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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Tratamiento de efluentes en el desmantelamiento de una central nuclear

SECCIONES

DESMANTELAMIENTO

La clausura de una central nuclear es una etapa que cierra el ciclo de uso útil de la instalación y obliga a acondicionar y realizar el seguimiento de una instalación a un estado de seguridad, especialmente radiológica.

Es importante definir plazos, alternativas, tecnologías, inversiones y técnicas de desmantelamiento. Actualmente y debido a la secuencia de fechas del inicio de programas de centrales nucleares en España nos estamos acercando, con prórrogas incluidas, al final de vida útil de algunas de estas instalaciones y es preciso una planificación adecuada de este momento.

Los organismos competentes encargados de gestionar el desmantelamiento de una Central Nuclear y acondicionar los residuos que de ella se derivan en España son el Consejo de Seguridad Nuclear y ENRESA.

A nivel mundial, el proceso de desmantelamiento ha iniciado su proceso. A partir de la información suministrada por el CSN, en cuanto a los residuos de baja y media actividad se refiere, podemos resumir en la siguiente tabla los procesos ya iniciados;

AlemaniaSueciaEEUU
Potencia y tipo de reactorPWRBWRPWRBWRPWRBWR
1.200 MWe800 MWe900 MWe1.000 MWe1.000 MWe1.000 MWe
ResiduosVolumen (m3)
Operación (25 años)40.0006.000-20.0006.3007.50021.70040.000
Desmantelamiento16.30012.4007.00015.00015.20016.300
Total53.30018.400 – 32.40013.00022.50036.90056.300
Porcentaje de residuos de desmantelamiento/operación30%40%-70%50%70%40%30%

(Desliza hacia izquierda y derecha para ver la tabla completa)

Fuente: OECD Nuclear Energy Agency Report “Decomissioning of nuclear facilities: Feasibility, Needs and Costs”, París 1986

Este volumen de residuos de baja y media actividad, supone procesos que permitan la disminución de volumen de residuo por aspectos de seguridad i económicos. En estos procesos de concentración, los procesos industriales de evaporación y de cristalización juegan un papel fundamental.

En concreto, en la UE hay del orden de 95 instalaciones nucleares grandes de las cuales 39 son centrales nucleares, 25 reactores no generadores de electricidad y 32 instalaciones nucleares en su mayoría del ciclo de combustible.

Las Centrales ubicada en España están en su madurez de producción i en algunos casos se haprocedido a su prórroga de funcionamiento. En todo caso, estamos en la perspectiva cercana de procesos de desmantelamiento que se han de programar i estudiar, como se muestra en el gráfico adjunto:

CentralTitularLocalización (Provincia)Potencia (MWe)TipoOrigen tecnológicoAño (*)
José CabreraUFSA (100%)Almonazid de Zorita (Guadalajara)160PWREEUU1968
GaroñaIberdrola (50%)
Endesa (50%)
Sta. María de Garoña (Burgos)466BWREEUU1971
Almaraz IIberdrola (53%)
CSE (36%)
UFSA (11%)
Almaraz (Cáceres)973,5PWREEUU1981
Almaraz IIIberdrola (53%)
CSE (36%)
UFSA (11%)
Almaraz (Cáceres)982,6PWREEUU1983
Ascó IFECSA (60%)
ENDESA (40%)
Ascó (Tarragona)973PWREEUU1983
Ascó IIFECSA (45%)
ENDESA (40%)
IBERDROLA (15%)
Ascó (Tarragona)976PWREEUU1985
CofrentesIBERDROLA (100%)Cofrentes (Valencia)1.025,4BWREEUU1984
Vandellós IIENDESA (72%)
IBERDROLA (28%)
Vandellós (Tarragona)1009PWREEUU1987
TrilloUFSA (34,5%)
IBERDROLA (48%)
HC (15,5%)
NUCLENOR (2%)
Trillo (Guadalajara)1066PWRALEMANIA1988
(*) Año de primera conexión a la red.

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La finalización de la actividad en una central nuclear de potencia puede ser debida a múltiples factores; económicos, interés del titular, tecnológicos (vida útil), razones de seguridad, etc.

El final de la actividad de una central nuclear no conlleva la finalización del riesgo de exposición a radiaciones ionizantes, debido a procesos de activación neutrónica de los materiales, actividad inducida por fragmentos de fisión y que han afectado a elementos como el hormigón, el acero, el circuito de refrigeración, los generadores de vapor, piscinas de almacenamiento de combustible, los circuitos de tratamiento químico y volumétrico del primario, etc.

Es preciso una planificación radiológica del proceso de desmantelamiento. En una central nuclear se producen tres categorías de residuos: residuos de operación (baja y media actividad), residuos debido al combustible gastado (alta actividad),residuos de desmantelamiento (baja y media actividad). La gestión de residuos de alta actividad tiene una especificidad y tratamiento propio.

Este artículo pretende centrar la atención en determinadas operaciones de desmantelamiento que por sus características entran el campo de experiencia de CONDORCHEM ENVITECH como son los procesos de evaporación, filtros, y tecnología asociada a la minimización de residuos. La clausura de una central nuclear supone la retirada del servicio de forma segura y la reducción de la actividad residual a niveles que permitan el final del proceso la utilización sin restricciones del emplazamiento y la finalización de las licencias administrativas. La OIEA (organización internacional de la energía atómica define tres niveles en el proceso de fuera de servicio de una instalación nuclear;

  • Nivel 1: Cierre bajo vigilancia del emplazamiento
  • Nivel 2: Utilización parcial y condicional del emplazamiento
  • Nivel 3: Utilización sin restricciones del emplazamiento

En los procesos de desmantelamiento de una central nuclear se siguen así mismo tres procesos;

Proceso 1: Clausura bajo vigilancia de la instalación, descarga del combustible gastado y los residuos radiactivos de operación.

Proceso 2: Eliminación de elementos radiactivos exteriores al recinto de contención, así como de estructuras y elementos convencionales, quedando almacenados y sellados en el recinto de contención, los componentes con mayor actividad específica. El edificio de contención puede enterrarse o no. El emplazamiento queda disponible para ser utilizado con restricciones.

Proceso 3: Desmantelamiento total y demolición de las estructuras restituyendo el emplazamiento al uso sin restricciones.

FUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR NUCLEAR

Un reactor del tipo PWR (reactor de agua a presión) utiliza agua como refrigerante del núcleo del reactor. Las condiciones de operación se sitúan entre una presión de 150 bar y temperaturas del orden de 370oC. El agua del circuito primario, que refrigera el núcleo del reactor, está en contacto con las vainas de zircaloy que contienen en su interior el combustible de UO2, enriquecido un 4% en U-235. Una vez se inicia el proceso de fisión se produce un flujo de neutrones en operación de 3.1013 cm-2. s-1. Este flujo neutrónico precisa ser moderado.

Los procesos de fisión del propio combustible y el flujo neutrónico generan un calor que debe extraerse mediante un refrigerante (agua) contenido en un circuito primario. Una vez finalizada la actividad de la central el combustible quemado queda en el interior de las vainas de zircaloy.

Este combustible será descargado y almacenado en las piscinas de combustible de forma que se proceda a su refrigeración, control de subcriticidad con agua borada y controlar el proceso de decaimiento de algunos de los radio nucleídos presentes. Así mismo la trasferencia del combustible gastado a una piscina supone un almacenamiento temporal con condiciones de seguridad debido a la barrera del agua.

En la composición química del efluente que circula en un circuito primario, como refrigerante, de un reactor del tipo PWR se pueden distinguir diferentes especies químicas;

a.- Especies químicas provenientes de los fragmentos de fisión. Estos residuos, que se generan en las reacciones de fisión, pueden difundir por rendijas de las vainas de combustible y llegar al refrigerante. Son importante el Cs-137, Sr-90, I-129 entre otros. Son residuos de alta actividad.

b.-En este grupo de residuos hay también impurezas que provienen de la construcción de las vaina de zircaloy, que pueden haberse activado por el flujo de neutrones. Se generan productos por reacciones nucleares de captura y retroceso.

c.-Especies químicas provenientes de la descendencia transuránida. Este tipo de residuos provienen de los descendientes radiactivos del uranio-238 y uranio-235. Dentro de este grupo es importante el Pu-239 por su larga vida, 29400 años y su toxicidad. Son también residuos de alta actividad. Este tipo de residuos, normalmente retenidos en el interior de las vainas, pueden también difundir por rendijas y llegar al circuito primario.

d.- Productos de activación de elementos estructurales. El circuito primario contiene unos 10000m2 de superficie de intercambio de acero Inconel (75% Ni, con impureza principal Co-59). Estos elementos estructurales se activan con el flujo neutrónico y producen isótopos de baja y media actividad que se desprenden por corrosión de la estructura de acero (tasa de corrosión de 2 mg/dm2.mes). La presencia de H2O2, posibilita la forma oxidada para su posterior captura por las resinas de intercambio. El C-14 surge como activación del aire (CO2) disuelto en el líquido del refrigerante. El H-3 aparece como activación del hidrógeno presente en el agua, en el LiOH (regulador de pH) y en los protones del ácido bórico.

En el circuito primario se pueden detectar como residuos de baja y media actividad, las siguientes especies, la mayoría de ellas generadas por captura neutrónica o activación de la estructura:

RadionúclidoVida media (años)Tipo radiaciónForma Producción
H-312,3βFisión;Li-6(n,α)
Fe-552,6RXFe-54(n,ɣ)
Co605,26β, ɣCo-59(n,ɣ)
Sr-9028.1βFisión
Cs-13730β,ɣFisión
Pu-24113.2α,ɣCaptura n
Cm24417.6α,ɣCaptura n
Cr-5127.7 dias(EC)β+,ɣCr-50(n,ɣ)
Mn-54312 dias(EC)β+,ɣFe-54(n,p)
Co-5870.8 dias(EC)β+Ni-58(n,p)
Zn-65244 dias(EC)β+Zn-64(n,ɣ)
Cs-1342,06β, ɣCs-133(n,ɣ)

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Como especies de alta actividad, que serán objeto de tratamiento podemos destacar:

RadionúclidoVida media (años)Tipo radiaciónForma Producción
C-145730βN-14(n,p)
Ni-5980000β,(EC)Ni-58(n,ɣ)
Ni-6392βNi-62(n,ɣ)
Nb-9420000βNb-93(n,ɣ)
Tc-99212000β, ɣFisión;Mo-98(n,ɣ)
I-12911700000βFisión
Cs1353000000β, ɣDesc.Xe135,Fisión
U-235710000000β, ɣNatural
U-2384510000000αNatural
Np-2372140000αU-238(n,2n)
Pu-23886.4αNp-237(n,ɣ)
Pu-23924400α ,β,ɣU-238(n,ɣ)
Pu-242279000α ,ɣMultiple cap.
Am-241458α ,ɣDesc.Am-242
Am-2437950α ,ɣMultiple cap
Cm-24332α ,ɣMultiple cap

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En el refrigerante hay que tener en cuenta la presencia de B-10, con objeto de moderar el flujo de neutrones. Este elemento, por captura neutrónica se transforma en Li-7, estable. La mayor cantidad de residuos de baja y media actividad se producen en el circuito primario. Estos se evacuan mediante un sistema de resinas de intercambio catiónica. El LiOH como regulador de pH y las activaciones neutrónicas del oxígeno y del hidrógeno del agua.

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Tratamiento de residuos del circuito primario

Por otra parte el circuito primario de un reactor PWR dispone de un sistema de purificación de modo que de los 175000 Kg de
refrigerante en circulación, se extraen para tratamiento y se derivan a un subsistema de purificación, unos 17000Kg con el objetivo de tratar los elementos de activación (Co-60, Mn-54), alguno de los productos de fisión difundidos a través de las vainas (137Cs, Sr-90) y específicamente recuperar y modular la concentración de boro. Todo este proceso se lleva a cabo mediante el sistema químico y volumétrico.

Tratamiento de otros efluentes líquidos

Los principales efluentes líquidos objeto de tratamiento son:

  • Drenajes de equipos.
  • Drenajes de suelos.
  • Escapes controlados del circuito primario para desgasificar y purificar el circuito.
  • Purgado del generador de vapor.
  • Procesos de descontaminación, lavado y laboratorios.

Los efluentes líquidos de baja y media actividad se recogen en dos tanques

a. El de lavandería, duchas i aguas de lavado de descontaminación.
b. Tanque de drenaje de suelos, residuos líquidos de alta actividad, eluciones procedentes de recuperaciones de boro , purga de generadores de vapor.

