Automatización de métodos para estimar emisiones de contaminantes y la altura de la capa límite atmosférica (página 2)

El presente trabajo aborda los métodos empleados para estimar las emisiones producidas a la atmósfera, por las principales fuentes industriales fijas en las ciudades de Pinar del Río y Sandino, Pinar del Río, Cuba. Se hace referencia a las herramientas informáticas utilizadas para implementar los diferentes métodos. Se calculo el factor de emisión para cada una de las fuentes industriales en las ciudades antes mencionadas y se tomo la serie de datos meteorológicos, correspondientes al período 2001-2005.

Desarrollo

Características Generales del Municipio de Pinar del Río

El área de estudio que corresponde al municipio de Pinar del Río, (Fig. 1) se encuentra ubicado aproximadamente en la porción Centro-Sur de la provincia, ocupando una superficie de 70 780 ha, es decir, el noveno lugar en extensión territorial con respecto a los restantes municipios. Limita al Norte (N) con los municipios de Viñales y Minas de Matahambre, al Sur (S) con el Golfo de Batabano, al Este (E) con el municipio de Consolación del Sur, y al Oeste (W) con los de San Luís y San Juan y Martínez [PCOTU, 1998].

Fig. 1- Municipio Pinar del Río. Ciudad Pinar del Río.

Características actuales de la cabecera Occidental

La ciudad de Pinar del Río tiene la categoría de cabecera Municipal y Provincial. Geográficamente se encuentra ubicada en el centro de la provincia y del municipio, distando 146 Km de la capital del país. Su base económica está fundamentada principalmente en los servicios y por su carácter de ciudad principal, se encuentra en ella las principales instalaciones a ese nivel. Tiene un peso importante también la industria.

Se asientan actualmente unos 135285 habitantes en un área total de 3240 hectáreas. Alrededor del 70% de la población total se encuentra en el casco urbano (ciudad tradicional Oeste). El resto se ubica en la zona Este de la ciudad y en los repartos y barrios de la periferia. [PGU, 2005].

Tres zonas de producción bien polarizadas contribuyen a la configuración que se ha estructurado de la ciudad, estas se ubican en: la zona Industrial Siete Matas y Reparto Ferro, a sotavento de ella y otras Industrias hacia el noreste (Reparto Hermanos Cruz).

La ciudad esta dividida administrativamente por 12 Consejos Populares, de ellos, ocho se extienden hasta la zona rural, por lo que son mixtos. De estos últimos solo cuatros cuentan con un área rural significativa: Jaguey-Cuyuji, La Conchita, San Vicente y el Vizcaíno. El resto, enmarcan un área rural donde encontramos pocas viviendas.

La Tabla 1, ilustra la densidad de población existente en el año 2006 [OTE, 2006] y la que existía en el año 1986 [PID, 1980-1990].

Tabla 1- Densidad de Población periodo 1986-2006

Focos Contaminantes. Categorización

En la ciudad se han identificado un grupo de focos contaminantes de alta y mediana significación, ya sea por el lugar en el que se encuentran como por el tipo de contaminante que generan y el radio de protección de cada uno de ellos. De esta forma se han agrupado por categorías según la NC 39-1999, así como la serie Salud Ambiental No1, saneamiento básico y urbanización del Instituto Nacional de Higiene Epidemiología y Microbiología [PGU, 2005].

Categorías:

Categoría I:

• Grupos electrógenos: Briones Montoto, Eliseo Caamaño y Pinar Oeste

Categoría II:

• Fábrica de Piezas de Repuesto.

Categoría III:

• Hospital "León Cuervo Rubio".

• Hospital "Abel Santamaría".

• Hospital Pediátrico "Pepe Portilla".

• Tintorería Militar.

• Tintorería La Cubana.

Categoría IV:

• Fábrica de Ladrillos Aligerados.

• Fábrica de Mosaico.

• Fábrica de Baldosa.

• Tejar "Rafael Ferro".

• Tejar "Dolores".

• Tejar "Primero de Mayo".

• Tejar "Gabriel Lache".

Categoría V:

• IPUEC "Federico Engels".

• Fábrica de Sorbetos.

• Fábrica de Galletas.

• Combinado Lácteo

• Combinado Cítrico.

• Fábrica de "La Conchita".

• Fábrica de Fósforos.

• Fábrica de Cervezas "La Princesa".

• Fábrica Jupiña.

• ISP "Rafael María de Mendive".

• Facultad de Ciencias Medicas "Dr. Ernesto Che Guevara".

• Universidad de Pinar del Río "Hermanos Saíz Montes de Oca".

