Combustión en generadores de vapor en una entidad de Pinar del Río (página 2)

Los óxidos de nitrógeno (NOX) pueden formarse por tres mecanismos:

• 1. El conocido como NOx térmico, que se produce mediante la combustión a temperaturas por encima de 1 000 º C y se debe a que el nitrógeno contenido en el aire de combustión reacciona con el oxígeno.

• 2. El NOx del combustible, que se produce cuando éste contiene compuestos de nitrógeno y reaccionan con el oxígeno.

• 3. El NOx puntual, que se produce en pequeñas cantidades y que se debe a la formación rápida de NOx durante las primeras etapas de la combustión a partir del oxígeno y nitrógeno del aire.

La formación de partículas puede ser consecuencia de un alto contenido de cenizas en el combustible (sólo en el caso de fuel oil) o de una mala atomización del combustible (en el caso de combustibles sólidos y líquidos).

Factores de emisión

Los factores de emisión y los inventarios de emisión son herramientas fundamentales para la gestión de la calidad del aire. La estimación de emisiones es importante para el desarrollo de estrategias de control de emisiones y en la determinación de la aplicabilidad de programas de control para discernir los efectos de las fuentes y estrategias de mitigación.

Generalmente se prefieren los datos de emisión medidos en las fuentes específicas o los monitoreos continuos de emisiones. Sin embargo, los datos de pruebas en fuentes individuales no están siempre disponibles, y aún existiendo puede que con el tiempo no reflejen la variabilidad de las emisiones reales. De aquí que los factores de emisión sean, en muchas ocasiones, lo mejor o lo único disponible para estimar emisiones a pesar de sus limitaciones.

La serie de factores de emisión desarrolladas por la USA EPA es bastante completa y confiable y se le denomina serie de factores de emisión AP-42. Un factor de emisión AP-42 es un valor representativo que intenta relacionar la cantidad de un contaminante emitido a la atmósfera con una actividad asociada a la emisión del contaminante.

Estos factores son generalmente expresados como el peso de contaminante dividido por la unidad de peso, volumen o duración de la actividad que produce el contaminante (por ejemplo, kilogramos de partículas emitidas por mega gramo de carbón quemado). Tales factores facilitan la estimación de emisiones procedentes de varias fuentes de contaminación del aire.En muchos casos estos factores resultan simplemente promedio de todos los datos disponibles de calidad Aceptable y generalmente se asume que son representativos de los promedios a largo plazo de todas las instalaciones de la misma categoría de fuente (Tablas1 y 2).La ecuación general para la estimación de la emisión es:

E = A · EF · (1 – ER / 100)

Donde:E: Emisiones.

A: Intensidad de la actividad.

EF: Factor de emisión.

ER: Eficiencia global de reducción de la emisión.

Tabla 1. Combustión con combustóleo, gasóleo y Diesel

Nota: S es el contenido de azufre en el combustible, expresado en tanto por ciento.

Tabla 2. Factores de emisión empleados en Cuba para el Inventario Nacional de Emisiones y Absorciones de Gases con Efecto Invernadero (INEA-GEI). Año 1998

Levantamiento de la información técnica referente al generador de vapor, al combustible empleado y al cumplimiento de la legislación ambiental vigente

Generador de vapor

– Marca: STEMBLOC.

– Modelo: 150 BHP.

– Fabricación: BABCOCK 1, Bilbao, España, 1968.

– Producción de vapor: 2 t/h.

– Presión de trabajo (vapor): 8 kgf/cm2.

– Temperatura de salida de los gases: 230-250 ºC

– Presión de inyección del combustible: 22 kgf/cm2.

– Presión de retorno del combustible:   A máximo fuego: 5-7 kgf/cm2.   A mínimo fuego: 10 kgf/cm2.

– Datos de la chimenea:   

Diámetro exterior: 0,4 m.   

Espesor del tubo: 0,003 m.   

Diámetro interior: 0,394 m.   