Los efluentes líquidos se llevan a tanques de control volumétrico Previo paso por los filtros y a partir de sus características de conductividad se tratan con resinas de intercambio iónico. Este proceso se inicia con un descenso de temperatura del efluente, y posteriormente se deriva a un sistema de resinas de lecho mixto, para retener los diferentes iones presentes en el refrigerante presentes.

La actividad específica del refrigerante en el circuito primario ha de ser inferior a 37 MBq/Kg ( 1μCi/g) en dosi equivalente de I-131. El lecho catiónico en la forma Li-7, fuertemente ácido retendrá Co, Cs, Sr, Ni, Mn. El lecho aniónico en forma iónica OH – retendrá el iodo.

Posteriormente, el efluente es derivado a un sistema de recuperación de boro, con objeto de retener la especie H2BO32-, y moderar la concentración de boro en solución. Finalmente el efluente es derivado a un tanque de control volumétrico donde se volverá a reintroducir en el circuito primario.

Otro sistema de resinas tratará las purgas de los generadores de vapor, pertenecientes al sistema secundario. Las resinas y aguas de elución se tratan con evaporadores de convección forzada para reducir el volumen y concentrar los sólidos.

El condensado, se lleva a tanques de control y los gases se tratan en depósitos de retención, para reducir al hidrógeno y disminuir los radioisótopos de vida corta. En los evaporadores se alcanzan valores de concentración de actividad entre 10 y 50 con factores de descontaminación de 104 y 105.

Estos sólidos concentrados se tratan con cemento y aglomerante, y se introducen en bidones de 220 litros para su gestión. En toda central nuclear existe el ETF (Especificaciones Técnicas de Funcionamiento), sometido a inspección del regulador, que marcan las restricciones operacionales de la dosis equivalente efectiva debida al total de efluentes, esta es de 100μSV/año, debiéndose distribuir entre los efluentes liquidos y gaseosos.

En caso de descargas al medio ambiente, según especificaciones de 10CFR20, el vertido ha de cumplir:

RadionúclidoActividad máxima del radionúclido en la descarga (MBq/m3)
Cs-1370.74
Cs-1340.33
Co-601.85
Mn-543.7
Ce-1440.37
Co-583.7
Sr-900.01
I-1310.01
Gasos nobles disueltos7.4

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Tratamiento de efluentes gaseosos

Los residuos gaseosos que se forman en un reactor PWR proceden:

– Purgas de vapor del primario
– Desgasificación del circuito primario
– Expansión del refrigerante cuando se calienta
– Drenajes y fugas del edificio del reactor
– Ventilación de edificios potencialmente contaminados

El tratamiento de los efluentes gaseosos se realiza con diferentes técnicas:

a.-Adsorbentes de carbón activo

Son los dispositivos más satisfactorios para retener productos de fisión gaseosos de reactores nucleares. Están constituidos por lechos estrechamente empaquetados de gránulos de carbón.

La aplicación más corriente es la retención de Iodo radiactivo tanto en forma elemental como orgánica, son también efectivos para la remoción de gases nobles. Se colocan junto con filtros de alta eficiencia e inmediatamente después de los mismos.

b.-Almacenamiento de retardo

Cuando existen radionúclidos de vida corta es conveniente retardar la emisión a la atmósfera de los efluentes gaseosos radiactivos, de modo que su actividad disminuya consiguiendo mínimas descargas de gases nobles. Con retenciones de 35-40 días se eliminan todos los isótopos del Kr y de Xe, excepto algo de Xe-133 y el Kr-85 que no se altera. Los lechos de carbón activo y los filtros HEPA constituyen zonas de retardo. También se utilizan tuberías o tanque para retrasar la emisión Almacenamiento de retardo.

c.-Filtración

Los efluentes gaseosos contienen partículas en suspensión que son demasiado finas para ser retenidas en los filtros normales, utilizándose filtros HEPA (High Efficiency Particulate Air) con una eficiencia del 99.97% para partículas menores de 0.3 micras. Para alargar su vida se instalan prefiltros (filtros normales) y separadores de humedad. El filtro HEPA es el elemento más importante en el sistema de extracción, teniendo una gran fiabilidad. Se colocan donde la concentración de partículas es mayor
Los elementos de filtración y de adsorción son puestos en bidones y gestionados como residuos radiactivos.

Tratamientos de residuos radiactivos sólidos

Los residuos sólidos pueden proceder tanto del tratamiento de efluentes líquidos como de los gaseosos (resinas, filtros, concentrados, lodos) o de procesos cuyo resultado ha sido una contaminación superficial (vestimentas, sólidos, etc) o activación de componentes en zonas de alta irradiación. El tratamiento consiste en la inmovilización y confinamiento para facilitar su transporte e impedir la migración o dispersión de radionúclidos por procesos naturales.

Los bidones de baja y media actividad deben reunir una serie de requisitos para su aceptación en un almacén definitivo. Estos requisitos establecen dos niveles de residuos Nivel 1 (baja actividad) y Nivel 2 (media actividad):

Límite de actividad másica residuos acondicionados a Nivel 1
Actividad Alfa total
(emisores de vida larga)
1.852
Actividad beta-gamma por radionucleido con período superior a cinco años (excepto tritio)1.854
Actividad de tritio7.403
Actividad beta-gamma total debida a emisores de período superior a cinco años7.404

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Límite de actividad másica por unidad de almacenamiento Nivel 2
H-31.006
C-142.005
Ni-596.304
Ni-631.207
Co-605.007
Sr-909.104
Nb-941.202
Tc-991.003
I-1294.601
Cs-1373.305
Total Alfa (a 300 años)3.703

