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Title:
PROCESS AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF A SOLID FUEL FROM COMBUSTIBLE WASTES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/156567
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a machine for producing recovered solid fuel, to a method for obtaining recovered solid fuel, and to the recovered solid fuel obtained by said method. The extruding and homogenising machine comprises a main body (7) having a supply opening (6), an extruder screw (9) and an outlet (14), and is characterised in that it comprises a compression cone (11) arranged on the end of the extruder screw (9), and means (12) for opening and closing the outlet (14).

Inventors:
CARRERA VARELA JOSE ANTONIO (ES)
SARALEGUI GUTIERREZ ALBERTO (ES)
VEGA OTERINO JUAN ALBERTO (ES)
Application Number:
PCT/ES2012/070353
Publication Date:
November 22, 2012
Filing Date:
May 18, 2012
Export Citation:
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Assignee:
CARRERA VARELA JOSE ANTONIO (ES)
SARALEGUI GUTIERREZ ALBERTO (ES)
VEGA OTERINO JUAN ALBERTO (ES)
International Classes:
C10L5/46; B29C48/82; B29C48/92; C10L5/48
Domestic Patent References:
WO2010138514A22010-12-02
WO2002051969A12002-07-04
WO1999020717A11999-04-29
WO2010033017A12010-03-25
WO2002051969A12002-07-04
Foreign References:
US4632795A1986-12-30
US20040080064A12004-04-29
US5401161A1995-03-28
US3700247A1972-10-24
US6143219A2000-11-07
SU1388308A11988-04-15
EP1502667A12005-02-02
US6692544B12004-02-17
GB2237028A1991-04-24
US3947255A1976-03-30
US20090039184A12009-02-12
Attorney, Agent or Firm:
ARIAS SANZ, Juan (ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1. Máquina extrusora y homogeneizadora que comprende un cuerpo principal (7) dotado de una abertura de alimentación (6), un tornillo extrusor (9) y una abertura de salida (14), caracterizada por que comprende un cono de compresión (1 1) dispuesto en el extremo final del tornillo extrusor (9) y medios de apertura y cierre (12) de la abertura de salida (14).

2. Máquina extrusora y homogeneizadora según la reivindicación anterior, donde los medios de apertura y cierre (12) de la abertura de salida (14) son medios manuales o automatizados.

3. Máquina extrusora y homogeneizadora según la reivindicación anterior, donde los medios de apertura y cierre (12) de la abertura de salida (14) están automatizados mediante un sistema hidráulico, neumático o eléctrico.

4. Máquina extrusora y homogeneizadora según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de apertura y cierre del extremo final comprenden una compuerta metálica.

5. Máquina extrusora y homogeneizadora según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para mantener y controlar la temperatura.

6. Máquina extrusora y homogeneizadora según la reivindicación 5, en la que los medios para mantener y controlar la temperatura están configurados para mantener y controlar la temperatura en la zona del tornillo extrusor (9) y/o en la zona del cono de compresión (1 1).

7. Máquina extrusora y homogeneizadora según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios de refuerzo del cono de compresión.

8. Máquina extrusora y homogeneizadora según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, dotada de orificios y/o ranuras para conducir un gas presente en el interior de la máquina hasta la zona de la abertura de alimentación (6) de la máquina.

9. Procedimiento para producir combustible sólido recuperado caracterizado por que comprende una etapa de procesamiento de unos materiales de partida en la máquina extrusora y homogeneizadora según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, a una temperatura entre 200 y 500 °C, y con la abertura de salida (14) cerrada por los medios de apertura y cierre (12).

10. El procedimiento según la reivindicación 9 que además comprende una etapa posterior de apertura de la abertura de salida (14) de la máquina mediante los medios de apertura y cierre (12) para la salida del combustible sólido recuperado producido.

1 1. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, donde los materiales de partida se proporcionan a la máquina sin haber sido previamente tratados.

12. El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-11 donde los materiales de partida proceden de las fracciones rechazo de los tratamientos de residuos y de la combinación de las mismas.

13. Combustible sólido recuperado obtenible mediante el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-1 1.

14. Combustible sólido recuperado según la reivindicación 13, caracterizado porque es homogéneo.

15. Uso del combustible sólido recuperado definido en cualquiera de las reivindicaciones 13 ó 14 para consumo doméstico y/o valorización energética, preferiblemente mediante un proceso de tratamiento térmico seleccionado del grupo que consiste en incineración, coincineración, pirólisis, gasificación, plantas combinadas y gasificación por plasma.

Description:
PROCESS AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF A SOLID FUEL

FROM COMBUSTIBLE WASTES

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la fabricación de combustible sólido recuperado. ANTECEDENTES

Los centros de tratamiento de residuos incorporan sistemas que permiten recuperar los materiales reciclables como papel, cartón, metales, plásticos y vidrio, y separar la materia orgánica para su tratamiento, por ejemplo, en una planta de compostaje o para biometanización. Estos sistemas de selección y separación de residuos pueden ser automáticos o manuales. Todos los residuos que no han podido ser procesados por los métodos de separación de residuos implantados constituyen las "fracciones de rechazo". Estas fracciones de rechazo pueden someterse a más operaciones de separación de residuos, que pueden ser automáticas o manuales. El siguiente destino de las "fracciones de rechazo" es la valorización energética o el vertido controlado en depósitos especialmente adaptados para este fin, es decir, los rellenos sanitarios o vertederos. La presencia y mantenimiento de estos vertederos tiene un gran coste medioambiental y económico para la sociedad actual que cada vez genera más residuos.

El combustible sólido recuperado (CSR) es combustible preparado a partir de residuos no peligrosos para su valorización energética en plantas de incineración y coincineración, por ejemplo hornos industriales, centrales térmicas, o plantas de cogeneración, así como para su uso doméstico.

Los procedimientos para la fabricación de combustible sólido recuperado que se emplean actualmente suelen basarse en la selección, reducción granulométrica, secado y prensado de los materiales de partida para obtener un material heterogéneo de alta densidad. Para comodidad en el posterior transporte, almacenaje y empleo de los combustibles, estos sólidos suelen estar en forma compactada o densificada, para lo cual los fabricantes añaden agentes adhesivos a las mezclas o emplean materiales termoplásticos. Para que los compuestos termoplásticos actúen como adhesivos, aglutinantes o aglomerantes se necesitan temperaturas de aproximadamente 200-230 °C para fundirlos. Sin embargo calentar los termoplásticos a dichas temperaturas conlleva un problema añadido: que estos materiales acaban pegándose a la zona de compresión de las extrusoras, ya sea a las paredes o al tornillo extrusor, provocando que las extrusoras se estropeen con facilidad. Además, cuando se emplean materiales de partida de madera y el proceso se realiza a dichas temperaturas elevadas, los materiales de madera pueden carbonizarse o incendiarse, lo cual es un inconveniente e incluso peligroso.

Una desventaja de algunos de los combustibles sólidos recuperados existentes es su alto contenido en humedad. Además, la mayoría de los procesos conocidos necesitan un proceso previo de secado intensivo que reduzca la humedad de los materiales de partida que se desean procesar a menos del 15% en peso, para conseguir una disminución drástica de humedad de los productos resultantes en comparación con la de los materiales de partida y como medida de seguridad antes de triturar y compactar los residuos, ya que en la compactación o densificación existe un alto riesgo de explosión al comprimir el vapor de agua dentro de una cámara estanca.

Una dificultad en los procedimientos actuales es la etapa de granulado, donde el tamaño de partícula que se necesita para poder compactar se encuentra entre 0, 1 y 5 mm, sea cual sea el material. Por tanto, todos los componentes deben ser triturados hasta alcanzar dicha granulometría.

Una desventaja de los CSRs actuales es que al ser heterogéneos su combustión es muy contaminante para el medioambiente además de producir efectos nocivos para la salud. Por esta razón los procesos de valorización energética en forma de incineración están prohibidos en muchos países.