Altura desde la brida en la salida de la caldera: 9,4 m.    

Altura desde la brida al NPT (nivel de piso teórico): 2,57 m.   H = 9,4 + 2,57 = 1 197 Ëo 12 m

– Soplador de aire:   Revoluciones del motor: 3 750 min–1.   Diámetro de la polea conductora: 0,12 m.   Diámetro de la polea conducida: 0,15 m.

Combustibles empleadosEl generador de vapor de la entidad se encontraba quemando crudo nacional hasta la fecha de comienzo del presente estudio en que se sustituyó por una mezcla combustible (esta mezcla fue adicionada al crudo existente en el depósito de la caldera). La composición química de los combustibles se presenta en la tabla 3.

Tabla 3. Composición química de los combustibles

  Nota: Los datos fueron tomados del INEA-GEI, 1998.

Evaluación de parámetros físico-químicos de la contaminación atmosférica

El estudio se realizó en base a ambos combustibles utilizados por la caldera, por cuanto en el depósito que posee la entidad se encontraba una cantidad significativa y no cuantificada del crudo en el momento de añadir la nueva mezcla. Pudo apreciarse por las mediciones de la temperatura de precalentamiento del crudo que en el momento de inicio del presente trabajo la caldera estaba quemando prácticamente el crudo puro tprecal. = (90 / 100) ºC y tenía un consumo promedio en el orden de los 320-350 L/día.

A la semana de investigación, la temperatura del combustible descendió a tprecal. = 40-50 ºC y su consumo se duplicó 550-600 L/día, lo que evidencia la presencia de un porcentaje más elevado de mezcla en el combustible.

Evaluación para el crudo

A partir de mediciones realizadas con un equipo Orsat se conocieron las concentraciones de gases siguientes:

– Dióxido de carbono (CO2): 12,4 % vol.

– Oxígeno (O2): 2,9 % vol.

– Monóxido de carbono (CO): 2 % vol.

Esto permitió realizar los cálculos que se relacionan a continuación:

1. Coeficiente de exceso de aire:? = 21 / (21 – O2) = 21 / (21 – 2,9) = 1,16

2. Contenido de nitrógeno en los gases:N2 = 100 – (CO2 + O2 + CO) = 100 – (12,4 + 2,9 + 2) = 82,7 % vol

3. Volumen de aire estequeométrico para la combustión:V0 = 0,889C + 0,265H + 0,0333 (S – O) = 0,0889 · 80,37 + 0,265 · 9,94 + 0,0333 (6,79 – 2,9) = 9,91 Nm3/kg Contenido de los gases de combustión (en base a la masa de combustible quemado):VRO2 = VCO2 + VSO2 = (1,866C + 0,375S) / 1000 = (1,866 · 80,37 + 0,375 · 6,79) / 100 = 1,53 m3/kgV0N2 = 0,79V0 + 0,8 (N / 100) = 0,79 · 9,91 + 0,8 (0,12 / 100) = 7,83 m3/kgV0H2O = 0,111H + 0,0124W + 0,00161dV0 = 0,111 · 9,94 + 0,0124 · 2 + 0,0161 · 18 · 9,91 = 1,41 m3/kgDonde:d = 18 g/kg: Humedad del aire para Cuba. Vgases = VRO2 + V0N2 + V0H2O + (? – 1)V0 + 0,0061d(? – 1)V0 = 1,53 + 7,83 + 1,41 + (1,16 – 1) · 9,91 + 0,0061 · 18 · 9,91 · (1,16 – 1) = 12,53 m3/kg

4. Cálculo del consumo de combustible:La entidad ha reportado consumos promedio de 586,5 L de combustible en jornadas de nueve horas de trabajo. En base a ello se calcularon los flujos volumétricos y másicos para la caldera:Fvcomb. = 586,5 / 9 = 65,16 L/h = 1,81 · 10–5 m3/sFmcomb. = 586,5 ·?= 1,81 · 10–5 · 0,9976 · 1 000 = 0,018 kg/s

5. Flujo volumétrico de la mezcla de gases de combustión:V = Vgases · Fmcomb. = 12,53 · 0,018 = 0,2255 m3/s

6. Flujo másico máximo de las sustancias contaminantes de forma puntual:La determinación de estos parámetros se realizó tomando en cuenta los factores de emisión de contaminantes en los gases de combustión según (INEA-GEI), año 1998.

