán reacciones nocivas concua lqu ie r t i po de cemento .Normalmente se especifica que lasarcillas no deben contener más de un 1% de sulfatos para poder serestabilizadas con cemento.
2.1.3 Estabilización de suelos con cal
Cal es un nombre genérico utilizado paradescribir varios minerales, entre ellos elóxido de calcio o cal viva CaO y elhidróxido de calcio, también llamado calapagada o cal hidratada Ca(OH)2. La calse utiliza para estabilizar suelos con uncontenido importante de arcilla. Gravasy arenas no se pueden estabilizar con cal,a no ser que se adicione algún materialque suministre compuestos puzolánicospresentes en la arcilla (alúmina y sílice).
(a) Mecanismos de Estabilización
La adición de cal a suelos finos producediferentes reacciones que modifican laspropiedades físicas y mecánicas del suelotratado, entre ellas el intercambiocatiónico y las reacciones puzolánicas delargo plazo, las cuales generan agentesaglomerantes y cementantes queaumentan la resistencia mecánica de laarcilla.
(b) Propiedades de los Suelos Estabilizadoscon Cal
Las principales propiedades físicas ymecánicas de los suelos estabilizados concal son:
• Estabilidad frente a la acción del aguaSe reduce la plasticidad de la arcilla,debido básicamente al intercambiocatiónico, que reduce el espesor de ladoble capa de las partículas arcillosas.Esto implica que el suelo es menossensible a cambios de humedad.
• Estabilidad volumétricaMejora la estabilidad volumétrica, sereduce el potencial de hinchamiento ycontracción debido a cambios dehumedad.
• Características de compactaciónLa densidad máxima compactada secase reduce en comparación con un suelono tratado, y el contenido de humedadóptimo se incrementa al aumentar elcontenido de cal. Además, la curvahumedad-densidad es más llana.
• ResistenciaAumenta la resistencia mecánica delsuelo estabilizado.
• AutoreparaciónLos suelos estabilizados con cal tienenuna propiedad conocida comoautoreparación (healing), que consisteen que mientras haya cal disponible enel suelo, cualquier fisura que se produzcapuede ser ‘autoreparada’ mediante lareacción entre las paredes de la fisura,siempre y cuando haya agua disponible.(c) Consideraciones Importantes en laEstabilización con Cal.
• Tipos de Suelo a Estabilizar con CalComo se mencionó previamente, esrecomendable que el suelo a estabilizarcon cal contenga sobre un 10% dematerial arcilloso, como mínimo. Laarc i l la provee los compuestospuzolánicos (sílice y alúmina) necesariospara el desarrollo de los agentescementantes.
• Uso de los Suelos Estabilizados con CalLos suelos estabilizados con cal nopueden ser usados como carpeta derodado, dado que en general no tienenuna buena resistencia a la abrasión. Eluso más eficiente de la estabilizacióncon cal es en la estabilización desubrasantes arcil losas, o en elmejoramiento de materiales de base osubbase con alto contenido de materialfino (sobre los límites permitidos parabases y subbases, que normalmente esalrededor del 10 %).
• Suelos con SulfatosAlgunas arcillas tienen un contenidoimportante de sulfatos, lo que puedetraer consecuencias negativas para laestabilización con cal. Los sulfatos, enconjunto con la sílice, alúmina, cal yagua, producen reacciones expansivasal producirse sulfatos de calciohidratados, especialmente trisulfatos(entre ellos, etringita). Normalmente seespecifica que las arcillas no contenganmás de un 1% de sulfatos para serestabilizadas con cal.
2.1.4 Estabilización de suelos concenizas volantes tradicionales
El término ceniza volante se usa paradescribir cualquier residuo particuladofino que se precipita de los gases deescape provenientes de calderas quequeman combustibles sólidos. La mayorparte de las cenizas volantes se produceen plantas generadoras de energíaeléctrica que funcionan en base a carbón.Las cenizas son transportadas en
suspensión por los gases de escape, yrecolectadas en sistemas mecánicos(ciclones o colectores de sacos) oelectrostáticos. La principal característicade la ceniza volante es su naturalezapuzolánica, por lo cual puede tener unuso como material cementante. Lapuzolana se puede definir como “unmaterial silíceo o silíceo-aluminoso, queen sí mismo no tiene o tiene muy pocaspropiedades cementantes; pero cuandoestá en forma de polvo muy fino y enpresencia de humedad, reaccionaquímicamente con el hidróxido de calcio(a temperatura ambiente), formandocompuestos que tienen propiedadescementantes".