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Características típicas de las distintas categorías de residuos radiactivos propuestas por el OIEA
Categoría del residuoCaracterísticas típicasSistemas de almacenamiento
1. Residuos exentos o desclasificados (RE)Niveles de actividad cuya liberación no implique una dosis anual a los miembros del público superior a 10 µSvSin restricciones radiológicas
2. Residuos de baja o media actividadNiveles de actividad cuya liberación pueda implicar una dosis anual a los miembros del público superior a 10 µSv y que tengan una potencia térmica inferior a 2 kW/m3Sin restricciones radiológicas
2.1 Residuos de baja o media actividad (RBMA) y vida corta (RBMA-VC)Concentración limitada de radionucleidos de vida larga (4000 Bq/g de emisores alfa de vida larga como máximo en lotes individuales con un valor medio de 400 Bq/g en el conjunto)Sistemas de almacenamiento en superfície o sistemas geológicos
2.2 Residuos de baja o media actividad (RBMA) y vida larga (RBMA-VL)Concentraciones de radionucleidos de vida larga superiores a las de los residuos de vida cortaSistemas geológicos de almacenamiento
3. Residuos de alta actividad (RAA)Potencia térmica superior a 2 kW/m3 y concentraciones de radionucleidos de vida larga superiores a las de los residuos de vida cortaSistemas geológicos de almacenamiento

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Ejemplo de proceso de tratamiento en un desmantelamiento

Uno de los elementos objeto de proceso en el desmantelamiento de una central nuclear és el ácido bórico. El ácido bórico se utiliza como moderador y sistema de regulación de la reactividad del reactor.

Esta moderación de la reacción nuclear se regula en el circuito primario mediante un sistema de resinas básicas. No es el único uso del ácido bórico. Con objeto prevenir un suceso en el cual el núcleo del reactor quede sin refrigerante, todas las centrales disponen de depósitos auxiliares con agua borada, que en una situación comprometida por ausencia de refrigerante, el agua auxiliar puede regular la actividad del reactor.

Hay un tercer caso, en el cual se utiliza agua borada. La refrigeración de los residuos de alta actividad en las piscinas de almacenamiento temporal. En total, un reactor del PWR dispone de unas cinco toneladas de ácido bórico a tratar. Estas disoluciones se deberán concentrar y cristalizar, previa retirada en un desmantelamiento.

Conclusión

En un período relativamente cercano, las centrales nucleares españolas deberán acometer procesos de desmantelamiento hasta situar el emplazamiento en estado seguro. Este desmantelamiento, que se desarrollará por tres niveles diferentes, precisará de tecnologías industriales que faciliten una disminución de volumen del residuo y su posterior gestión medioambiental.

Los innovados procesos de evaporación y cristalización permiten óptimas eficacias de concentración residual. Efluentes del primario y secundario, purgas procedentes de los generadores de vapor, depósitos de ácido bórico, depósitos auxiliares…hay un amplio campo de trabajo para tecnologías de tratamiento de residuos. Un campo de trabajo concreto son los efluentes procedentes del tratamiento de ácido bórico.

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Bibliografia

-Curso sobre Gestión de residuos Radiactivos. Serie Ponencias. ISBN: 978-84-7834-603-5
-Actas de Inspección publicadas por el CSN.
-Referencias publicads por el CSN . REFa.- CSN/PDT/CNVA2/VA2/1005/241 SUPLEMENTO 2

Evaporadores de aguas residuales alimentados por energía solar – SOLARVAP®

Evaporadores de aguas residuales con energía solar

El tratamiento de aguas residuales mediante evaporación siempre ha sido una alternativa muy eficaz, robusta y sencilla en comparación con otros sistemas de tratamiento más convencionales. El hecho de que los sistemas basados en la evaporación requieran un consumo energético mayor ha dejado a estos reservados para aquellos casos en los que los sistemas convencionales no son eficaces, como es el caso del tratamiento de salmueras, lixiviados de vertederos de RSU, aguas aceitosas, etc., o bien cuando se desea evitar el vertido del efluente tratado (vertido cero).
No obstante, el desarrollo de procesos de producción de energía cada más sostenible y, sobretodo, más económicos, convierte los procesos de evaporación aplicados a los tratamientos de efluentes en una opción imbatible por su eficacia, transversalidad y simplicidad.

EVAPORADORES DE AGUAS RESIDUALES ALIMENTADOS POR ENERGÍA SOLAR

En este sentido, la energía solar posee un potencial muy elevado. Aunque esta fuente de energía se asocia generalmente con la utilización de placas fotovoltaicas para la conversión directa de la radiación solar en electricidad, existe una tecnología que aprovecha la energía solar con un rendimiento mucho mayor: la energía termosolar. Una planta termosolar transforma la radiación solar que recibe en energía térmica, la cual se puede utilizar directamente en procesos industriales que requieren calor, o también de forma indirecta como fuente de energía de un ciclo termodinámico convencional de generación de electricidad.

Para la obtención de la energía térmica en una planta termosolar, se utilizan unos dispositivos ópticos (lentes o espejos) para captar y concentrar la radiación solar sobre un dispositivo denominado receptor. Paralelamente, se hace circular a través del receptor un fluido, el cual se calienta debido al elevado flujo de radiación, y al pasar después por un intercambiador de calor, cede la energía térmica producida. Habitualmente, en aplicaciones de calor en procesos industriales, los concentradores solares trabajan en un rango de temperaturas de entre 150 y 200 ºC.
Para maximizar la absorción de la radiación solar y minimizar las pérdidas por emisión o convección se han desarrollado diferentes tecnologías. Aunque los sistemas que presentan un rendimiento superior están construidos con colectores cilindro-parabólicos (CCP), en los últimos años se está popularizando el uso de sistemas que utilizan espejos planos segmentados según la aproximación de Fresnel (Reflector Fresnel de Foco Lineal – RFFL). Estos sistemas, a costa de la pérdida de una cierta concentración y eficacia presentan una simplicidad que se traduce en una reducción de costes.

Habitualmente, un RFFL consiste en un conjunto de espejos planos y un receptor lineal, el cual se coloca en la línea focal del arreglo óptico construido con las líneas de espejos. Generalmente se suele utilizar un sistema secundario de concentración en la línea focal para maximizar la concentración solar y así obtener un flujo de radiación en el receptor mucho mayor. Así, para el suministro de energía térmica a un evaporador, teniendo en cuenta las condiciones de operación requeridas para maximizar la eficiencia del proceso, la tecnología RFFL se presenta como la óptima por su excelente aprovechamiento del terreno, las temperaturas de trabajo, su sencillez constructiva y sus costes competitivos. Si bien es cierto que un evaporador al vacío puede operar satisfactoriamente con un fluido calefactor que se encuentre a 90 ºC, utilizando la tecnología RFFL es posible conseguir llegar a los 120 ºC de forma relativamente sencilla, por lo que, al disponer de un salto de temperatura mayor, es posible trabajar con un equipo multiefecto (de 4 o 5 etapas o efectos), incrementando de forma muy significativa el rendimiento global conseguido.