El documento WO 2010/138514 se refiere a combustible sólido compactado en forma de briquetas o pellets formado por dos o más tipos de partículas. Al menos un tipo de las partículas del sólido son de un material compuesto por biomasa. Otros materiales que pueden utilizarse en las otras partículas del sólido compactado incluyen almidón, plástico, aceite de pescado, parafina, cal, aceite vegetal, granos de café y grasa animal. Para la compactación utilizan un aglomerante como algas o un aglutinante como la cera, en una cantidad menor al 10% en peso, materiales secados a menos de 15% de humedad y una granulometría de entre 0,5 y 5mm. El producto resultante tiene un poder calorífico bajo, aproximadamente 16,26 MJ/kg, una humedad aproximada del 2% en peso y la producción de ceniza es del 4% en peso.

Los documentos EP 1502667 A1 y US 6692544 B1 describen la fabricación de briquetas y pellets, de residuos sólidos urbanos, residuos o lodos de aguas residuales municipales para su uso como combustible sólido. Es necesario el secado de los residuos sólidos de partida antes del proceso de extrusión para reducir su humedad hasta un 15-20 % en peso. Durante el procesamiento, el tornillo de extrusión se mantiene a una temperatura de entre aproximadamente 121 °C y 138 °C debido al calor que procede de la fricción del material con los componentes de la máquina y la compresión del aire arrastrado. Este proceso da lugar a briquetas con un 4,3% de humedad.

En el documento WO 02/051969 A1 se describe la fabricación de briquetas y pellets a partir de partículas de carbón de 0,5 mm y hasta un 30 % de plástico. En el procedimiento se secan y calientan las partículas de carbón que posteriormente se emplean para fundir dicho plástico, que actúa como una capa que cubre las partículas de carbón. Las pellets obtenidas contienen un 0,46 % de humedad, 1 ,58% de ceniza, 36.5 MJ/kg de poder calorífico y pueden presentar hasta 1.74% en peso de cloro.

El documento WO 99/20717 A1 describe un proceso para fabricar briquetas a partir de materiales combustibles que contienen parcialmente materiales termoplásticos, los cuales actúan como aglomerantes, además de aumentar el contenido energético de las briquetas. Los termoplásticos se añaden una vez fundidos, en forma líquida, por ejemplo en spray, al resto de materiales antes de pasar a la zona de mezclado y posterior fabricación de las briquetas. En este documento, se describen las desventajas anteriormente comentadas sobre el calentamiento de la zona de compresión cuando se emplean termoplásticos. Además, describe la existencia de proyecciones en las paredes internas de la extrusora para mejorar el mezclado de los materiales.

El documento GB 2237028 A1 describe briquetas compuestas por una mezcla heterogénea de materiales comprimidos y prensados, con un contenido de residuos plásticos de hasta un 55% de los que se ha retirado el PVC, un 40% en peso de materiales procedentes de la madera y un 5% de materiales inertes con un poder calorífico de 28 MJ/kg.

El documento US 3947255 describe un procedimiento de obtención de un combustible sólido compuesto por entre un 60% y un 95% de cortezas al que es necesario añadir entre un 5% y un 40% de compuestos termoplásticos como aglutinantes. El combustible sólido se obtiene por densificación en una extrusora a una temperatura comprendida entre 121°C y 204°C. Para obtener el combustible sólido además es necesario secar previamente la corteza hasta que contenga menos de un 7% en peso de humedad, para prevenir la formación de vapor en el proceso de extrusión, ya que, puede causar explosiones. El documento US 2009/0039184 A1 describe un procedimiento para procesar residuos de origen plástico (12-18%) y no plástico. Dicho procedimiento incluye un procesamiento por explosión de vapor, que implica añadir vapor de agua, manteniendo el residuo a una presión de entre 1000-3000 psi y a una temperatura entre 200-400 °C. El tornillo extrusor comprende un tornillo "a", diseñado para permitir el paso de vapor, asegurando que haya humedad suficiente para que se lleve a cabo el proceso, y una parte "b" donde se lleva a cabo el proceso por explosión de vapor. En una realización particular, también puede utilizarse una prensa de extracción de líquidos que se estrecha en su parte final. El combustible sólido obtenido no es homogéneo, ya que, la parte no plástica queda recubierta por los componentes plásticos.

El documento WO 2010/033017 A1 describe un procedimiento, así como una instalación para realizar dicho procedimiento, en el que se realiza una etapa de compresión que tiene lugar en una extrusora a una temperatura entre 200 y 290 °C, para obtener un aglomerado de combustible. En este documento también se describe que es conveniente que el proceso se realice en un ambiente bajo en oxígeno, para lo cual la máquina extrusora, se encuentra en un espacio aislado de bajo contenido en oxígeno.

El documento WO 02/051969 describe la fabricación de briquetas y pellets a partir de carbón de tamaño de partícula pequeño (por debajo de 0,5 mm) y plástico para su uso como combustible sólido, donde el plástico recubre las partículas de carbón. Las partículas de carbón y el material plástico, previo secado, se mezclan y calientan (aproximadamente a 204 °C) hasta el punto de fusión del plástico (o hasta que se ablanda) en un mezclador. El contenido en plástico de las briquetas y pellets puede ser de hasta el 30 %. Además, se señala que el plástico actúa como lubricante en el proceso de producción de pellets, donde se aplica una presión de 600 psi en una prensa para formar dichos pellets. Con dicho proceso se mejora la fuerza, integridad y la resistencia al agua de los pellets.

Por lo tanto, teniendo en cuenta el estado de la técnica sería conveniente encontrar un procedimiento mejorado de fabricación de CSR en el que se puedan emplear los materiales de partida tal y como se obtienen de las fracciones de residuos de las plantas de separación y clasificación de residuos, es decir, sin necesidad de etapas de reducción granulométrica ni de secado previos, sin necesidad de añadir aglomerantes y sin riesgo de que los materiales se carbonicen, incendien o se queden pegados a la máquina de fabricación debido a la temperatura del proceso. Además sería conveniente encontrar una forma de valorizar los residuos para obtener energía de los mismos que no sea tan contaminante y nociva como los procedimientos actuales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención presenta una máquina extrusora y homogeneizadora según la reivindicación 1 , un procedimiento para producir combustible sólido recuperado según la reivindicación 9, un combustible sólido recuperado obtenible mediante dicho procedimiento según la reivindicación 13 y el uso de dicho combustible según la reivindicación 15. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a una máquina extrusora y homogeneizadora que comprende un cuerpo principal dotado de una abertura de alimentación, un tornillo extrusor y una abertura de salida, caracterizada por que comprende un cono de compresión dispuesto en el extremo final del tornillo extrusor y medios de apertura y cierre de la abertura de salida.

La abertura de salida permite la salida del material desde el cono de compresión al exterior de la máquina.

La abertura de alimentación permite el suministro de los materiales de partida al interior de la máquina.

En una realización preferida, la máquina extrusora y homogeneizadora comprende medios para mantener y controlar la temperatura, preferiblemente medios para mantener y controlar la temperatura en la zona del tornillo extrusor y/o en la zona del cono de compresión.

En una realización los medios de apertura y cierre del extremo final son medios manuales.

En una realización los medios de apertura y cierre del extremo final son medios automatizados, preferiblemente medios automatizados con un sistema hidráulico, neumático o eléctrico.

En una realización la máquina extrusora y homogeneizadora comprende medios de refuerzo del cono de compresión.

En una realización la máquina extrusora y homogeneizadora comprende orificios para permitir la salida de gases al exterior de la máquina. Dichos orificios están dispuestos preferiblemente en la cercanía de o en comunicación con la abertura de alimentación, para favorecer la salida de gases y/o vapor de agua del interior de la máquina. Preferiblemente, dichos orificios son orificios internos que, sin permitir una salida directa de los gases al exterior de la máquina, permiten la conducción de los gases hasta la zona de la abertura de alimentación, para la salida de los gases a través de dicha abertura de alimentación.

La máquina extrusora y homogeneizadora de la presente invención permite obtener combustible sólido recuperado (CSR) totalmente homogéneo y preferiblemente hidrófugo a partir de componentes que proceden íntegramente de residuos no peligrosos de diversa procedencia: urbanos, industriales, forestales y agrícolas, sin necesidad de un tratamiento previo de reducción de la humedad o de la granulometría de los residuos y sin necesidad de añadir un adhesivo, aglutinante, o aglomerante o una cantidad mínima de compuestos termoplásticos que actúen como tales.