Características Generales del Municipio Sandino

El municipio Sandino, (Fig. 2) se localiza en el extremo más occidental de la provincia, limitando al Norte (N) con el Golfo de México y Mantua, al Oste (W) con Guane y al Sur (S) con el Mar Caribe, con una superficie total de 1709 km², lo que lo sitúa como el más extenso de la provincia.

Fig. 2- Municipio Sandino. Ciudad Sandino.

La Tabla. 2, muestra la densidad de población existente en el año 2002 y la que existía en el 1981.

Tabla. 2- Densidad de Población período 1981-2002.

Focos Contaminantes. Categorización

Categorías:

Categoría V:

• Combinado Lácteo "Pasteurizadota"

La [NC 242:2005], es la guía de datos tecnológicos para el inventario de emisiones de los contaminantes atmosféricos desde fuentes industriales fijas. Estos datos son fundamentales para efectuar un cálculo adecuado de dichas emisiones a la atmósfera. La metodología se propone normalizar la estimación de las emisiones, a partir de conocer un conjunto de parámetros tecnológicos de las fuentes industriales fijas, con el propósito de establecer un ordenamiento en las actividades nacionales de gestión orientadas a la prevención, reducción y control de la contaminación.

La realización de inventarios de emisiones, tiene cierto grado de complejidad, ya que generalmente existen algunos datos que no se pueden adquirir de forma rutinaria en los centros industriales, fábricas, hospitales, escuelas, etc., obligando a obtener los mismos, a través de análisis matemáticos, físicos y químicos; solo en los casos que sea necesario se hará una descripción de los métodos empleados para obtenerlos. Para lograr este propósito se utilizaron herramientas informáticas como: Delphi 6 en la programación, empleando Microsoft Access como gestor de Base de Datos, y el Computer Assisted Software Engineering (CASE) Rational Rose para crear los artefactos utilizados por el Lenguaje Unificado de Modelado (UML) con los que se caracterizó y modeló el sistema. Seguidamente se mencionan los formularios para la captación de datos tecnológicos en las fuentes industriales, pertenecientes a la NC 242:2005

Requisitos generales:

Información general del proceso (Formulario para la captación de datos para la estimación de las emisiones DE1).

Información estática para cada fuente fija:

Es la información de carácter tecnológico y productivo básica necesaria para la realización de los cálculos de las emisiones (Formulario DE2), ver (Fig. 3), Formulario Datos de Fuente, perteneciente al software SAGIFC.

• Flujo máximo del gas emitido: máximo del gas por unidad de tiempo emitido a través de la chimenea o conducto de emisión, se expresa en (N m3 / s).

Flujo Máximo del Gas Emitido = Flujo Aire + Flujo de Combustible (1)

• Velocidad de la mezcla gaseosa (m/s): La velocidad medida o estimada a la salida de la mezcla gaseosa por la fuente puntual de emisión, usualmente se expresa en metros por segundos.

Para obtener la velocidad de salida de los gases, se plantea la siguiente expresión:

f m/s (2)

Donde:

Q: flujo de gases, m3/s.

V: velocidad de salida de los gases, m/s

p = 3.14.

d: diámetro interior de la chimenea.

f: Valor numérico.

• Tasa de emisión: Volumen del gas emitido por unidad de producción, se expresa en m3/unidad de producción en su defecto puede aparecer un índice de consumo de materia prima para producir una unidad.

Existen varios métodos para determinar el cálculo de las emisiones a la atmósfera, a continuación se representan los mismos:

• Balance de Masa.

• Factores de Emisiones.

• Cálculos Ingenieriles.

• Mediciones en la Fuente.

De ellos solo se describen los de interés para realizar el trabajo.

Estimación de las emisiones mediante balance de materiales (balance de masa)

El balance de materiales (también conocido como balance de masa), es un método utilizado para estimar las emisiones de algunas categorías de fuentes, en donde se conoce el volumen y la composición química de los insumos o materias primas utilizadas. El método de balance de materiales puede usarse en los casos en que no hay datos disponibles de muestreos en la fuente o factores de emisión aplicables. De hecho, para algunas fuentes, un balance de materiales es el único método práctico para estimar las emisiones con exactitud.

La ecuación básica que se usa en los cálculos de emisiones a partir del análisis del combustible es:

(3)

Donde:

Qcomb. = Consumo de combustible, flujo másico (p.ej., kg/hr)

CCC = Concentración del contaminante en el combustible

MWce = Peso molecular del contaminante emitido (lb/lb-mole)

MWcc = Peso molecular del contaminante en el combustible (lb/lb-mole)

Cálculo de Emisiones a la Atmósfera utilizando Factores de Emisión

Ecuación general para el cálculo de emisiones a la atmósfera utilizando Factores de Emisión:

EMISIONES = FE * DA (4)

FE = Factor de emisión (el cual se puede obtener por diversas fuentes, AP – 42 [U.S. EPA, 1995a], [IPC, 1995], USEPA, [EMEP/CORINAIR, 2001], EEA, etc).

