calderas bagazeras

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”

APLICACIÓN DE UN MODELO DE DISPERSIÓN DE

MATERIAL PARTICULADO GENERADO EN CALDERAS

BAGAZERAS

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO QUÍMICO

POR:

JOSÉ LUIS ORELLANA HERNÁNDEZ

JOSÉ ROBERTO RIVAS ROMERO

JULIÁN VÉLEZ GUILLÉN

OCTUBRE 2009

ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR

JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.

SECRETARIO GENERAL

RENÉ ALBERTO ZELAYA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

MARÍA DOLORES ROVIRA QUEZADA

DIRECTOR DEL TRABAJO

FRANCISCO ARMANDO CHÁVEZ BENÍTEZ

LECTOR

MARTA EUGENIA ESCOTO

DEDICATORIA

Le dedico esta tesis y la toda la carrera completa a Dios, por ser Él el principal autor de

todos los momentos de mi vida y en forma de agradecimiento por todo lo que me ha

regalado.

En segundo lugar, le dedico esta tesis a mi familia, a mi mamá (Estela), a mi papá (Luis) y

a mis tres hermanos (Estelita, Lucia y Elías). Agradezco grandemente el apoyo, el amor y la

entrega que mis papas me han dado, pero agradezco mucho más todo lo que aprendí de ellos

en toda mi vida, que es lo que realmente nos ha forjado como personas a mis hermanos y a

mi, y que en lo personal, estoy seguro que no estaría donde estoy si no fuera por ellos.

Quiero dedicarle también esta tesis a mi novia, Jensy, por haberme apoyado y haberme

animado en los momentos más difíciles y también por haberme comprendido en esos

momentos en los cuales la ingeniería química consumía una buena parte de mi vida.

Al resto de mi familia, en especial por a mis abuelos, por siempre estar pendientes y

confiar en mí. A mi comunidad juvenil católica “Cruzada Eucarística”, porque ha sido uno

de los lugares en donde conocí mucho más a Dios y lo que Él quería de mi vida. A todos

los profesores y todas las personas que trabajan en el Departamento de Tecnología de

Procesos por haber confiado en mi persona al trabajar con ustedes y por demostrar su

amistad en todo momento, en especial al Dr. Francisco Chávez y con los que trabaje más de

cerca, de quienes aprendí muchas cosas.

A mis compañeros de tesis, por el apoyo, la amistad y por el esfuerzo que pusimos en este

trabajo. A todos los que fuimos compañeros de la carrera en algún momento, en especial a

aquellos con los cuales convivimos estos últimos años y llegamos hasta lo último juntos.

José Luis

DEDICATORIA

Quisiera agradecer a mi padres “Shobe y Maritza”, por dejarme ser la persona que soy y

nunca presionarme para seguir sus expectativas. Por apoyarme durante toda mi vida en

especial durante las épocas más difíciles de ésta. Por haberme dado todo lo necesario para

poder llegar hasta este día. A mis hermanos Jorge y Carmen, por haberme soportado todo

este tiempo pero sobre todo por ser los primeros en esforzarse que nuestra relación haya

mejorado. A mis tíos/as, a mi abuela por todo su apoyo y oraciones. De todo corazón

MUCHAS GRACIAS.

Mis amigos del colegio a quienes considero mis hermanos y hermanas (ustedes saben

quienes son) por estar en el momento en el que los necesité y nunca criticarme las

desaparecidas por el estudio. Sólo espero haberlos ayudado de la misma forma en que

ustedes lo hicieron.

A mis amigos de Ingeniería Química, por haber hecho cada reunión de trabajo y de estudio

de lo más divertido en especial al final (los tiempos más estresantes). Nunca olvidaré a

ninguno de ustedes.

A las personas que estuvieron conmigo en algún momento de estos años universitarios y sin

las cuales nunca hubiera llegado hasta aquí, no se imaginan cuanto les debo a ustedes y a

sus familias.

A todos ustedes MUCHAS GRACIAS.

Roberto R. “Bobby”

DEDICATORIA

Dedico estos años de estudio a Dios por haberme brindado esta maravillosa oportunidad; y

a toda mi familia, muy especialmente a mi papa, mi mama y hermano, por haberme

motivado y apoyado en todo momento, y quienes son los verdaderos artífices de este logro.

Agradezco a todo el personal del Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias

Ambientales de la UCA, especialmente al Dr. Francisco Chávez, Ing. Marta Escoto, Ing.

Dolores Rovira, Ing. Oscar Osegueda y Sr. Ismael Recinos con quienes tuve el gusto de

trabajar más de cerca, por compartir sus conocimientos conmigo, darme la oportunidad de

trabajar y motivarme a buscar continuamente el conocimiento.