Esta máquina lleva a cabo un procedimiento que sorprendentemente permite transformar los residuos seleccionados en combustible sólido recuperado mediante técnicas combinadas de trituración, fricción y prensado , que posteriormente se puede moldear en el formato deseado, ya sea, briquetas, pellets, granulado, pulverizado, etc . Si el procedimiento se lleva a cabo a la temperatura y durante el tiempo adecuados para la composición de los materiales de partida que se procesan se puede obtener CSR homogéneo para cualquier mezcla de residuos de partida.

Además, los residuos procesados por esta máquina adquieren unas propiedades físico-químicas que permiten, de media, triplicar la energía que se obtendría de esos mismos residuos sin tratar.

El hecho de obtener un combustible homogéneo es importante, ya que permite determinar y mantener la mejor relación aire/combustible para obtener una combustión completa de máxima eficiencia, mientras que cuando la combustión es incompleta el proceso de la combustión es menos rentable y más contaminante.

Optimizar el proceso de combustión evita el empleo de un exceso de aire innecesariamente alto, lo que reduce la temperatura de combustión y aumenta la cantidad de energía sin utilizar que se disipa a través del mayor volumen de gases de combustión. Con esta optimización del proceso de combustión también se evita que la cantidad de exceso de aire escogida sea demasiado pequeña, lo que además de provocar un bajo rendimiento de utilización del combustible, incrementa el impacto medioambiental nocivo de los residuos inquemados en los gases de combustión. En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para producir combustible sólido recuperado, caracterizado por que comprende una etapa de procesamiento de unos materiales de partida en una máquina extrusora y homogeneizadora según el primer aspecto inventivo, a una temperatura entre 200 y 500°C y con la abertura de salida cerrada por los medios de apertura y cierre.

En una realización preferida la temperatura durante el procesamiento se mantiene entre 200 y 400°C, más preferiblemente entre 225 y 400°C.

En una realización, el tiempo de procesamiento está comprendido entre 5 y 59 minutos, preferiblemente entre 8 y 35 minutos.

El procedimiento de la invención evita que si se emplean residuos de material plástico como productos de partida, aún calentándose a altas temperaturas, entre 200-500 °C, se queden pegados a las paredes de la maquinaria donde se realiza el proceso. Por otra parte, los materiales de madera ni se carbonizan, ni se incendian cuando la máquina está operando, debido al bajo nivel de oxígeno presente en el proceso de homogeneización, ya que los gases son desplazados al exterior.

Este proceso y la máquina donde se realiza permiten procesar residuos de fracciones de vertederos que pueden comprender un 100 % de residuos orgánicos, un 100 % de residuos inorgánicos (fracción plástica) o cualquier combinación de ambos.

En una realización preferida el contenido en plástico de los matenales de partida es de al menos un 40% en peso, con lo que se obtiene un combustible sólido recuperado hidrófugo.

Por otra parte, el procedimiento de la presente invención posibilita el empleo de materiales de partida con un alto porcentaje de humedad, eliminando el riesgo de explosiones durante el proceso de homogeneización, así como emplear materiales de partida con granulometría de mayor tamaño a los empleados en el estado de la técnica. Es decir, según este procedimiento y con la máquina de la invención, no es necesario un tratamiento de reducción granulométrica de la fracción de residuos orgánica, plástica o de rechazo, así como tampoco es necesario un proceso previo de secado o de reducción de la humedad de los materiales de partida, obteniéndose un combustible sólido recuperado con un porcentaje de humedad muy bajo.

En un tercer aspecto, la invención se refiere a un combustible sólido recuperado obtenible mediante el procedimiento según el segundo aspecto inventivo. En un cuarto aspecto, la invención se refiere al uso del combustible sólido recuperado según el tercer aspecto inventivo, para consumo doméstico y/o valorización energética, preferiblemente mediante procesos de tratamiento térmico seleccionado del grupo que consiste en incineración, coincineración, pirólisis, gasificación, plantas combinadas y gasificación por plasma.

Estos aspectos y realizaciones preferidas de la misma se definen también adicionalmente en las reivindicaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Muestra esquemáticamente la máquina extrusora con medios de cierre necesarios para la realización del procedimiento de fabricación de combustible sólido recuperado según la invención. En la realización particular mostrada en la figura el medio de cierre es una tapa a rosca.

Figura 2. Muestra esquemáticamente la máquina extrusora una vez retirados los medios de cierre por medios de apertura, lo que permite extraer el combustible sólido producido del interior del aparato. En la realización particular mostrada en la figura se muestra que se han retirado los medios de cierre y se han sustituido por una boquilla abierta al exterior.

Figura 3. Esquema general de funcionamiento de una planta de tratamiento de residuos urbanos, con la planta de separación y clasificación, la planta de valorización energética y la planta de compostaje.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Máquina extrusora y homogeneizadora:

En un aspecto, la presente invención se refiere a una máquina extrusora y homogeneizadora, que comprende un cuerpo principal (7) dotado de una abertura de alimentación (6), un tornillo extrusor (9) y una abertura de salida (14), caracterizada por que comprende un cono de compresión (11) dispuesto en el extremo final del tornillo extrusor (9) y medios de apertura y cierre (12) de la abertura de salida (14).

En las figuras 1 y 2 se muestra esquemáticamente un ejemplo de máquina extrusora y homogeneizadora según la invención. Dicha máquina comprende un cuerpo principal (7), un motor (1) y un motorreductor (2). El motorreductor (2) controla la velocidad de giro y la potencia de un eje de transmisión (3) situado en un acoplamiento elástico (4) que, unido a través de una caja de rodamientos (5), hace girar a un tornillo extrusor (9) instalado en el cuerpo principal (7).

Preferiblemente, dichos motor (1) y motorreductor (2) están controlados por medios de control, preferiblemente están controlados por un cuadro eléctrico con variador de herzios (no mostrado).

El cuerpo principal (7) es preferiblemente cilindrico. El cuerpo principal (7) comprende medios para controlar la temperatura en el interior (8) del cuerpo principal (7). Preferiblemente los medios para controlar la temperatura comprenden unas resistencias (10) controladas por un cuadro de control de temperatura (no mostrado), cuya función es mantener constante la temperatura en la zona del tornillo extrusor (9) y en la zona del cono de compresión (1 1). Preferiblemente la temperatura es la misma en todo el interior (8) del cuerpo principal (7).

El cuerpo principal (7), comprende una abertura de alimentación (6) por donde serán alimentados los materiales al interior del cuerpo principal (8) por medios de alimentación. En una realización particular, el medio de alimentación de los materiales es una tolva dotada de un tornillo de alimentación accionado por un motor eléctrico.

Los materiales se procesan en el interior del cuerpo principal (8), donde el tornillo extrusor (9) es responsable de empujar, friccionar, mezclar y triturar todos los componentes. La mezcla de materiales avanza debido a la fuerza del tornillo extrusor (9) hacia una salida o abertura (14) dispuesta en el extremo final del cono de compresión (11), que se encuentra cerrada por medios de cierre (12) en la figura 1. Los medios de cierre (12) obligan a la mezcla de los materiales a volver hacia atrás y retomar una y otra vez el proceso hasta que se consigue la transformación de los componentes en un producto homogéneo.

El experto conoce los medios existentes en el estado de la técnica para fabricar y emplear medios de cierre. Los medios de cierre de la salida están relacionados con los medios de apertura, por lo que también pueden ser denominados medios de apertura y cierre.

En una realización preferida, los medios de cierre (12) son una tapa o tapón, una válvula o cualquier medio de apertura y cierre conocido. En otra realización particular, los medios de cierre de la abertura de salida (14) están formados por una tapa compuesta por un macho roscado y un tapón roscado. En otra realización preferida los medios de cierre comprenden una compuerta metálica. Preferiblemente, los medios de cierre están automatizados, con sistemas hidráulicos, neumáticos o eléctricos, aunque también pueden ser manejados manualmente.