E = A · FE · (1 – ER / 100)

Donde: E: Emisión por contaminante, g/s.A: Consumo de combustible, m3 de combustible/s.A = Fmcomb. = 0,018 kg/s FE: Factor de emisión, g de contaminante/kg de combustible.ER: Eficiencia global de reducción de emisión. En este caso ER = 0.En la tabla 4 se brindan las emisiones calculadas según el contaminante.

Tabla 4. Emisiones calculadas según el contaminante

7. Temperatura de la mezcla de gases de combustión a la salida de la chimenea:Tgases = 513 K

8. Temperatura ambiente:Ta = 303 K

9. Cálculo de la concentración máxima de SO2 expulsado caliente a la atmósfera a través de una chimenea bajo condiciones desfavorables (según modelo de Beryland):Donde: A: Constante de estratificación térmica atmosférica. M: Flujo másico de la sustancia contaminante expulsada al aire. M = 2,448 g/sF: Coeficiente de precipitación de la sustancia contaminante en el aire. F = 1 m y n: Coeficientes de condiciones de emisión a la atmósfera, de la mezcla de gases y aire.

Donde: y

El coeficiente n se determina en función de la velocidad específica del contaminante Vm según la fórmula:

Cuando 0,3 < Vm = 2

Donde:

H: Altura de la chimenea sobre el NPT, m.

H = 12 m.

V: caudal total de la mezcla de gases y aire.

V = 0,2255 m3/s

ΔT: diferencia de temperaturas entre la mezcla de gases y aire Tg y el aire del ambiente Ta.

ΔT = 240 – 30 = 210 ºC

10. Estimación de la dispersión de contaminantes según el modelo SCREEN 3, de la US EPA:

. Estimación de la dispersión de contaminantes según el modelo SCREEN 3, de la US EPA:

Fig. 1. Dióxido de azufre.

11. Estimación de la dispersión de contaminantes según el modelo CONTAMÍN basado en la Norma Cubana (NC 39/1999): Calidad del aire. Requisitos higiénico-sanitarios:

12. Análisis consolidado de los resultados obtenidos de la aplicación de ambos modelos:En la tabla 5 se muestran los resultados obtenidos para el SO2 utilizando los diferentes métodos de cálculo.

Tabla 5. Resultados obtenidos para el SO2 utilizando los diferentes métodos de cálculo

El comportamiento de los contaminantes fundamentales, constituyentes de los gases de combustión y a diferentes alturas del receptor, se aprecia en la tabla 6.

Tabla 6. Comportamiento de los contaminantes fundamentales

Es importante destacar que para este tipo de combustible los contaminantes básicos que conforman los gases de combustión se encuentran en concentraciones superiores a las que exige la norma, lo que aumenta su acción toxicológica con la altura a la que se encuentre el receptor. La mayor influencia reductora sobre la concentración máxima Cmáx. de las sustancias contaminantes se comprobó que es provocada por la altura H de la chimenea. El factor sub secuente en importancia es el flujo de sustancias contaminantes y su grado de depuración, encontrándose ambos en función del consumo y las características del combustible.