Agradezco a mis amigos, a los que conocí en la universidad y a los que los conocía desde

antes, por su amistad incondicional y apoyo constante, incluyendo a quienes han realizado

este trabajo de graduación.

A todos los que han contribuido en mi proceso de formación en todos los ámbitos, muchas

gracias.

Julián.

i

RESUMEN EJECUTIVO

El material particulado es uno de los mayores problemas en cuanto a contaminación

atmosférica se refiere y aunque el uso de calderas bagaceras representa un impacto positivo

sobre la contaminación global por producir energía con un biocombustible, a nivel local, la

cenizas provenientes de la combustión de bagazo pueden provocar un gran contaminación

que puede ser incluso más dañina que la contaminación producida por la quema de

combustibles fósiles.

Es por lo anterior que una buena operación de la caldera y un buen sistema de remoción de

partículas en los gases de combustión se torna importante en la medida que se pueda

relacionar la contaminación de los alrededores de la caldera y las variables de operación de

la caldera.

En el presente trabajo se aplica un modelo de dispersión al material particulado que se

genera en una caldera bagacera. Para ello, se modeló una caldera que utiliza bagazo como

combustible y se elaboró un programa para estimar las emisiones de material particulado

total, PM10 y PM2.5.

En la modelación matemática de la caldera para la simulación de la emisión se incluyó una

ecuación que pudiera dar cambios aproximados a la eficiencia cuando se cambian

parámetros tan importantes como el aire en exceso, el flujo de purga o la cantidad de vapor

generado. Con esto, se puede determinar la importancia de mantener la eficiencia en

valores altos, ya que de esta forma se consume menos bagazo y por la misma razón, hay

menos ceniza emitida por la chimenea.

Otro factor muy importante en la emisión de particulado en la caldera son las características

del bagazo como la humedad, el poder calorífico y la cantidad de cenizas. Estas

características afectan en gran medida a las emisiones y es muy importante, desde el punto

de vista medioambiental y económico, que se mantengan en los niveles más óptimos

posibles.

ii

Además, en el presente trabajo, se incluyen algunas variables de operación que permiten

definir a una caldera, como lo son la relación de los alimentadores con la entrada de

bagazo, la abertura del dámper con el flujo de aire y la remoción de partículas. Estas

variables son muy importantes de obtener y en la mayoría de los casos es muy difícil

conocerlas ya previamente establecidas para cada caldera, por lo que es necesario realizar

algunas mediciones en la chimenea y obtener los datos de operación para que a través de

análisis matemático se puedan tener las variables y relaciones antes mencionadas.

Un modelo de dispersión es un conjunto de expresiones matemáticas que intentan

representar como se dispersan los contaminantes en la atmósfera. Uno de los tipos de

modelos que más se utilizan es el que simula a la pluma mediante una función de

probabilidad Gaussiana.

El modelo de dispersión que se utilizó para llevar a cabo este trabajo es AERMOD, el cual

es un modelo de dispersión en estado estacionario desarrollado por la Agencia de

Protección ambiental de Estados Unidos (US EPA) y la Sociedad Americana de

Meteorología, que incluye los conceptos de la capa límite planetaria para el cálculo de las

concentraciones de los receptores.

Para la aplicación del modelo de dispersión a las emisiones generadas en calderas

bagaceras, se creó un “modelo base”, el cual consiste en un ingenio azucarero que cuenta

con una caldera en dónde se quema el bagazo para la producción del vapor requerido por la

fábrica. Bajo las condiciones de operación de la caldera que se establecen en el modelo

base se calcularon las emisiones de particulado total, PM10 y PM2.5 y estos resultados se

introdujeron en el modelo de dispersión para calcular las concentraciones de cuatro

receptores discretos que se colocaron alrededor de la chimenea y se obtiene además un

mapa con las concentraciones en un territorio de un kilómetro cuadrado.

Se llevó a cabo una evaluación de cómo algunas variables influyen en la dispersión de los

contaminantes; para ello, se cambiaron las siguientes variables de operación de la caldera:

humedad de entrada del bagazo, la relación aire/bagazo, la temperatura del agua de

iii

alimentación de la caldera y el flujo de purga del agua del domo. Además se modificaron

variables referentes al modelo de dispersión como son el terreno elevado, la presencia de

edificios y la inclusión de una fuente de línea adicional. Y por último, se tomaron algunas

otras variables que influyen en la dispersión como son la altura de la chimenea, la relación

PM10/PTS y PM2.5/PTS, el porcentaje de ceniza en el bagazo y el poder calorífico del

bagazo.