En una realización particular, el sistema de cierre empleado es una compuerta metálica, preferiblemente una compuerta metálica automatizada que es accionada por un motor eléctrico que desplaza dicha compuerta metálica.

En la zona del cono de compresión (1 1) se ejercen las principales fuerzas de fricción, existiendo una alta compresión. En una realización preferida, esta zona del cono de compresión (1 1) comprende medios de refuerzo de la estructura de la máquina para soportar las fuerzas de alta compresión, ya que, el sistema tiene que ser capaz de soportar una presión superior a la que ejerce la mezcla sobre el sistema de cierre. Preferiblemente, el cono de compresión (11) está reforzado mediante cartelas metálicas.

En una realización preferida, la máquina extrusora y homogeneizadora presenta medios para mantener y controlar la temperatura, preferiblemente para mantener y controlar la temperatura en la zona del tornillo extrusor y/o en la zona del cono de compresión.

Una vez se han procesado los diferentes materiales y se han convertido en un combustible sólido compuesto por una sola fase homogénea, la abertura de salida cerrada por medios de cierre se abre al exterior mediante medios de apertura de la salida cerrada. Opcionalmente, estos medios de apertura de la salida cerrada son medios manuales, o medios automatizados con un sistema hidráulico, neumático o eléctrico. En una realización particular, donde el medio de cierre (12) es una tapa o tapón, se abre. En otra realización particular, la tapa o tapón se retira. Y en otra realización particular, el medio de cierre (12) se retira y se cambia por una boquilla (13), mostrada en la figura 2. En otra realización preferida, donde los medios de cierre son una compuerta metálica, se abre o se retira.

Durante el procedimiento de obtención del sólido homogéneo, los gases formados como resultado del calentamiento y compresión del material arrastrado hacia el final del tornillo extrusor cerrado escapan a través del compartimento hacia el comienzo del tornillo extrusor saliendo por la abertura de alimentación (6). Opcionalmente, una sección de la máquina de extrusión cuenta con ranuras u orificios para permitir la salida de los gases y el vapor de agua formado por la evaporación de la humedad residual contenida en el material. Preferiblemente dichas ranuras u orificios están situados de manera que conducen los gases y el vapor de agua hacia la zona de la abertura de alimentación (6), facilitando así la extracción de los mismos. En una realización particular, hay una campana extractora de gases situada sobre la máquina extrusora, particularmente está situada encima de la abertura de alimentación (6).

Combustible sólido recuperado (CSR):

El procedimiento de la presente invención permite obtener un combustible sólido recuperado.

El término "combustible sólido recuperado" o CSR, como se ha comentado anteriormente, designa un sólido combustible obtenido a partir de residuos no peligrosos. Ventajosamente, el CSR obtenido mediante la máquina y el procedimiento de la invención cumple con las normas europeas especificadas por el Comité Europeo de Normalización (CEN).

Ventajosamente, el combustible sólido recuperado obtenido mediante la máquina y el procedimiento de la invención es homogéneo. En el ámbito de la presente invención, "homogéneo" implica que se mantienen las propiedades intensivas del combustible sólido, obteniendo una única fase, que se puede observar a simple vista. Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que su valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas. Ejemplos no limitativos de propiedades intensivas observables en el combustible sólido de la presente invención son el calor específico, la densidad, la dureza, la concentración, el punto de fusión, la ductilidad y la maleabilidad. El experto en la materia entiende que la homogeneización tiene sentido cuando los materiales de partida son heterogéneos.

En una realización preferida, el CSR homogéneo obtenido es además hidrófugo cuando el contenido en plástico de ios materiales de partida es de ai menos un 40% en peso. El término "hidrófugo" se refiere a que el material de la presente invención repele la humedad o las filtraciones. Además esta propiedad se observa en el 100% del material. Se han realizado pruebas donde el combustible sólido producido mediante la máquina de la invención con un contenido en plástico de ai menos un 40% en peso se sumerge en agua por periodos de tiempo que comprenden desde 1 hora hasta 2 semanas, observándose que no hay una variación en el peso del sólido, lo que indica que es hidrófugo así como biológicamente inerte. En el estado de la técnica, por ejemplo en el caso de los documentos EP 1502667 A1 y US 6692544 B1 que contienen un 5,7% de plástico, la briqueta sólo adquiere dichas propiedades en su perímetro. Al cortar la briqueta, el material situado en el interior de la misma, no tiene propiedades hidrófugas, es simplemente una mezcla heterogénea prensada.

El CSR obtenido por el procedimiento de la presente invención adquiere su densidad durante el proceso de transformación y no durante su prensado.

Evidentemente, la composición y las características del CSR estarán condicionadas por el tipo de materiales de partida o residuos que se procesen y su porcentaje. Aún así, en términos generales, la composición de los residuos urbanos es bastante estable y la composición de las diferentes fracciones obtenidas de las plantas de tratamiento de residuos está muy bien definida. El porcentaje de dicha composición varía según los países, las regiones, el nivel económico y la época del año en que se generen. Por lo tanto, tras la realización de varios muéstreos, es posible establecer una especificación de producto para cualquier flujo de residuos.

Procedimiento:

La etapa caracterizadora del procedimiento de la presente invención es la etapa de procesamiento o transformación de los materiales de partida o residuos en la máquina extrusora y homogeneizadora de la invención, cuya abertura de salida (14) se encuentra cerrada en su extremo final a una temperatura entre 200 y 500 °C. En una realización preferida, los materiales se procesan a una temperatura entre 200 y 400°C, más preferiblemente entre 225 y 400°C. La temperatura empleada en el procedimiento depende de los materiales a tratar y de las necesidades de producción, es decir, a mayor temperatura, menos tiempo de proceso y mayor gasto energético. Estos intervalos de temperaturas favorecen la homogeneización de los materiales para obtener un CSR homogéneo.

El tiempo necesario para la homogeneización de los materiales en la extrusora según la presente invención depende de la composición de los materiales de partida y la cantidad de los mismos que se van a procesar, así como de la temperatura del procedimiento y de las necesidades de producción. No obstante, los intervalos de temperaturas definidos garantizan la obtención de un CSR homogéneo independientemente de los otros factores.

Tiempos de procesamiento preferidos no limitativos para el procedimiento de la invención varían entre 5 y 59 minutos, preferiblemente entre 8 y 35 minutos. Para el procesamiento de una determinada composición de materiales, el tiempo de procesamiento para la homogeneización varía dependiendo de la temperatura del proceso, para temperaturas más elevadas se necesitan tiempos más cortos y para temperaturas más bajas se necesitan tiempos más largos. Por ejemplo, en una realización particular, si la temperatura del proceso es de 290 °C, la duración de dicho proceso son 10 minutos, sin embargo, cuando la temperatura del proceso es de 240 °C la duración del proceso es de 15 minutos. Por otra parte, normalmente, las composiciones con mayor proporción de fracción orgánica requieren más tiempo de procesamiento que aquellas que tengan una mayor proporción de fracción inorgánica, debido a la mayor cantidad de vapor de agua que es necesario desalojar en el proceso de homogeneización.

En esta etapa de procesamiento de los materiales, el tornillo extrusor al girar, empuja, fricciona, mezcla y tritura todos los componentes mientras van avanzando hacia el extremo final, donde se encuentra el cono de compresión y una abertura que durante esta etapa de procesamiento de los residuos se encuentra cerrada por medios de cierre, obligando al material que se está procesando a volver hacia atrás y retomar una y otra vez el proceso, lo que permite transformar los materiales de partida en un producto homogéneo, si el proceso se realiza a la temperatura y durante el tiempo adecuados..

En esta etapa de homogeneización el llenado del interior (8) del cuerpo principal de la máquina extrusora con materiales de partida puede ser variable.