DA = Datos de actividad (producción, población, etc.), en unidades de masa o volumen por tiempo.

Para la realización del trabajo, los factores de emisión fueron determinados por el Software Industrial Pollution Control (IPC), desarrollado por el Banco Mundial, la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Organización Panamericana de la Salud (OPS) del año 1995.

Fig. 3-Formulario Datos de Fuente.

Información del combustible:

Características del combustible utilizado, el cual es fundamental para el cálculo de las emisiones (Formulario DE3), ver (Fig. 4), Formulario Combustibles, perteneciente al software SAGIFC.

Fig. 4-Formulario Combustibles.

Datos meteorológicos

Los modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos requieren numerosos datos meteorológicos, algunos de ellos son medidos de forma rutinaria en las estaciones meteorológicas -denominados primarios-, pero otros no lo son y por tanto deben ser inferidos de los primeros, a estos se les llama secundarios.

Para obtener los datos meteorológicos, se tomó como patrón el pre-procesador meteorológico PCRAMMET [U.S.EPA, 1999] de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés).

Los datos meteorológicas primarios que aparecen a continuación se obtuvieron del Software ClimVar, perteneciente al Centro Meteorológico Provincial (CMP) de Pinar del Río, los mismos se almacenan cada tres horas diariamente.

Datos meteorológicos primarios:

• Dirección del viento.

• Velocidad del viento.

• Temperatura de bulbo seco.

• Cubierta nubosa opaca.

• Altura del techo nuboso.

• Presión de la estación

• Cantidad de precipitación

Por otra parte, los datos secundarios y la forma en que son identificados en el trabajo aparecen a continuación:

• Categorías de estabilidad atmosférica: A, B, C, D, E, F.

• Altura de la capa de mezcla.

Categorías de estabilidad atmosférica.

Las categorías de estabilidad son empleadas en la modelación de la dispersión para facilitar la estimación de los parámetros de la dispersión lateral y vertical, usados en los modelos Gaussinos. El esquema de clasificación de la estabilidad recomendado, para ser usado en la modelación de la dispersión, es el propuesto por [Pasquill 1961]; los parámetros de dispersión asociados con este esquema -obtenidos a partir de curvas como función de la distancia x en la dirección del viento para cada clase de estabilidad ("curvas de de Pasquill-Gifford(P-G)")- se usan por defecto en la mayoría de los modelos de dispersión Gaussinos; sin embargo, la clasificación original propuesta por Pasquill para las categorías de estabilidad resulta impracticable para la aplicación rutinaria, así que [Turner, 1964] desarrolló un método más práctico que se detalla en la (Tabla 3), siendo este, el método aplicado en el trabajo para obtener las categorías de estabilidad atmosférica.

Tabla 3- Método de Turner para estimar la estabilidad atmosférica.

Durante el día, la categoría de estabilidad es la obtenida de la tabla anterior si la nubosidad <5/10. en caso contrario, se modifica el grado de insolación según los siguientes criterios:

• Si la altura de la base de las nubes <2133.6m, disminuir dos grados de insolación.

• Si la altura de la base de las nubes >2133.6m y <4876.8m, disminuir un grado de insolación.

• Si la nubosidad = 10/10 y la altura de la base de las nubes está entre 2133.6 m y 4876.8 m, disminuir dos grados de insolación, si la altura de la base de las nubes > 4876.8 m entonces disminuir sólo uno.

• Si por las modificaciones anteriores, el grado de insolación debiera ser menor que Débil, mantenerlo como débil.

Los parámetros básicos necesarios para clasificar la estabilidad según este método son la velocidad del viento, medida a 10 m sobre el nivel del terreno y la estimación de la insolación diurna –en base al ángulo de elevación solar y la nubosidad (% de cielo cubierto y altura de la base de las nubes)- durante el día y la nubosidad durante las noches. Todas estas variables se registran en nuestras estaciones meteorológicas, excepto el ángulo de elevación solar, este parámetro se obtuvo a través del software Sol.exe, perteneciente al Instituto de Meteorología (INSMET).