Se encontró que en las variables de operación de la caldera, cuando las condiciones de

operación hace que disminuya la eficiencia de la misma, las tasas de emisión de los

contaminantes se elevan, sin embargo, esto no necesariamente produce un incremento en

las concentraciones de los receptores debido a que cuando se tiene una nueva tasa de

emisión, también se modifica el flujo y la temperatura de los gases de chimenea dándole

una mayor velocidad y capacidad de flotación a los gases haciendo por lo tanto que se da

una mayor dispersión de éstos produciendo resultados de menor concentración, aún cuando

la emisión haya sido mayor.

Dentro de las variables que se refieren al modelo, el terreno elevado produce valores de

concentración mayores cuando los receptores se encuentran a una altura mayor que la base

de la chimenea, y concentraciones menores cuando se encuentran por debajo de ésta. La

presencia de edificios afecta a la dispersión en la medida en que la altura de estos sea

mayor que la altura de la chimenea, ya que en este caso la pluma choca con ellos y produce

un aumento en la concentración local del material particulado.

Se ha determinado que la inclusión de una fuente de línea que representa las emisiones de

polvo de una carretera no pavimentada por donde transitan las rastras de caña tiene una

gran influencia sobre las concentraciones de los receptores, especialmente en lo que se

refiere a material particulado total.

Con respecto a las variables de porcentaje de ceniza del bagazo y el poder calorífico del

bagazo se observa que cuando las emisiones se incrementan, también lo hacen las

concentraciones de los receptores, a diferencia de lo que sucede con las variables de

iv

operación de la caldera. Esto se debe a que para el porcentaje de ceniza, su cambio no

afecta de forma significativamente al flujo de gases de chimenea; con el poder calorífico

del bagazo se obtuvo que cuando se producen menos emisiones, también se reduce el flujo

de gases por lo en ambos casos, la tendencia a crecer o decrecer que llevan las emisiones,

también lo llevan las concentraciones en el mismo sentido.

Se encontró que las relaciones de PM10/PTS y PM2.5/PTS son directamente

proporcionales a los valores de concentración, ya que cuando estas relaciones aumentan,

también lo hacen las concentraciones de los receptores y cuando estas disminuyen, también

lo hacen las concentraciones. Además, se determinó que la altura de la chimenea influye en

la distancia respecto de la chimenea a la cual se observan las mayores concentraciones, es

decir, que los valores de mayor concentración se alejan cuando se tiene alturas de chimenea

altos y se acercan cuando se tienen alturas de chimenea bajos.

ÍNDICE

RESUMEN EJECUTIVO ........................................................................................................ i

ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................... ix

ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... xiii

SIGLAS ................................................................................................................................ xv

SIMBOLOGÍA ...................................................................................................................xvii

PRÓLOGO ........................................................................................................................... xxi

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1

CAPÍTULO 2: CALDERAS BAGACERAS ......................................................................... 3

2.1 Bagazo de Caña de Azúcar como Combustible ............................................................ 4

2.2 Tipos de Calderas ........................................................................................................ 10

2.3 Descripción de las Partes de una Caldera Bagacera ................................................... 13

2.4 Eficiencia de una Caldera ........................................................................................... 20

2.4.1 Transferencia de Calor Radiante .......................................................................... 22

2.4.2 Parámetros que afectan a la Eficiencia ................................................................ 25

CAPÍTULO 3: MODELOS DE DISPERSIÓN .................................................................... 27

3.1 Características Generales de los Modelos de Dispersión ........................................... 27

3.2 Clasificación de los Modelos de Dispersión de Acuerdo al Método de Dispersión ... 29

3.2.1 Modelos Estadísticos ........................................................................................... 29

3.2.2 Modelos Determinísticos ..................................................................................... 29

3.3 Clasificación de la EPA de los Modelos de Dispersión .............................................. 32

3.3.1 Modelos Recomendados. ..................................................................................... 32

3.3.2 Modelos Alternativos ........................................................................................... 33

3.3.3 Modelos de Exploración ...................................................................................... 34

3.4 Antecedentes en la Implementación de un Modelo de Dispersión Atmosférica en El

Salvador ............................................................................................................................ 36

CAPÍTULO 4: MODELO MATEMÁTICO DE LA CALDERA ....................................... 39

4.1 Consideraciones del Modelo ...................................................................................... 39

4.2 Cálculo de Variables Específicas ............................................................................... 40

4.3 Balance de Materia de la Caldera ............................................................................... 43

4.4 Balance de Energía en la Caldera ............................................................................... 46

4.5 Cálculo del Calor Irradiado ........................................................................................ 49