Otras etapas que pueden estar presentes en el procedimiento de la presente invención previamente a la fase de procesamiento en la máquina extrusora y homogeneizadora son comunes en los procedimientos de obtención de CSR conocidos en el estado de la técnica:

- Acopio de los materiales:

Preferiblemente se hace acopio de los materiales de partida por separado o más preferiblemente la extrusora está emplazada en un vertedero controlado o en una planta de tratamiento de residuos que aporta todos los residuos que se puedan aprovechar para elaborar el CSR, fabricándose variaciones del mismo dependiendo de los residuos disponibles; o bien la extrusora está emplazada en una planta de selección de envases para poder utilizar como materia prima la fracción rechazo de dicha planta.

- Clasificación de los materiales: Los materiales se separan y/o seleccionan y almacenan según su composición según las técnicas conocidas en el estado de la técnica. Los materiales de partida clasificados o no clasificados que se pueden emplear en la presente invención están descritos más adelante.

Secado de los materiales:

Esta etapa en general no es necesaria ya que la máquina extrusora y homogeneizadora del presente proceso permite emplear composiciones de materiales de partida con hasta un 80 % de humedad y los materiales de partida en el ámbito de la presente invención no suelen tener una humedad tan alta, ya que previamente han sido tratados, separados y clasificados. Esto implica una mejora en los tiempos de producción, ya que se evita una etapa común en los procesos de obtención de CSR.

El procedimiento descrito en la presente invención permite disminuir enormemente la humedad del producto resultante comparado con los materiales de partida, por lo tanto, sólo es necesario secar las composiciones que tengan una humedad superior al 80 % en peso por motivos de seguridad. En caso de ser necesario, el proceso de secado se puede realizar por cualquier método conocido en la técnica, como por ejemplo, secadores rotatorios, aprovechamiento del calor residual de la combustión de una instalación, secado al aire o exposición solar. Una vez que los distintos materiales están clasificados según su composición y presentan la humedad necesaria para ser procesados por el aparato, se pueden almacenar en silos.

Mezclado:

Los distintos residuos o fracciones de las plantas de tratamiento de residuos se pueden mezclar según las proporciones determinadas por la especificación de producto, por medio de los múltiples medios que existen en el estado de la técnica, por ejemplo mesas vibrantes, silos de mezcla, tolvas mecanizadas, tornillos sin fin, etc. Esta etapa es opcional ya que en la presente invención puede usarse una mezcla de varios tipos de fracción de residuos o bien un solo tipo de fracción de residuos que no necesitarían ser mezclados.

Alimentación del tornillo extrusor: La alimentación de los materiales al cuerpo principal donde se encuentra el tornillo extrusor se puede llevar a cabo por cualquier medio conocido por el experto en la materia.

Una vez tenemos la mezcla de los materiales de partida, realizada según los porcentajes de la fórmula resultante de la especificación de producto, ésta se introduce gradualmente en la máquina de la invención en el interior (8) del cuerpo principal (7), donde se encuentra emplazado el tornillo extrusor, o bien en una cámara de alimentación del interior del cuerpo principal. En una realización particular, se introducen los materiales de partida hasta llenar el cuerpo principal (7) donde tiene lugar la etapa de procesamiento o transformación de los materiales de partida.

El cuerpo principal (7) está dotado de una abertura (6) por donde se introducen los materiales al interior del cuerpo principal (8), por cualquier medio de alimentación conocido por el experto en la materia. En una realización particular el sistema de alimentación es una tolva dotada de un tornillo de alimentación, accionado por un motor eléctrico.

Después de la etapa de procesamiento o transformación de los materiales de partida, la abertura situada en el extremo final del cuerpo principal de la extrusora y cerrada por medios de cierre durante dicha etapa, queda abierta en una etapa de apertura por medios de apertura, creando una salida para que salga el CSR homogéneo obtenido. Es decir, se ponen en conexión el interior (8) del cuerpo principal (7) de la máquina de la invención con el exterior a través de la abertura de salida (14) dispuesta en el extremo final del cono de compresión (11), permitiendo la salida al exterior de la máquina del combustible sólido recuperado homogéneo, obtenido en forma de sólido amorfo. Los medios de cierre y apertura pueden ser manuales o automatizados mediante un sistema hidráulico, neumático o eléctrico.

El sólido obtenido de la etapa anterior se puede compactar en una etapa adicional para darle la forma y el tamaño que se desee, por ejemplo briquetas o pellets, por cualquier método conocido, normalmente mediante un molde y/o una prensa. Como se ha mencionado anteriormente, en esta etapa no se densifica el material, sino que la densidad viene dada por el mismo procedimiento de transformación de los materiales de partida.

Una vez se obtiene el CSR con la forma y tamaño deseado puede procederse a su almacenamiento y transporte. Materiales de partida:

Los materiales de partida que se emplean en la presente invención son residuos. En una realización particular, estos residuos provienen preferiblemente de las fracciones rechazo de las plantas de tratamiento de residuos, preferiblemente de las fracciones rechazo de plantas de tratamiento de residuos sólidos urbanos. En otra realización los residuos provienen de las fracciones rechazo de fábricas, por ejemplo: fábricas de pañales, compresas y apositos, de la industria de transformación de la madera; colchones; bolsas de basura procedentes de la fracción rechazo de vertederos; paja; residuos de papel y cartón; residuos de las industrias del sector de la alimentación; y/o residuos forestales procedentes del mantenimiento y limpieza de bosques, montes, parques y jardines.

Se entiende por "residuo" cualquier sustancia u objeto del cual su poseedor se desprenda o del que tenga la intención u obligación de desprenderse. En todo caso, tendrán esta consideración los que figuren en el Catalogo Europeo de Residuos (CER), aprobado por las Instituciones Comunitarias contemplado en la decisión 2000/532/CE. Además, se entiende por "residuos urbanos o municipales" los generados en los domicilios particulares, comercios, oficinas y servicios, así como todos aquellos que no tengan la calificación de peligrosos y que por su naturaleza o composición puedan asimilarse a los producidos en los anteriores lugares o actividades. Tendrán también la consideración de residuos urbanos los siguientes: residuos procedentes de la limpieza de vías públicas, zonas verdes, áreas recreativas y playas; animales domésticos muertos, así como muebles, colchones y enseres; residuos y escombros procedentes de obras menores de construcción y reparación domiciliaria.

Los residuos empleados en la presente invención no comprenden materiales pétreos, ni metales, férreos ni no férreos, ni materiales que contengan sustancias consideradas peligrosas. En el ámbito de la presente invención, se contempla la posibilidad de admitir que como máximo el 5% en peso del CSR obtenido sea materiales pétreos y metales férreos o no férreos, debido a la extrema dificultad que conlleva separar completamente dichos materiales. Dicha circunstancia además implica que el contenido de materiales de partida que pueden contener sustancias consideradas peligrosas es como máximo del 0,5% en peso del CSR obtenido, aunque preferiblemente admite como máximo un 0,3% en peso de materiales que contienen sustancias consideradas peligrosas. Los materiales empleados en los ejemplos de la presente invención provienen preferiblemente de las plantas de tratamiento de residuos. Estas plantas incorporan varios sistemas que permiten recuperar los materiales reciclables (papel, cartón, metales, plásticos y vidrio) y separar la materia orgánica para su tratamiento (por ejemplo en una planta de compostaje, o para biometanización), dando lugar a lo que en esta invención se denominan "fracciones de separación de residuos" dando lugar a la fracción de papel, fracción de cartón, fracción de metales, fracción inorgánica o "fracción plástica" y a la "fracción orgánica".

Estos sistemas de tratamiento de residuos pueden ser automáticos o manuales. Tal y como se observa en la figura 3, todos los residuos que no han podido ser procesados por los métodos implantados para la separación y selección de residuos comentados anteriormente constituyen las "fracciones de rechazo". Sobre estas fracciones de rechazo se pueden realizar además más operaciones de separación de residuos, que pueden ser automáticas o manuales, por triaje (de baja eficacia) o de separación óptica (de alta eficacia). El siguiente destino de las "fracciones de rechazo" es la valorización energética o el vertido controlado en depósitos especialmente adaptados para este fin, es decir, los vertederos.