Las cenizas volantes tradicionalescontienen sílice, aluminio y hierro ynormalmente no reaccionan con agua.La ASTM define dos tipos de cenizasvolantes, Clase F y Clase C. Las cenizasClase C provienen de carbonessubbituminosos y contienen la mayorcantidad de cal, por lo cual reaccionancon agua. Las cenizas Clase F provienende carbones bituminosos y contienenmenores cantidades de cal y mayorescantidades de compuestos puzolánicos.
Cuando se utilizan cenizas volantestradicionales en la estabilización de suelos,es necesario adicionar un agenteactivador, normalmente cal o cemento.El agente activador provee cal, la cual alhidratarse produce hidróxido de calcio,reaccionando con los compuestospuzolánicos de las cenizas (reacciónpuzolánica). Existe gran cantidad deinformación sobre el uso de las cenizasvolantes en conjunto con la cal, no así enel caso del cemento. Esto porque el usode cemento como agente activadoraumenta los costos de la estabilización.
(a) Mecanismos de Estabilización
La base de la acción cementante de lascenizas volantes es la reacción puzolánica.La reacción puzolánica se produce entre
la sílice y alúmina, y la cal hidratada ohidróxido de calcio Ca(OH)2. La reacciónpuzolánica es relativamente lenta y seproduce en el mediano y largo plazo. Porello, en algunos proyectos se adicionacemento para acelerar la ganancia deresistencia en el corto plazo.
(b) Propiedades de los Suelos Estabilizadoscon Cenizas Volantes
Las propiedades de los suelos estabilizadoscon ceniza volante dependen en granmedida del tipo de suelo (granular o fino),densidad y agente activador, entre otrosfactores. Las principales propiedades físicasy mecánicas que pueden ser modificadasson:
• Características de compactaciónGeneralmente se produce un cambio,tanto en la densidad máxima que seobtiene como en la humedad óptimade compactación. En el caso de la Calcomo agente activador, la densidadmáxima seca disminuye, mientras quela humedad óptima aumenta.
• ResistenciaAumenta la resistencia mecánica delsuelo estabilizado. La resistenciadepende principalmente del tipo desuelo (granular o fino) y del contenidode ceniza. El ensayo de resistencia a lacompresión no confinada es el ensayomás ampliamente usado para medir laefectividad de la estabilización concenizas, aunque también es posibleobservar el incremento de resistenciamediante el ensayo de CBR.
• Estabilidad volumétricaMejora la estabilidad volumétrica delos suelos plásticos, se reduce elpotencial de hinchamiento y contraccióndebido a cambios de humedad.
(c) Consideraciones Importantes en laEstabilización con Ceniza Volante.
• Uso de los suelos estabilizados conceniza volanteLa ceniza volante no es un estabilizadorapropiado para carpetas de rodado degrava o tierra, ya que la carpeta noresiste la acción abrasiva del tránsito,produciéndose el desprendimiento deáridos, por lo tanto en estos casos serequiere la construcción de unasuperficie de rodado (o capa deprotección) sobre las capas estabilizadas,por ejemplo tratamientos superficialesasfálticos.
• Programación de la ConstrucciónEs importante indicar que un atraso enla compactación de los suelosestabilizados con ceniza volante (y algúnagente activador) puede producir unapérdida tanto de densidad como deresistencia, por lo que es importanteplanif i car las operac iones deconstrucción de modo que lacompactación se realice en cuanto elsuelo esté mezclado con las cenizas.
• Tipo de SuelosAlgunas arcillas tienen un contenidoimportante de sulfatos, lo que puedetraer consecuencias negativas para laestabilización con ceniza volante.Normalmente se especifica que lasarcillas no contengan más de un 10%de sulfatos para ser estabilizadas. Porotra parte, los suelos orgánicos tambiénson difíciles de estabilizar usando cenizavolante (Fuente: Fly Ash Facts forHighway Engineers).
2.2 ANTECEDENTES SOBRE LAUTILIZACION DE CENIZAS DECALDERAS DE LECHO FLUIDO
El tipo de ceniza que se estudia en lapresente investigación es muy diferentea las cenizas producidas en calderasconvencionales, tanto en estructura comocomposición química. No obstante, laspropiedades que poseen los materialesestabilizados son similares a las que seobtienen en las estabilizaciones conmateriales tradicionales (cal, cemento,etc,) por lo cual la metodología de estudiose ajusta a lo definido en los capítulosanteriores.
2.2.1 Cenizas de calderas de lechofluido
La Combustión de Lecho Fluido (FBC:Fluidized Bed Combustion) es unatecnología que permite utilizar carbóncon alto contenido de azufre en lageneración de energía eléctrica. Paraminimizar las emisiones de SOx queproduce este tipo de combustibles, seadic iona un e lemento para ladesulfurización de los gases decombustión, por ejemplo, caliza. La calizaintroducida en la caldera captura el azufrepresente en el carbón y así reduce lapolución ambiental (emisión de SOx).