Otro aspecto que ha de ser tenido en cuenta por su importancia para la viabilidad de esta tecnología es el grado en el que casa el perfil temporal de la producción (tanto diaria, como mensual y anual) con la curva de la demanda. Un mayor y mejor aprovechamiento de la energía solar sólo es posible cuando los perfiles de consumo son coincidentes con las curvas de producción de energía de la instalación. Así, los sistemas de evaporación que pueden trabajar de forma continua en el tratamiento de efluentes que han sido previamente almacenados optimizan enormemente el aprovechamiento del recurso solar. No obstante, no es estrictamente necesario almacenar el efluente a tratar para maximizar el rendimiento. Complementariamente, también es posible el almacenamiento de la energía térmica, lo cual permite extender las horas de producción, incluso cuando no hay disponibilidad de radiación solar. Existen diferentes tecnologías para conseguir el aprovechamiento del excedente de energía térmica producida, aunque la forma más desarrollada y utilizada consiste en el uso de sales fundidas. En estos sistemas, un fluido caloportador calentado con radiación solar cede su energía en un intercambiador de calor a una corriente de sales fundidas. Así, durante el ciclo de carga del sistema de almacenamiento, las sales fundidas se bombean desde el tanque de sales a menor temperatura a través de un intercambiador de calor al tanque de sales de mayor temperatura. Y, al revés cuando se consume la energía previamente almacenada.

En numerosos casos, dependiendo de la localización de la planta, la radiación solar disponible a lo largo del año es insuficiente para satisfacer la demanda de producción. En estos casos, es necesario complementar el sistema con otra fuente de energía para poder conseguir que la producción se extienda a lo que sea necesario para satisfacer la demanda. Esto no supone un problema puesto que una de las ventajas de las plantas termosolares es su facilidad de hibridación con otras fuentes de energía, preferiblemente renovables y, en su defecto, procedente del consumo de combustibles fósiles. En este último caso, aunque no se tratará de una planta sin emisiones, sí que se habrán minimizado estas al máximo.

En este sentido, para aplicaciones de evaporación en las que se desea potenciar al máximo la sostenibilidad del proceso, la energía termosolar es una fuente de energía especialmente interesante ya que es renovable, inagotable y fácilmente gestionable hibridándola con otro combustible (biogás, biomasa o combustibles fósiles), además de que es posible el almacenamiento del calor del sol para su uso posterior.

VENTAJAS DE LA SOLUCIÓN SOLARVAP®

Así, el sistema SOLARVAP® pone la tecnología más avanzada al servicio de la sostenibilidad, pues los sistemas de evaporación basados en la destilación por membranas combinados con plantas termosolares presentan una serie de ventajas muy valiosas, factor responsable de que su potencial sea tan elevado. Entre las principales ventajas se encuentran las siguientes:

  • SOSTENIBLE, por la utilización de una fuente de energía renovable e inagotable.
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El sistema SOLARVAP®, fruto de un desarrollado compartido por parte de las empresas Condorchem Envitech y Rioglass Solar, ambas con una vasta experiencia y una larga lista de referencias a nivel mundial cada una en su sector, aúna todas estas características y es una de las opciones disponibles más avanzadas tecnológicamente y, con diferencia, más económica.

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Los siloxanos en el biogás: origen, efecto y tratamientos

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TIPOS DE BIOGAS Y FUENTES

El sector energético es uno de los más importantes y de mayor desarrollo actual. El mundo ha comprendido, desde el siglo XX, que debe renovar y ampliar sus fuentes de energía para poder satisfacer las necesidades crecientes de la sociedad, cuidando a su vez el medioambiente.

El biogás procedente de vertederos (rellenos sanitarios), plantas de metanización y depuración de aguas residuales (EDAR) constituye un valioso material para la producción de energía, biocombustibles y elaboración de productos químicos como el hidrógeno y el metanol.

Al ser una fuente de energía renovable, es inagotable, limpia y se pueden utilizar de forma planificadas. Su uso genera una menor contaminación ambiental y constituyen una alternativa viable al agotamiento ya sensible de energías fósiles, como el gas natural y el petróleo, dónde ya se mantiene un incremento en sus precios.

EL BIOGÁS, desde un punto de vista técnico, es una mezcla multicomponente de gases, tanto en su composición básica (CH4, CO2, H2, O2, N2, vapor de agua, etc.) como en sus componentes perjudiciales (NH3, siloxanos,hidrocarburos halogenados, BTEX,VOCs, H2S, etc.). Su composición esta íntimamente relacionada con el tipo de materia que se somete al proceso de digestión anaerobia y, en cierta medida, con la tecnología que se usa para su producción.

De aquí que se pueda hablar, en términos generales, de dos tipos de biogás:

  • Sistemas incontrolados. Biogás de vertedero, rellenos sanitarios, pantanos
  • Sistemas controlados. Planta de depuración de aguas residuales urbanas (EDAR) y de plantas de digestión anaerobia (alta carga orgánica).

De forma general, se puede plantear que los segundos se caracterizan por tener elevada concentración de H2S, su principal componente contaminante, y, en el caso de EDAR, la presencia de siloxanos; mientras que en los primeros se caracterizan por la aparición de los siloxanos y los hidrocarburos de alto peso molecular.

Los siloxanos proceden de las siliconas que están presentes en materiales como champú, jabones, tensoactivos, aceites, productos farmacéuticos, etc., que se somete al proceso de digestión anaerobia.

Desde el punto de vista de proceso, se puede plantear que el biogás es el gas procedente del proceso de digestión anaerobia de la fracción orgánica de diferentes tipos de materias, y que se caracteriza por su elevada concentración en metano (CH4), que es quien le da su característica como biocombustible, encontrando esta concentración entre el 40 al 80% v/v del gas generado en dicho proceso.

Por otro lado, toda instalación de aprovechamiento/valorización del biogás cuenta de tres partes fundamentales: producción del biogás (sistema de DA), captación-limpieza y sistema de valorización (electricidad, vapor,biocombustibles o como materia prima para la elaboración de otros productos).