El término "fracción inorgánica" o "plástico" en la presente invención se refiere preferiblemente a materiales termoplásticos, excepto aquellos que contienen cloro, como el policloruro de vinilo, y poliestirenos, debido a que se consideran residuos peligrosos, altamente contaminantes en el proceso de incineración. El término "termoplástico" se refiere a un plástico que a temperatura ambiente es deformable, que se derrite cuando se calienta y se endurece adoptando un estado vitreo cuando se enfría lo suficiente. Preferiblemente, en el ámbito de esta invención, el plástico del material de partida es seleccionado de entre materiales que comprenden polietileno de alta densidad (PEAD), polietileno de baja densidad (PEBD), polipropileno (PP), tetraftalato de polietileno (PET), poliuretano (PUR), polimetilmetacrilato (PMMA), nitrato de celulosa, acetato de celulosa, copolímero de olefina cíclica (COC), etil-vinil- acetato (EVA), etil-vinil-alcohol (EVOH), poliacetal, polibutadieno (PBD), polibutileno (PB), polibutileno tereftalato (PBT), policaprolactona (PCL) o acrilonitrilo butadieno estireno (ABS); preferiblemente el plástico es seleccionado de entre materiales que comprenden polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad, polipropileno, tetraftalato de polipropileno y poliuretano. Estos plásticos pueden proceder por ejemplo de residuos de envases o embalajes, de la construcción, de los campos de la automocion o la electrónica, que han podido ser seleccionados por ejemplo en una línea de tratamiento de residuos urbanos de la separación de plásticos o bien de una línea de selección y clasificación de envases. La fracción de rechazo final de línea tras la separación de residuos en un trómel se considera "fracción de rechazo inorgánica" ya que tiene un porcentaje elevado de plásticos.

El término "fracción orgánica" en la presente invención se refiere o bien a la materia orgánica separada en la planta de separación y clasificación (ver figura 3), al compost de la planta de compostaje o bien a la fracción rechazo de la planta de compostaje que termina en el vertedero, también denominada "fracción rechazo orgánico" o a una combinación de cualquiera de las anteriores.

El combustible sólido fabricado por el procedimiento de la presente invención comprende entre un 0 y un 100 % en peso de fracción plástica o de peso en plástico. En una realización particular, comprende entre un 3 y un 97 % en peso de fracción plástica o de peso en plástico. En otra realización particular, el CSR comprende entre aproximadamente un 40% y un 85 % en peso de fracción plástica o de peso de plástico. Particularmente, el contenido de plástico que se ha caracterizado en los residuos de los vertederos empleados para obtener el combustible sólido recuperado de algunos de los ejemplos constituye en la "fracción de rechazo orgánico" un 3,75% de plástico y en los rechazos de fin de línea el 24% del total. En los ejemplos de la presente invención también se describe CSR obtenido a partir de un 80 % de plástico. Por lo tanto, en el procedimiento de la presente invención se puede procesar cualquier fracción orgánica 100%, inorgánica (plástico) 100%, así como una combinación de ambas independientemente de su porcentaje. En una realización los materiales de partida proceden de las "fracciones de separación de residuos" y/o de la combinación de las mismas. En una realización preferida los materiales de partida proceden de las fracciones rechazo de los tratamientos de residuos y/o de la combinación de las mismas. Por lo tanto, al partir de fracciones de separación de residuos se entiende que en una realización preferida los materiales de partida son hetereogéneos.

Tal como se usa en el presente documento, el término "aproximadamente" significa una ligera variación del valor especificado, preferiblemente dentro del 10 por ciento del valor especificado. No obstante, el término "aproximadamente" puede significar una mayor tolerancia de variación dependiendo de, por ejemplo, la técnica experimental usada. El experto entiende dichas variaciones de un valor especificado y éstas se encuentran dentro del contexto de la presente invención. Además, para proporcionar una descripción más concisa, algunas de las expresiones cuantitativas facilitadas en el presente documento no van calificadas con el término "aproximadamente". Se entiende que, se use o no de manera explícita el término "aproximadamente", cada cantidad dada en el presente documento pretende referirse al valor dado real, y también pretende referirse a la aproximación de tal valor dado que se deduciría de manera razonable basándose en la experiencia común en la técnica, incluyendo equivalentes y aproximaciones debidas a las condiciones experimentales y/o de medición para tal valor dado.

Los siguientes ejemplos son meramente ilustrativos de algunas realizaciones de la invención y en ningún caso deben ser considerados limitativos.

EJEMPLOS

Ejemplo 1. Muestra combustible sólido PLAS-MA 34.

PROCESO DE CARACTERIZACIÓN

El día de la recepción de la muestra se procede a secar el material recibido de cada muestra para la determinación de su humedad. Por desmuestre y molienda, siguiendo la Especificación Técnica CEN/TS 14780 "Solid Biofuels - Methods for sample preparation", se obtienen las diferentes fracciones que se utilizan en los procesos analíticos, generalmente con granulometría inferior a 0.5 mm.

A continuación, se resume brevemente la metodología analítica utilizada, basada en los procedimientos de análisis del laboratorio. Generalmente, los ensayos se realizan por duplicado.

Humedad total: Se realiza mediante el procedimiento de determinación de la humedad total en biomasa, basado en la pérdida de masa de la muestra hasta alcanzar un valor constante cuando se calienta a 105 °C. El procedimiento deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 14774-2 "Solid Biofuels - Methods for the determination of moisture contení - Oven dry method - Part 2: Total moisture - Simplified method'.

Durabilidad mecánica de pellets: La durabilidad mecánica es la medida de resistencia de los biocombustibles densificados al golpe y/o a la fricción. El método seguido se basa en la Especificación Técnica CEN/TS 15210-2 "Solid Biofuels - Methods for the determination of mechanical durability of pellets and briquettes - Part 1: pellets" que consiste en voltearlos en un tambor giratorio. La durabilidad se expresa como el cociente del material contenido en el recipiente al final del ensayo, sin desintegrarse, entre el total inicialmente introducido. Finos: Previamente a la determinación de la durabilidad, se realiza el contenido en finos, tamizando manualmente (malla de 3.15 mm) una fracción representativa de pellets.

Densidad de partícula (método estereométrico): La determinación de la densidad de partícula se lleva a cabo mediante la medida de las dimensiones de los pellets, con objeto de conocer su volumen. Se realizan diez réplicas para cada muestra de pellet de biomasa. El procedimiento deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 15150 "Sol id Biofuels - Methods for the determination of partióle density".

Longitud de pellets: El procedimiento interno se basa en reducir la muestra original de pellets a una cantidad aproximada de 20 pellets mediante sucesivos cuarteos, medir longitudinal e individualmente cada pellet de la muestra considerada representativa del conjunto, y tomar el valor medio como un estimado de la longitud del conjunto.

Cenizas 550 °C: Se realiza mediante procedimiento de calcinación y determinación del contenido en cenizas a 550 °C. Se basa en la combustión de la biomasa mediante rampas de calentamiento establecidas hasta 550 °C, con el fin de evitar la descomposición o vaporización de ciertos compuestos. Este procedimiento deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 14775 "Solid Biofuels - Method for the determination of ash contenf. La ceniza obtenida en este ensayo se utiliza para realizar los análisis de elementos mayoritarios y minoritarios en ceniza (calcio, potasio, fósforo, azufre, hierro, aluminio, magnesio, sodio, silicio, etc.).

Volátiles 900 °C: Se basa en el calentamiento de la biomasa bajo condiciones establecidas hasta 900 °C y en ausencia de aire. Este procedimiento deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 15148 "Solid Biofuels - Method for the determination of the contení of volatile matter".

Análisis elemental:

• Carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N)

Se realiza mediante el procedimiento interno de determinación de carbono, hidrógeno y nitrógeno en biomasa utilizando un analizador elemental TruSpec (Leco). Se basa en la combustión catalítica de la muestra de biomasa con oxígeno puro y a 950 °C para conseguir una combustión muy rápida. Después de diferentes tratamientos, los productos de combustión gaseosos se homogeneízan en un tanque denominado ballast. Posteriormente, dos detectores de infrarrojos miden el carbono y el hidrógeno de los gases generados y, finalmente, y tras diferentes tratamientos de reducción y limpieza, en una alícuota de 3 mi se determina el nitrógeno utilizando un detector de conductividad térmica. El procedimiento interno deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 15104 "Sol id Biofuels - Determination of total content of carbón, hydrogen and nitrogen - Instrumental method'.