Las cenizas de calderas de lecho fluido, ocenizas FBC, se diferencian de las cenizastradicionales, principalmente por su bajocontenido de compuestos puzolánicos(sílice y alúmina) y su alto contenido decal y sulfatos. Es decir, en estricto rigorno sería correcto el uso del término cenizavolante tal como lo describen algunasespecificaciones (por ejemplo la ASTM).
Las cenizas FBC contienen importantesconcentraciones de cal (óxido de cal) ysulfato de calcio (CaSO4, anhidrita),producto de la reacción entre el azufredel carbón y la caliza incorporada. Poresta razón, la ceniza FBC presenta un
doble mecanismo de estabilización. Poruna parte entrega las propiedades de lacal (intercambio catiónico y reaccionespuzolánicas) y por otro, la anhidrita haceque las cenizas FBC sean muy reactivascuando entran en contacto con el agua,formando minerales secundarios (yeso yetringita), en etapas tempranas dehidratación (primeros días o semanas)que permiten unir partículas y producirmasas cementadas que tienen resistenciasa la compresión comparables a las de unhormigón pobre (70 a 100 kg/cm2).
Sin embargo, las reacciones de hidratacióny formación de etringita puedencontinuar incluso por largos períodos detiempo (hasta meses o años), produciendopresiones por expansión que puedencausar hinchamiento y una reducción dela resistencia a la compresión. Por otrolado, si no se logra una buenaimpermeabilidad, el acceso de agua yCO2 al interior del material producereacciones a partir del yeso y la etringita,con lo que se forman mineralessecundarios como el carbonato de calcioreduciendo la durabilidad del material(Fuente: Universidad de Purdue).
2.2.2 Utilización de cenizas FBC
La principal fuente de información sobreel uso de cenizas FBC proviene del trabajorealizado en el Departamento de ServicioExterior de la Universidad Purdue en WestLafayette, Indiana, donde se lleva a caboun programa de manejo de todo tipo deresiduos, en particular de varios tipos decenizas.
(a) Estabilización de Suelos
No existen muchos antecedentes sobreel uso de cenizas FBC en estabilizaciónde suelos. La Universidad Purdue realizóalgunas pruebas entre 1995 y 1999, sinembargo se abandonó dicha línea deinvestigación. La razón por la cual la
12
10
8
6
4
2
0
% ceniza
0,00% 5,00% 15,00% 20,00% 25,00%10,00%
tensi
ón (k
g/c
m2)
La Figura 1, presenta los resultados de los ensayos de compresión no confinadarealizados al material del tramo de pruebas estabilizado con ceniza FBC. El valor de15% obtenido en la figura es en relación al material bajo malla 3/8”, lo cual equivalea un 6,4% respecto del peso total del material.
Figura 1. Resultados Ensayo UCS para Suelo Tramo de prueba ENAP.
3.1 ANTECEDENTES GENERALES
En el presente estudio se proyectó larealización de diversos estudios a nivelde laboratorio y la materialización de 2tramos de prueba, el primero de los cualesse realizó en un camino interior de laplanta de ENAP Refinerías Bío Bío, cuyosresultados preliminares se presentan acontinuación.
En el proceso de diseño de mezclas deeste tramo de pruebas, se definieron tantola dosis de ceniza FBC como la cantidadde agua necesaria para maximizar laresistencia mecánica de la base granularestabilizada. A partir de lo anterior, sedeterminó que el porcentaje de cenizaFBC que maximiza la resistencia del sueloestabilizado corresponde a un 6,4%respecto al peso del material granular.
Universidad Purdue dejó de estudiar laestabilización de suelos con cenizas FBC,tiene que ver con la durabilidad de laestabilización. Descubrieron que al cabode dos o tres años, al transformarse laetringita en minerales secundarios, seperdía la estabilización y los caminos setornaban polvorientos.
Cabe hacer notar que la investigación dedicha universidad se realizó en carpetasde rodado, y que además se buscaba unmétodo de estabilización permanentepara caminos secundarios.
(b) Rellenos
La Universidad Purdue ha utilizado lascenizas FBC para construir lo que hanllamado un relleno estructural. Estocorresponde al relleno controlado de unantiguo pozo de empréstito de material,sin embargo, en el futuro podríaeventualmente ser utilizado comoterraplén para un camino o áreas verdes.
Figura 2. Configuración Tramo de Prueba
Como se puede apreciar de la Figura 2,el tramo de pruebas posee 2 tramospatrón (Secciones 1 y 4), los cuales fueronconstruidos sin la incorporación de ceniza.Estos tramos tuvieron como objetivocontrastar en terreno, bajo las mismascondiciones de solicitaciones de tránsitoy clima, el desempeño de los tramosestabilizados con ceniza FBC con eldesempeño de tramos normales.