13. Cálculos de la altura mínima admisible de expulsión de contaminantes:

Dado que la chimenea de la entidad expulsa varias sustancias nocivas de carácter similar (ver tabla 2, página 11, NC 39/1999) puede calcularse la altura mínima en base a la concentración de SO2 por ser el contaminante que posee la mayor Cma. Para ello puede utilizarse la fórmula:Donde: A: Constante de estratificación térmica atmosférica. M: Flujo másico de la sustancia contaminante expulsada al aire.M = 2,448 g/sF: Coeficiente de precipitación de la sustancia contaminante en el aire.F = 1Cma: Concentración máxima admisible del contaminante.Cma = 0,5 mg/m3

Como puede observarse, la altura física de la chimenea es inferior a la altura mínima exigida por la norma para garantizar la calidad higiénico-sanitaria del aire:

Evaluación de la mezcla

La evaluación se realizó teniendo en cuenta todos los aspectos detallados anteriormente para el crudo nacional. Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 7.

Tabla 7. Evaluación del crudo nacional

Como puede observarse, la diferencia entre los niveles de contaminación atmosférica ocasionados por ambos combustibles resulta despreciable.

Percepción de la comunidad

Desde 1998 comenzaron a elevarse quejas a distintos niveles por parte de la población aledaña a la entidad por motivo de molestias ocasionadas por la contaminación atmosférica generada por la combustión de petróleo combustible en el generador de vapor. Sobre la base de los documentos verificados se elaboró un plan de entrevistas y muestreo de opiniones a diferentes distancias de la fábrica, el cual abarcó un total de 15 puntos.Entre las opiniones más significativas pueden citarse las siguientes:1. Molestia del humo, hollín y olor penetrante e irritante de las vías respiratorias.2. Hay niños y adultos con afectaciones de las vías respiratorias, destacando que muchas de estas personas no son fumadoras.3. Han fallecido tres adultos por problemas pulmonares.4. Niñas que permanecían enfermas, se mudaron y sanaron.5. Los acuerdos con la comunidad para avisarle cuando se va a comenzar la combustión para que no tiendan la ropa, no se han cumplido.6. La elevación de la altura de la chimenea no resolvió el problema.7. El horario más crítico es el de las 5:00 a.m.

Conclusiones

El desarrollo del presente estudio permitió arribar a las siguientes conclusiones:1. La caldera de la entidad posee una capacidad de generación superior a las necesidades de la fábrica, lo que aparejado a la falta de hermeticidad del sistema de distribución de vapor provoca un uso ineficiente de este recurso energético.

2. Las presiones de parada y arranque de la caldera son muy cercanas (7 y 8 kgf/cm2, respectivamente), lo que ocasiona frecuentes bocanadas de humo negro que causan molestias a la población.

3. Las concentraciones máximas de los contaminantes presentes en los gases de combustión se encuentran en un entorno de 100 m de la fábrica.

4. El combustible utilizado posee un alto nivel de azufre, lo que provoca concentraciones superiores a la Cma en este entorno.

5. El material articulado supera los parámetros de la norma, ocasionando una disminución de las condiciones de salud de la comunidad.

6. Al no respetarse el radio de restricción sanitaria que exige la Norma Cubana (NC 39/1999) para este tipo de industria (50 m), los máximos niveles de contaminación caen sobre el vecindario aledaño a la industria.

7. La altura de la chimenea no garantiza el cumplimiento de la norma para este tipo de combustible.

8. La situación creada y mantenida durante años ha sido causante del descontento de la comunidad, lo que ha originado un alarmante problema social.

Bibliografía

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FUENTES, EDUARDO; JUAN A. COLÁS, ERNESTO ALDERETE, MIGUEL DÍAZ, NORA LA MAZA  Impacto ambiental por la combustión de petróleo crudo y gas acompañante en calderas de tubos de fuego de la EPEP occidente. Centro de Investigaciones del Petróleo (CEINPET). Ciudad de La Habana, Cuba.

PIRES RIVAS, SATURNINO. «Documentación del Curso de Contaminación Atmosférica». Maestría en Ingeniería de Saneamiento Ambiental. CUJAE, La Habana, 2005.

Autor:

Ing. Ramón Pedrera Valdés

Ing. Adolfo Abreu Barrios,Ing. Alberto Perez Govea

Ing. Robiel Games Reyes

Ing. Esteban González Milians

Centro de Estudio de Energía .Universidad de P. del Río, Cuba.