• Cloro (Cl) y azufre (S)

Se realiza la determinación del cloro y azufre por cromatografía iónica, previa recuperación en disolución acuosa de los compuestos de cloro y azufre que provienen de la bomba calorimétrica utilizada para determinar el poder calorífico de la muestra.

Este procedimiento deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 15289 "Solid Biofuels

- Determination of total content of sulphur and chlorine".

Poder calorífico en base seca:

Superior. Se determina siguiendo el procedimiento interno de determinación del poder calorífico en biomasa utilizando calorímetros automáticos, marca LECO AC-300 o IKA

C-5000, realizando la combustión de la biomasa con exceso de oxígeno bajo condiciones controladas. El poder calorífico superior se calcula a partir de las mediciones de temperatura realizadas antes y después de la combustión. Este procedimiento deriva de la norma experimental UNE 164001 EX "Biocombustibles sólidos: método para la determinación del poder calorífico".

Inferior. Se calcula restando al poder calorífico superior en base seca el calor de vaporización del agua formada en la combustión de la biomasa, a partir del contenido en hidrógeno de la materia hidrocarbonada de la biomasa seca. Se aplica la fórmula que se indica a continuación:

PCIo = PCSo-206.0*H

donde:

PCIo = poder calorífico inferior en kJ/kg biomasa con humedad cero.

PCSo = poder calorífico superior (determinado por el calorímetro) en kJ/kg biomasa con humedad cero.

H = contenido en hidrógeno de la biomasa en % base seca.

Poder calorífico en base húmeda:

Superior. Se calcula a partir del poder calorífico superior en base seca y de la humedad de la muestra, mediante la siguiente fórmula:

PCSx = PCSo * (1-0.01*X)

donde:

PCSx = poder calorífico superior en kJ/kg con humedad X.

X = humedad de la biomasa en % base húmeda.

Inferior. Se calcula a partir del poder calorífico superior, teniendo en cuenta que el agua presente al final de la combustión tiene un doble origen: a) la debida a la humedad de la biomasa presente en la biomasa húmeda y b) la formada a partir del hidrógeno de las cadenas hidrocarbonadas que forman la biomasa. Se aplica la siguiente fórmula:

PCIx = PCSx - 23.05*(X + 8.9364*H*(1-0.01*X)) donde:

PCIx = poder calorífico inferior en kJ/kg con humedad X.

Análisis de elementos inorgánicos en biomasa y en ceniza de biomasa (Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, P, S, Si, Ba, Mn, Sr, Ti y Zn)

Se basa en la digestión en un horno microondas, siguiendo la Especificación Técnica CEN/TS 15290 "Solid Biofuels - Determination of major elements", de la ceniza obtenida a 550 °C, o directamente de la propia biomasa. Las muestras digeridas se analizan mediante espectrometría de emisión atómica por plasma de argón inductivamente acoplado, mediante un espectrómetro simultáneo de la marca THERMO JARRELL ASH, modelo IRIS AP. El cálculo para convertir los resultados analizados sobre la ceniza a biomasa, o viceversa, se realiza según la fórmula:

%ELEMENTObiomasa = %ELEMENTOceniza * 0.01 * %cenizas Esta fórmula generalmente no es válida para el azufre, pues suele perderse parcialmente durante la calcinación.

Fusibilidad

Este ensayo se realiza sobre ceniza calcinada a 550 °C y molida a menos de 0,250 mm. Se prepara una pastilla cilindrica de 3 mm de diámetro por 3 mm de altura. Dicha muestra se introduce en el horno de un microscopio de calefacción óptica de marca LEICA, donde un haz de luz incide sobre la pastilla reflejando así su silueta. El programa de temperaturas del horno es:

- De temperatura ambiente hasta 550 °C, rampa 60 °C por minuto

- De 550 °C hasta 1400 °C, rampa de 10 °C por minuto

Una cámara digital graba un vídeo con imágenes de la silueta de la pastilla a medida que la temperatura del horno va aumentando. Al mismo tiempo, el programa registra automáticamente diferentes parámetros dimensionales (factor de forma, ángulos de esquinas, etc.), que se utilizan para determinar cuatro temperaturas características:

- Temperatura de deformación inicial (TDI).

- Temperatura de esfera (TE).

- Temperatura de hemiesfera (TH).

- Temperatura fluida (TF). Este procedimiento interno deriva de la Especificación Técnica CEN/TS 15370-1 "Solid Biofuels - Methods for the determination of ash melting behaviour".

MATERIALES DE PARTIDA

70% del peso en PP y PEAD.

20% del peso en madera (viruta de pino 40%, astilla 60%).

10% del peso en paja.

Estos materiales fueron procesados durante 12 minutos a 280 °C.

RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN DEL COMBUSTIBLE SÓLIDO.

Humedad (% base húmeda) 0.2

Longitud (mm) 27

Densidad de part. Geom. (kg biomasa húmeda/m 3 ) 850

Durabilidad Mecánica (%) 99.9

Finos (%) 0.0

ANÁLISIS INMEDIATO (% base seca)

Cenizas (550 °C) 0.5

Volátiles 94.6

Carbono fijo 4.9

ANÁLISIS ELEMENTAL (% base seca)

Carbono 73.2

Hidrógeno 1 1.0

Nitrógeno 0.40

Azufre 0.01

Cloro 0.02

Flúor <0.01

Bromo <0.01

PODER CALORÍFICO (MJ/kg)

PCSv.O (humedad= 0.0 % b.h.) 36.72

PCSv.x (humedad= 0.2 % b.h.) 36.65

PCIv.O (humedad= 0.0 % b.h.) 34.45

PCIv.x (humedad= 0.2 % b.h.) 34.39

ELEMENTOS MINORITARIOS (% base seca, analizados como elementos y expresados como óxidos)

Al 2,2, Al 2 0 3 4,2, Ba 0,062, BaO 0,069, Ca 14, CaO 20, Fe 2,5, Fe 2 0 3 3,6, K 8,6, K 2 0 10, Mg 4,3, MgO 7,2, Mn 0,41 , Mn 2 0 3 0,78, Na 1 ,0, Na 2 0 1 ,4, P 1 ,4, P 2 0 5 3,3, S 1 ,0, S0 3 2,6, Si 15, Si0 2 32, Sr 0,050, SrO 0,059, Ti 0,35, Ti0 2 0,59, Zn 0, 11 , ZnO 0,14. Suma 85,9

FUSIBILIDAD. Temperaturas características (°C)

Deformación inicial: 1 160 °C

Esfera: n.d. (no detectado)

Hemiesfera: 1 190 °C

Fluida: 1200 °C

En resumen: PCS 36,70 Mj/kg; PCI 34,39 Mj/kg; Cloro (Cl) s/MS 0.02%; Mercurio (Hg) 0.00046 mg/MJ, humedad 0,2 %, cenizas 0,5 %, durabilidad 99,9 %, rendimiento del combustible 93,8 %. Es decir, se cumplen todos los requisitos exigidos por la Norma 343 para clasificar el CSR PLAS-MA 34 como combustible clase 1 , particularmente clase 11 1. Además, estos datos demuestran que las características del combustible obtenido son idóneas para ser utilizado en el sector industrial, siendo prácticamente inocuo para el medio ambiente.

Ejemplo 2. COLCH-PLAS 30

MATERIALES DE PARTIDA

30% en peso de colchones procedentes de vertederos.

30% en peso de bolsas de basura procedentes de la fracción rechazo de vertederos.

20% en peso de embalajes de plástico procedentes de vertederos.

20% en peso de virutas de madera de pino procedentes de la industria de la transformación de la madera.

Estos materiales fueron procesados durante 13 minutos a 290 °C.

ANÁLISIS ELEMENTAL (% m/m)

Carbono. C. 62,66 %

Hidrógeno. H. 8,66 %

Nitrógeno. N. 1 ,79 %

Azufre. S. 0.09%

PODER CALORÍFICO. (MJ/Kg)

PCS 29,30 MJ/Kg.