Todas estas etapas son consecutivas, es decir, trabajan en línea con una función específica cada una. En ella juega un papel fundamental la limpieza/acondicionamiento del biogás y sus tecnologías, pues garantiza: 1 2 3

  • Un óptimo funcionamiento de los equipos y máquinas (motores, turbinas, calderas, pilas de combustible) involucradas en su aprovechamiento como material combustible.
  • Una vida útil prolongada de las máquinas utilizadas para su transporte, extracción y compresión (soplantes y compresores).
  • Una mejora en las emisiones de los gases de escape de las máquinas involucradas en su aprovechamiento energético, pues elimina su causa antes de entrar a proceso.
  • Reducción del coste de mantenimiento (reparación y cambio de aceites) de las máquinas involucradas en este tipo de instalación.

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ORIGEN DE LOS SILOXANOS

Entre los componentes de mayor incidencia en el aprovechamiento energético del biogás generado en plantas depuradoras y vertederos están los siloxanos, los cuales producen daños en las máquinas empleadas, reduciendo la vida útil de las mismas por el efecto abrasivo que producen en las partes internas de éstos, así como aumenta el coste de operación por los reiterados cambios de aceites y partes interna de las mismas.

Los siloxanos son una familia de compuestos orgánicos formados por cadenas lineales o cíclicas de silicio, oxigeno y grupos metilos. Son fabricados en un abanico de formas, entre los que se incluyen fluidos de alta y baja viscosidad, gomas, elastómeros y resinas. Se encuentran en cantidades significativas en una amplia y variada gama de productos domésticos, tales como detergentes, champús, desodorantes, pastas dentífricas, cosméticos, entre otros.

La mayoría de ellos se volatilizan rápidamente a la atmósfera, y con el tiempo se degradan en dióxido de carbono, sílice y agua. Pero algunos, no obstante, acaban en las aguas residuales y en los sólidos urbanos de desguace, y se produce su inevitable acumulación en vertederos y depuradores, donde se consideran uno de los contaminantes más difíciles de controlar.

Estos son compuestos orgánicos formados por siliconas, oxígeno y grupos metilos, con unidad estructural (CH3)2SiO, y peso molecular típicamente en el rango comprendido entre 150 a 600.

Su solubilidad en agua decrece con el aumento de su peso molecular; y éstos pueden ser volátiles o no. La Figura 1 muestra la unidad estructural de diferentes tipos de siloxanos.

Siloxanes
Figura 1.1 – Nomenclatura de siloxanos de grupos M y Dn

Siloxanes

Figura 1.2 – Estructura lineal de octametiltrisiloxano (MDM)

 

Siloxanes

Figura 1.3 – Estructura cíclica de octametilciclotetrasiloxano (D4)

 

Las Tablas 1 y 2 muestran diferentes especies de siloxanos encontrados en el biogás de vertedero y EDAR, así como algunas de sus propiedades básicas.

SiloxanesSiloxanes

EFECTO DE LOS SILOXANOS

Las siliconas, a diferencias de los sulfuros, no reaccionan con el agua para formar ácidos. Sin embargo, durante la combustión, las moléculas de siloxanos se rompen liberando oxígeno y silicio. Esta última se combina con otros elementos formando silicatos, sílice y otros compuestos cristalinos, que se depositan en la cámara de combustión (fundamentalmente en la parte alta de la camisa), en las culatas y en las caras de las válvulas.

Estas incrustaciones provocan el desgaste, por abrasión, de diferentes partes internas de los motores. La Figura 2 muestra las incrustaciones que causan los siloxanos en diferentes tipos de máquinas.

Siloxanes
Figura 2 – Motores

Siloxanes

Figura 2 – Calderas

 

Siloxanes

Figura 2 – Turbinas

 

El contenido de siliconas permisibles para un buen funcionamiento de los motores de generación no debe exceder, por lo general, < 5 mg/Nm3, aunque cada fabricante de máquina pone sus límites. Un contenido superior indicará posibles problemas de deposición de sílice y, con ello, el quemado de válvulas de escape.

En el caso de la turbinas a biogás, dado que operan a altas velocidades de rotación, es decir, por encima de las 10.000. rpm, requieren un balanceado, tanto estático como dinámico, de sus partes móviles muy preciso. Estas disposiciones de siloxanos pueden crea descompensaciones bastantes serias en las mismas, llegando a acusar importantes averías.

TRATAMIENTO DE SILOXANOS

Los sistemas actuales para la eliminación de dichos compuestos utilizan técnicas que poseen, por lo general, una o dos etapas involucradas, entre las cuales se pueden citar el subenfriamiento, la adsorción en carbón activo/silicagel, filtros de grafitos, determinados tipos de resinas, el lavado con ciertos reactivos (metanol, ácido sulfúrico, mezcla de hidrocarburo, etc.).

Sin embargo, las técnicas más aplicada se enuncian a continuación:

Enfriamiento (Figura 3)

  • Hasta los 4ªC.
  • Subenfriamiento (enfriamiento hasta -25°C)

Adsorción

Lavado con ciertos reactivos
Combinación de técnicas

La Figura 3 muestra el comportamiento de la remoción de siloxanos con la temperatura.

Siloxanes
Figura 3. Efecto de la temperatura en la reducción de los siloxanos

CLEAN-BGAS® MP DRY

CLEAN-BGAS® MP DRY es una tecnología multipropósito (limpieza/acondicionamiento), basada en la combinación de operaciones, que se fundamenta en el enfriamiento, condensación, lavado, secado y adsorción en carbón activo, que minimiza tanto el consumo energético como el de carbón activo.

La tecnología cuenta de dos etapas básicas: una de eliminación gruesa de contaminantes, incluyendo los siloxanos tipos D, hidrocarburos y acondicionamiento del biogás para entrada a filtros de carbón activo vía térmica, y otra de refinamiento (eliminación de siloxanos tipo L y D) vía adsorción en carbón activo. Una parte importante de esta tecnología es el recuperador lavador que garantiza el acondicionamiento del biogás en todos los sentidos.

Otra de las ventajas de esta tecnología es que permite eliminar tanto los hidrocarburos pesados, como los que contienen compuesto de cloro o flúor, que inciden, a su vez, en el buen funcionamiento del motor, así como en el cumplimiento de las emisiones de los sistemas de generación de energía.