3.3 EVALUACION Y SEGUIMIENTOPRELIMINAR
La evaluación preliminar efectuada sobreel tramo de pruebas se realiza sobre labase de 2 elementos principales:Evaluación Funcional y EvaluaciónEstructural.
3.2 DESCRIPCION DEL TRAMO DEPRUEBAS
El tramo de pruebas fue construido en elcamino de acceso de los contratistas enla planta de ENAP Refinerias Bio Bíoubicada en Talcahuano. La Figura 3.2presenta un esquema con la configuracióndefinitiva de este, donde se definen lascaracterísticas de cada subtramo.
N
1SIMBOLOGIA
Base granular sin estabilizar
Base granular estabilizada con ceniza con sello superficial (imprimación asfáltica)
Base granular sin estabilizada con ceniza, pero sin sello superficial
Nota: El espesor de material granular estabilizado fue de 15 cm.
(m)
0 50 100 150 200 250 300 350
Sección 1 Sección 2 Sección 3 Sección 4
Sobre la base de los antecedentesrecopilados y las actividades realizadastanto en terreno como en laboratorio, esposible realizar una serie de afirmaciones,las cuales se detallan a continuación:
• La ceniza FBC compuesta seca (FBA.d),proveniente de la planta Petropower,ubicada en las instalaciones de ENAPrefinerías Bío Bío, se puede utilizar parala estabilización de bases granulares.Los ensayos realizados tanto a nivel delaboratorio como de terreno handemostrado que la utilización de cenizaFBC genera un aumento de la capacidadde soporte de los materiales granularesestabilizados.
• La evaluación estructural de las capasgranulares estabilizadas se realiza endos etapas: La primera para evaluar elaumento de resistencia inicial y lasegunda para evaluar la capacidadestructural definitiva del material. A lafecha solo se ha realizado la primeraetapa, y en ella fue posible establecerque el material estabilizado logró enpromedio triplicar su resistencia inicialdurante los primeros 15 días, para elmaterial granular del tramo de pruebaanalizado.
Fecha
010
1,5 3,5 5,5
2030405060708090
100
20 abr 22 abr 24 abr 26 abr 28 abr 30 abr 02 may 04 may18 abr
Figura 3. Sección 2 húmeda.
Figura 4. Sección 2 seca.
Figura 5. Evolución capacidad de soporte tramode pruebas ENAP
La evaluación estructural permite definirel la capacidad de soporte o resistenciaque posee el material estabilizado conceniza FBC. Respecto a esto, durante losdías posteriores a la construcción, la baseestabilizada fue evaluada mediante eluso del Martillo Clegg. Los resultados delseguimiento se presentan en la Figura 5.En ella se puede apreciar que el aumentode resistencia a los 14 días fue de 3,5veces la resistencia inicial.
La evaluación funcional permite definirel desempeño superficial que ha tenidoel tramo durante el período de análisis,Respecto a esto, es posible afirmar queel tramo de pruebas ha tenido unadecuado desempeño. Las Figuras 3 y 4,presentan el estado del tramo luego de1 mes abierto al tráfico. A la fecha, seestá real izando el seguimientocorrespondiente con el fin de establecerel grado de deterioro que tendrá en eltiempo la superficie del tramo debido alas acciones del tránsito y el clima,
• No se tienen a la fecha resultadosconcretos respecto de la posibleutilización de la ceniza FBC como agenteestabilizador de materiales finos desubrasante de origen arcilloso. Esnecesario realizar estudios adicionalespara evaluar el posible efecto expansivoque podría generar el uso de esta cenizaen suelos arcillosos por su alto contenidode sulfatos.
• Dado que el espectro de materiales esmuy amplio, es necesario realizar unfactorial de ensayos detallado a nivelde laboratorio, de tal forma de definiraquellos materiales en los cuales laceniza FBC posee un mejoramientomarginal o eventualmente no serecomiende su utilización. Tal factorialde ensayos está considerado en elpresente proyecto y está en proceso dedesarrollo.
• Es necesario se realice un estudio másacabado de la capacidad de soporte enterreno que poseerán distintosmateriales estabilizados con ceniza FBC.Este ítem no está considerado en elpresente proyecto y se recomienda suestudio para la siguiente etapa deinvestigación.
• Es necesario investigar el efecto queproducen distintos tipos de superficiede rodado, debido a que se comprobóen esta etapa que el materialestabilizado con ceniza FBC no es capazde resistir la abrasión generada por losvehículos.
• Es necesario realizar un estudio respectoa las tecnologías constructivasdisponibles, con objeto de definir lamejor opción que garantice una mezclahomogénea entre la ceniza FBC, el aguay el material a estabilizar.