PCI 27,52 MJ/Kg.

Densidad 388,60 kg/m3

Contenido en Cenizas 4,3 % (m/m)

Contenido en Cloro 0, 12 % Humedad 0,3 % (m/m)

FUSIBILIDAD. Temperaturas características (°C) Deformación inicial: 1 192 °C

Esfera: 1408 °C

Hemiesfera: 1418 °C

Fluida: 1431 °C

Contenido metálico sobre las cenizas por ICP (%)

<L.D., por debajo del límite de detección.

Ejemplo 3. COMP-MA 32

MATERIALES DE PARTIDA

40% en peso de PP y PEAD.

20% en peso de papel y cartón.

20% en peso de viruta y astilla de pino.

20% en peso de compresas, pañales y apositos. Estos materiales fueron procesados durante 16 minutos a 245 °C. ANÁLISIS ELEMENTAL DEL CSR OBTENIDO

Ejemplo 4. COMP-MA 34

MATERIALES DE PARTIDA

40% en peso de PP y PEBD.

30% en peso de compresas, pañales, apositos.

30% en peso de viruta de pino.

Estos materiales fueron procesados durante 16 minutos a 245 °C. ANÁLISIS ELEMENTAL DEL CSR OBTENIDO

Ejemplos 6-10. En los siguientes ejemplos 6-10 todos los residuos procesados proceden de las plantas de tratamiento de residuos sólidos urbanos.

El ejemplo 6 contiene el 75% en peso de fracción orgánica procedente de los rechazos de la separación y clasificación de residuos orgánicos. El 25% en peso restante corresponde a la fracción rechazo inorgánica obtenida del final de línea de trómel.

El ejemplo 7 contiene el 100% en peso de la fracción rechazo orgánica procedente del fin de línea.

El ejemplo 8 contiene el 100% en peso de compost obtenido a partir del proceso de compostaje de la fracción orgánica.

Los ejemplo 9 y 10 contienen el 100% en peso obtenido a partir de los rechazos orgánicos de los distintos tratamientos de separación y clasificación implantados en las plantas de tratamiento de residuos sólidos urbanos.

Todas las muestras se obtuvieron sin necesidad de tratamiento previo de reducción de humedad, ni de reducción granulométrica.

A continuación se muestran los análisis de los CSR obtenidos.

6 9 10

7 8

(M0232- (M0235- (M0236-

(M0233-1 1) (M0234-1 1)

1 1) 1 1) 1 1)

% fracción 100 de la

100 de

orgánica de 75 fracción 100 100 compost

partida rechazo

% fracción

inorgánica de 25 0 0 0 0

partida

Humedad inicial

50 40 40 50 50 Fase Orgánica

Humedad inicial

15

Fase Inorgánica

Poder calorífico

20,55 17,07 12,08 12,54 13,40 Superior (MJ/Kg)

Poder calorífico

19,30 13,79 1 1 ,24 1 1 ,59 12,47 inferior (MJ/Kg) Humedad (%) 5,2 1 2,6 18,9 15,7

Cenizas (%) 26,4 45,7 45,9 37,6 41 ,8

C 42,46 35,35 28,38 30,37 29,6

Análisis

H 6,04 5,08 4,07 4,61 4,53 elemental

N 1 ,06 0,77 1 ,67 1 ,61 1 ,5

(%)

S 0,18 0,15 0,37 0,26 0,26

Cloro (%) 0,08 0,08 0,05 0,05 0,05

T a etapa de

280 280 280 280 280 procesado (°C)

Tiempo de etapa

de procesamiento 15 15 15 15 20 (minutos)

Ejemplos 11 -18.

Temperatura de proceso °C 320 300 280 300

Tiempo de proceso Minutos 20 20 20 20

PRUEBA X11 X12 X13 X14

COMPOSICIÓN

Orgánico % en peso 82, 15 70,80 80,35 68,85

Inorgánico % en peso 17,85 29,20 19,65 31 , 15

SIN PROCESAR

PCI v cte en base seca MJ/kg 16,74 17,21 16,95 23,36

PCI v cte en base húmeda MJ/kg 3,45 3,78 3,52 4,96

PCS v cte en base seca MJ/kg 17,51 18,36 17,5 24,64

Humedad % 63, 1 60,3 61 , 1 53,7

Cenizas % 14,36 10,47 13,36 1 1 ,83

Densidad kg/m3 350 240 330 180

Energía contenida Kwh/t 957 1049 976 1376

PROCESADO (CSR)

PCI v cte en base seca MJ/kg 17, 15 16,8 17 10 22,75

PCI v cte en base húmeda MJ/kg 13.8 14.52 13 73 20.85 PCS v cte en base seca MJ/kg 18,08 17,94 18 22 23,95

Humedad % 5,2 3,9 6,3 2,6

Cenizas % 25,29 15,35 24,8 10,74

Densidad kg/m3 1.680 1.560 1.890 1.370

Consumo eléctrico (estimado) Kwh/t 160 148 1í 50 130 Energía contenida Kwh/t 3834 4034 :w 14 5 ( 32 Temperatura de proceso °C 350 330 300 280

Tiempo de proceso Minutos 20 20 15 20

PRUEBA X15 X16 X17 X18

COMPOSICIÓN

Orgánico % en peso 67, 12 71 ,43 54,54 81 ,40

Inorgánico % en peso 32,88 28,57 45,46 18,60

SIN PROCESAR

PCI v cte en base seca MJ/kg 25,39 21 ,68 29, 17 16,5

PCI v cte en base húmeda MJ/kg 5,42 4,45 6,12 3,42

PCS v cte en base seca MJ/kg 26,59 23, 12 30,53 17,68

Humedad % 48,7 49,6 46, 1 56, 1

Cenizas % 12,39 1 1 ,25 9,6 13,59

Densidad kg/m3 170 190 90 350

Energía contenida Kwh/t 1504 1234 1698 949

PROCESADO (CSR)

PCI v cte en base seca MJ/kg 26,21 20,93 30,86 15,72

PCI v cte en base húmeda MJ/kg 21.68 1 Λ86 2 l .6 13.9 PCS v cte en base seca MJ/kg 27,47 22, 17 31 ,9 16,63

Humedad % 1 ,4 2,9 1 2,4

Cenizas % 1 1 ,48 9,87 8,79 23, 16

Densidad kg/m3 1.410 1.480 667 2.307

Consumo eléctrico (estimado) Kwh/t 134 141 63 219 Energía contenida Kwh/t 6023 4962 766/ 3861

Todas las fracciones procesadas en las pruebas de producción X11 a X18 proceden íntegramente de residuos sólidos urbanos y no necesitaron ningún tratamiento previo de reducción de humedad o granulometría. Los análisis se realizaron sobre los materiales sin procesar y sobre los CSR obtenidos.

En los ejemplos X11 a X18 los resultados de la energía producida muestran, que gracias al procedimiento y a la máquina de la invención se elimina la humedad de los residuos y se consigue la homogeneización de los mismos, lo que permite triplicar de media la energía que obtendríamos de esos mismos residuos, si no fueran tratados por nuestra máquina extrusora y homogeneizadora.

Éste dato se deduce de la comparación del PCI a volumen constante en base húmeda de las fracciones procesadas (CSR) y sin procesar. Antes de ser sometidos al procedimiento de la siguiente invención, los residuos sin procesar muestran un PCI en base húmeda mucho más bajo que el PCI en base húmeda de los residuos procesados (CSR). Esto es debido a que los residuos sin procesar contienen más humedad y el procesado de los residuos consigue eliminar en gran medida la humedad del producto final obtenido.

Todos los ejemplos de la presente descripción fueron realizados en un prototipo de la máquina extrusora y homogeneizadora, por lo tanto, el experto en la técnica entiende que los tiempos del proceso necesarios para obtener un producto homogéneo, van a depender de la capacidad volumétrica de la máquina, la velocidad de carga de materiales de partida, la composición de los materiales de partida y la temperatura del proceso.