Esta tecnología CLEAN-BGAS® MP DRY es el resultado del trabajo de I+D+i de Energy & Waste dentro del Grupo Condorchem, que lleva más de 15 años trabajando en el tema de limpieza y acondicionamiento de diferentes tipos de gases, y en particular en el biogás (Figuras 4 a 6).

Siloxanes
Figura 4. Condensados antes y después de la tecnología CLEAN-BGAS® MP DRY. Eliminación de hidrocarburos

Siloxanes

Figura 5. CLEAN-BGAS® MP DRY. Vertedero de Arico-Tenerife

 

Siloxanes

Figura 6. CLEAN-BGAS® MP DRY. EDAR Mataró. Barcelona

 

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Referencias.

[1].R.Huppmann, H.W. Lohoff, H.F. Schroder, Fresenius J. (1996). Cyclic siloxanes in the biological waste water treatment process- Determination, quantification and possibilities of elimination, Anal.Chem. 354 (66-71).
[2] Determination of Low Molecular Weight Silicones in Plasma and Blood of Women after Exposure to Silicone Breast Implants by GC-MS, Anal Chem., 2001, 73, 606-61 1.
[3] J. Reina. et al (Nov. 2002). Plant for biogas treatment for its use as biofuel. 9° Congreso Mediterráneo de Ingeniería Química. Barcelona- España.
[4] J. Reina. Humedad y siloxanos en el biogás generado en vertederos y depuradoras. Info enviro. Octubre 2006.
[5] J. Reina. Biolimp-Siloxa. Planta multipropósito para la limpieza del biogás. Infoenviro. Julio/agosto 2008.
[6] Estrella Jara. (Abril. 1999). La lubricación de motores a biogás.. Mobil Oil S.A. Infopower.
[7] M. Constant, H. Naveau, G.-L. Ferrero and E.-J. Nyns. Biogas end-use in the European community. Commission of the European communities. Elsevier applied science.
[8] Estibaliz. A, José. I. Ciria. (2004). Siloxanos en motores de gas. Boletín mensual sobre lubricación y mantenimiento.
[9] Jeffrey L. Pierce, PE. Vice President SCS Energy Long Beach, California. SILOXANE QUANTIFICATION, REMOVAL AND IMPACT ON LANDFILL GAS UTILIZATION FACILITIES. 8TH ANNUAL MOP CONFERENCE AND PROJECT EXPO. January 10-11, 2005. Baltimore, Maryland
[10] Dr. Robert Eden. SHOULD WE BE CONCERNED ABOUT LANDFILL GAS. http://www.organic.com.
[11] Dr. Joaquín Reina. Técnicas de Tratamiento del Biogás. http://www.ewtech-ing.com
[12] Biogás, parámetros comunes. Especialidad Siloxanos. Ingeniería analítica. S.l. Cromatografía y espectrometría.

Tratamiento de residuos nucleares de baja y media actividad

Secciones

Gestión de residuos nucleares

De acuerdo con la World Nuclear Association, a fecha de junio de 2018 existen en el mundo 450 reactores nucleares en operación, otros 58 en construcción y 153 más planificados. Sin duda, a corto y medio plazo resulta muy difícil imaginarse una alternativa a la energía nuclear, más difícil aun si se tienen en cuenta las ventajas de la energía nuclear en la mitigación del cambio climático al tratarse de una energía libre de emisiones de gases efecto invernadero.

Lowl and intermediate level radioactive waste treatment

El principal hándicap de la energía nuclear radica en los residuos que genera, los cuales son radioactivos en mayor o menor grado y deben ser gestionados de acuerdo con los estrictos procedimientos de los organismos reguladores.

Los residuos nucleares se clasifican en función de su radioactividad en:

  • Residuos de alta actividad (3% en volumen del total)
  • Residuos de actividad media (7% en volumen del total)
  • Residuos de baja actividad (90% en volumen del total)

El residuo de alta actividad más relevante es el combustible nuclear gastado. Los residuos de baja actividad se corresponden con los utensilios, herramientas y ropa de trabajo utilizados por el personal en las centrales nucleares y que están ligeramente contaminados con partículas radioactivas. Y los residuos de actividad media son generados a partir de materiales de equipos utilizados como filtros, componentes metálicos del interior del reactor y algunos efluentes líquidos procedentes de reprocesamientos.

Mientras que la gestión de los residuos de alta actividad merece mención aparte, la gestión de los residuos de media y baja actividad se basa en su confinamiento en bidones de 220 litros sellados con hormigón y almacenados en depósitos controlados de residuos nucleares. Esta gestión comporta unos costes económicos muy elevados, por lo que su optimización proporciona unos resultados económicos, y también ambientales, muy notables.

Es en esta línea en la que Condorchem Envitech ha desarrollado 4 soluciones que, cada una de manera diferente, vela por la minimización de los residuos, tanto líquidos como sólidos, de media y baja actividad generados tanto en las centrales nucleares como en las plantas de enriquecimiento de uranio. A continuación se describen los procesos desarrollados por Condorchem Envitech para el sector nuclear.

NUCLEANTECH® LAUNDRY

Esta solución ha sido desarrollada para el tratamiento de las aguas residuales generadas en la lavandería de las centrales nucleares y en las duchas del personal. Estas aguas arrastran partículas radioactivas que se han adherido a la ropa de protección y elementos de seguridad del personal (máscaras, guantes, botas, etc.), en especial, durante las tareas de mantenimiento. Para evitar gestionar estas aguas como residuo nuclear de baja actividad por su elevado coste, el proceso NUCLEANTECH® LAUNDRY plantea su tratamiento de forma eficiente, sostenible y segura.

El proceso NUCLEANTECH® LAUNDRY se compone de dos líneas de tratamiento, efectivas en función del nivel de radioactividad de las aguas. Si los valores de radioactividad son inferiores a los límites de vertido (0,02 mSv/año), para conseguir una calidad de las aguas apta para su reutilización en la lavandería, la materia orgánica se oxida mediante la utilización de ozono y radiación ultravioleta. A continuación, el efluente es filtrado y refinado mediante su paso a través de un lecho de carbón activo y, finalmente, evaporado. El vapor condensado se recircula a la lavandería y el concentrado se seca y se gestiona como residuo convencional.