Altura de la capa de mezcla

La altura de la capa de mezcla es un parámetro básico en la modelación de la dispersión de los contaminantes atmosféricos por cuanto es la zona inferior de la atmósfera donde ocurre fundamentalmente el transporte turbulento de masa y energía y donde los contaminantes se trasladan e interaccionan. Para el cálculo de la capa de mezcla existen varias alternativas que pueden ser empleadas en dependencia de los datos de que se dispone, algunas extremadamente sencillas y otras mucho más complejas que necesitan mediciones de diferentes variables meteorológicas en la altura de la atmósfera (sondeos de aire superior). Las alturas de la capa de mezcla se obtuvieron a partir de las categorías de estabilidad atmosférica obtenidas en la Tabla 1.

Tabla 4- Reglas para estimar la clase de estabilidad atmosférica y las alturas de la mezcla a partir de la velocidad del viento y el grado de insolación.

Como resultado final se muestra el reporte de una fuente contaminante para un día, en el aparece en color verde, las estimaciones de las concentraciones de los diferentes contaminantes emitidos por la fuente industrial CITRUS y en color blanco, se muestran las variables meteorológicas, ver (Fig. 5), perteneciente al software SAGIFC.

Fig. 5- Reporte de una fuente contaminante para un día

Conclusiones

La utilización de la Norma Cubana 242: 2005, los métodos de cálculos de emisiones y el manejo de herramientas informáticas como: Delphi 6, Microsoft Access y el Rational Rose, permitieron implementar la automatización de cálculos para estimar emisiones de contaminantes a la atmósfera, esto posibilita la obtención de valores de concentración de sustancias contaminantes a la hora de ser emitido por una fuente industrial, sin tener necesidad de realizar mediciones, teniendo en cuenta que estas últimas son muy costosas. Las sustancias que pueden ser determinadas por esta vía son: SO3, SO2, SOX, NO, NO2, NOX, CO, MP, C7H9, C6H6(CH3)2, C6H6 y NH3.

Se implementaron los métodos de Turner y Pasquill, para obtener los valores de la altura de la capa de mezcla, siendo muy útil los mismos, ya que actualmente en Cuba, no se realizan sondeos de aire superior de forma sistemática. Los datos que aparecen como resultados del reporte de la fuente industrial CITRUS, permiten además ser utilizados para correr modelos gaussianos de dispersión de contaminantes atmosféricos.

Referencias Bibliográficas

• 1. EMEP/CORINAIR (2001): Emissions Inventory Guide book – 3rd edition, Technical Report No. 3.

• 2. IPC (1995): Industrial Pollution Control, Desarrollado por el Banco Mundial, la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Organización Panamericana de la Salud (OPS).

• 3. Normas de Gestión Ambiental NC (2005): Norma Cubana 24-2005. Guía de datos tecnológicos para el inventario de emisiones de los contaminantes atmosféricos desde fuentes industriales fijas. CITMA, La Habana, Cuba.

• 4. Normas de Gestión Ambiental NC (1999): Norma Cubana 39 – 1999. Requisitos higiénico – sanitarios. CITMA – INN – MEP, La Habana, Cuba.

• 5. OTE (2006): Oficina Territorial de Estadística. Balance Demográfico Anual. Pinar del Río. Cuba.

• 6. Pasquill, F. (1961): The estimation of the dispersion of wind-borne material. Meteorological Magazine., 90, 33-49.

• 7. PCOTU (1998): Plan Central de Ordenamiento Territorial y Urbano. Dirección Municipal de Planificación Física. Pinar del Río. Cuba.

• 8. PGU (2005): Plan General Urbano. Ciudad de Pinar del Río. Cuba. Colectivo de autores.

• 9. PID (1980-1990): Principales Indicadores Demográficos. Comité Estatal de Estadísticas. Departamento Demografía y Censo. Pinar del Río. Cuba.

• 10. Turner, D.B. (1964): A difusión model for an urbana rea, J. Appl. Meteor., Vol. 3, pp.83-91.

• 11. U.S. EPA (1995a): Compilation of Air Pollutant Emission Factors

• 12. U.S.EPA (1999): PCRAMMET USER´S GUIDE, EPA-454/B-96-001, U.S. Eviromental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards Emissions, Monitoring, and Analysis Division, Research Triangle Park, NC 27711.

Autor:

MSc. Dagoberto Rodríguez Valdés

Ing. Liuben Echevarria Pérez

MSc. Walfrido Novas Oramas

Dr. Osvaldo Cuesta Santos

MSc. Almara Sánchez Díaz

MSc. Arnaldo Collazo Aranda

Téc. María Victoria Miló

Universidad de Pinar del Río

Instituto de Meteorología

Dirección Provincial de Planificación Física.

Pinar del Río, 2009

Universidad de Pinar del Río

"Hermanos Saíz Montes de Oca"

CENTRO DE ESTUDIOS DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES (CEMARNA)