En caso de que las aguas contengan niveles de radioactividad apreciables (superiores a 0,02 mSv/año) la línea de tratamiento con radioactividad entra en funcionamiento. El primer paso es la oxidación mediante el uso de ozono y radiación ultravioleta de la materia orgánica y, a la vez, la ionización de las partículas radioactivas, generalmente iones metálicos. A continuación, éstos son retenidos mediante columnas catiónicas y aniónicas de intercambio iónico y, una vez las aguas están libres de isótopos radioactivos, mediante un evaporador-secador se separa el residuo concentrado, del agua y de los posibles gases no condensables. Estos gases son liberados a la atmósfera después de estar retenidos durante un tiempo de seguridad en un depósito de decaimiento, el agua evaporada y posteriormente condensada puede ser vertida al exterior y el residuo sólido concentrado es el único residuo que sí debe ser gestionado como un residuo nuclear de baja actividad.

Las ventajas de este proceso son numerosas y notables:

  • Elevada eficiencia en el proceso de lavado, en el que la utilización de ozono en el lavado permite reducir la dosis de detergentes e higienizar los materiales lavados.
  • Reutilización del agua, que además de conseguir un ahorro de este recurso, supone la minimización de los efluentes residuales generados en el proceso.
  • Reducción drástica del volumen de los residuos de baja y media actividad generados, con el consecuente ahorro económico y reducción del impacto ambiental.
  • Previsión y control de las especies radioactivas presentes en las aguas residuales (60Co, 129I, 131I, 90Sr, 55Mn, 59Fe, 137Cs, 134Cs, 51Cr, etc.).
  • Flexibilidad del proceso a la presencia de radioactividad en el efluente a tratar.
  • Flexibilidad del proceso a fluctuaciones de caudal y carga a tratar.
  • Estricto cumplimiento de la normativa más exigente.

Necesito tratar el agua de lavandería de una central

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NUCLEANTECH® H3BO3

El proceso NUCLEANTECH® H3BO3 se presenta como una alternativa a la gestión como residuo nuclear de baja y media actividad de los efluentes procedentes de la regeneración de las resinas de intercambio iónico, que son utilizadas para retener los isótopos radioactivos de las purgas de refrigerante del circuito secundario de los reactores PWR.

Este proceso permite tratar los efluentes producidos en la regeneración de las resinas de intercambio iónico y, mediante un evaporador-secador, se separa el residuo concentrado y de nivel medio de radioactividad, de un efluente descontaminado que puede ser vertido.

La ventaja principal del proceso NUCLEANTECH® H3BO3 consiste en la minimización del volumen de residuo de baja y media actividad generado y que debe ser tratado de manera consecuente con su naturaleza. Esta minimización en la producción de este residuo nuclear se traduce en un elevado ahorro económico y un incremento en la sostenibilidad ambiental del proceso global.

Necesito tratar las aguas boradas de una central

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NUCLEANTECH® UF6

En las plantas de enriquecimiento de uranio se generan efluentes en el proceso de lavado de los equipos utilizados en la síntesis y transporte del UF6. Estos efluentes contienen sales disueltas y partículas radioactivas, los cuales son gestionados como residuos de baja y media actividad.

El proceso NUCLEANTECH® UF6 constituye una solución para el tratamiento de este efluente de manera que la mayor parte de éste puede ser reutilizado en el proceso de lavado, con el consecuente ahorro de agua y, lo más importante, la minimización del volumen de residuo nuclear que debe ser gestionado externamente.

El proceso se basa en una filtración del efluente seguida de un proceso de evaporación al vacío, en el cual el concentrado se alimenta en un cristalizador para obtener un residuo totalmente seco. Este residuo concentra todas las partículas radioactivas en el menor volumen posible, por lo que se reduce notablemente el coste de la gestión de los residuos generados. El agua separada en el evaporador, una vez condensada presenta una calidad apta para ser reutilizada de nuevo en las operaciones de lavado de los equipos de proceso.

El proceso NUCLEANTECH® UF6 representa una solución sostenible a la generación de residuos de baja y media actividad en las operaciones de lavado en las plantas de enriquecimiento de uranio a la vez que minimiza notablemente el volumen del residuo producido, con el consecuente ahorro económico que esto supone.

Necesito tratar las aguas de producción de UF6 de una central

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NUCLEANTECH® NWDR

En las plantas de enriquecimiento de uranio y, sobretodo, en las centrales nucleares, se generan grandes volúmenes de residuos que, a pesar de su escasa radioactividad, deben ser gestionados de acuerdo con los protocolos normalizados para los residuos nucleares. Estos residuos proceden de todos los utensilios y materiales de protección desechables que utilizan los trabajadores de las instalaciones, como puede ser el caso de máscaras, guantes, gorros, gafas, trajes de protección, etc. Gestionar este ingente volumen de residuos mediante su confinamiento en bidones de 220 L sellados con hormigón resulta muy costoso.

En algunas instalaciones, allí donde está permitido, estos residuos son incinerados; aunque es una alternativa económica, no es la más ventajosa desde el punto de vista ambiental.

La solución NUCLEANTECH® NWDR (nuclear waste disposal reduction) ha sido concebida como una alternativa innovadora para la minimización del volumen de este tipo de residuo nuclear, pudiendo llegar hasta un 80% de reducción del volumen global. El corazón del proceso está constituido por una etapa de pirolisis de los residuos que, en ausencia de oxígeno, los residuos son destruidos y transformados en un residuo sólido (5% del volumen inicial), una fracción líquida y una corriente gaseosa que es convenientemente tratada antes de ser liberada a la atmósfera. Del tratamiento de la fracción líquida y de la fracción gaseosa también se genera un residuo seco el cual puede suponer el 15% del volumen del residuo inicial.

Las ventajas del proceso NUCLEANTECH® NWDR son numerosas y muy importantes. Entre las más relevantes se encuentran las siguientes:

  • Reducción del 80% del volumen de residuo nuclear de baja y media actividad generado en las plantas que manipulan sustancias radioactivas, especialmente, las plantas de enriquecimiento de uranio y las centrales nucleares. Esto supone una reducción drástica de los costes de gestión de estos residuos.
  • Tamaño de la instalación relativamente pequeño, por lo que los residuos pueden ser tratados in situ sin necesidad de que sean transportados.
  • En el proceso no se generan cenizas contaminantes ni dioxinas puesto que no se produce incineración alguna.
  • El proceso es eficiente, compacto y seguro.

Necesito tratar los residuos sólidos de una central

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