4.6 Balances en el Domo de Vapor .................................................................................. 50

4.7 Análisis de Resolución de Todo el Sistema ............................................................... 52

CAPÍTULO 5: DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DISPERSIÓN DE

CONTAMINANTES ........................................................................................................... 55

5.1 Generalidades ............................................................................................................. 55

5.2 Modelo Gausiano de Dispersión ................................................................................ 56

5.3 Cálculo de las Concentraciones en AERMOD .......................................................... 57

CAPÍTULO 6: METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE UN MODELO DE

DISPERSIÓN A LAS EMISIONES PROVENIENTES DE CALDERAS BAGACERAS 61

6.1 Metodología del Desarrollo del Programa de Estimación de Emisiones ................... 61

6.2 Metodología de la Aplicación del Modelo de Dispersión con AERMOD ................. 65

6.3 Metodología para la Evaluación de la Influencia de Distintas Variables en la

Dispersión de los Contaminantes ..................................................................................... 68

6.3.1 Cambios en las Variables de Operación de la Caldera ........................................ 69

6.3.2 Cambios en las Variables del Modelo ................................................................. 70

6.3.3 Cambios en Otras Variables ................................................................................ 71

CAPÍTULO 7: RESULTADOS Y ANÁLISIS .................................................................... 73

7.1 Resultados de la Evaluación de las Variables de Operación de la Caldera ................ 73

7.2 Resultados de la Evaluación de las Variables del Modelo ......................................... 81

7.3 Resultados de la Evaluación de Otras Variables que Influyen en la Dispersión ........ 86

CONCLUSIONES ................................................................................................................ 95

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 97

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 99

ANEXO A: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS MODELADAS EN EL

ESTUDIO “DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DEL AIRE; LEVANTAMIENTO DE

FUENTES FIJAS” ....................................................................................................................

ANEXO B: DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE

UNA CALDERA (PEEC) ........................................................................................................

ANEXO C: DATOS METEOROLÓGICOS ............................................................................

ANEXO D: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE LOS MODELOS EVALUADOS ..........

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Porcentaje de Humedad en el Bagazo para la Zafra 08/09 en un Ingenio

Salvadoreño. ........................................................................................................................... 5

Tabla 2.2. Promedios de PCS del Bagazo Seco en El Salvador. ............................................ 6

Tabla 2.3. Composición Química del Bagazo Seco. ............................................................... 7

Tabla 2.4. Composición Química del Bagazo Seco en Ingenio Valdez, Ecuador. ................. 8

Tabla 2.5. Poder Calorífico de Diferentes Combustibles. .................................................... 10

Tabla 2.6. Numeración de Líneas de Flujo en las Calderas Bagaceras. ............................... 15

Tabla 3.1. Valores Máximos Anuales y de 24 Horas para PTS, PM10 y PM2.5 Según la

Norma Salvadoreña de Calidad de Aire. .............................................................................. 37

Tabla 4.1. Coeficientes para la Ecuación de Capacidad Calorífica ...................................... 48

Tabla 6.1. Valores de Entrada al Estimador de Emisiones para Modelo Base. .................... 67

Tabla 7.1. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo Base. .... 73

Tabla 7.2. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad

de Bagazo de 44% ................................................................................................................. 74

Tabla 7.3. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad

de Bagazo de 53% ................................................................................................................. 75

Tabla 7.4. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación

aire/bagazo = 0.9 ................................................................................................................... 77

Tabla 7.5. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación

aire/bagazo = 1.0. .................................................................................................................. 77

Tabla 7.6. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con

Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF .................................................................. 78

Tabla 7.7. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con

Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF .................................................................. 79

x

Tabla 7.8. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de

Purga de 10 ton/h. ................................................................................................................. 80

Tabla 7.9. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de

Purga de 30 ton/h. ................................................................................................................. 80

Tabla 7.10. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con

Terreno Elevado. .................................................................................................................. 81


Edificios de Altura = 20m. ................................................................................................... 83


Edificios de Altura = 50m. ................................................................................................... 83

Tabla 7.13. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una

Fuente de Línea con Emisión de PTS de 0.2 g/s. ................................................................. 85

Tabla 7.14. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una

Fuente de Línea con Emisión de PTS de 0.05 g/s. ............................................................... 85


Altura de Chimenea = 20m .................................................................................................. 86


Altura de Chimenea = 50m .................................................................................................. 87


Distinta Relación de PM10/PTS .......................................................................................... 88


Distinta Relación de PM2.5/PTS ......................................................................................... 88

Tabla 7.19. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.99 y

Porcentajes de Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada

Receptor. .............................................................................................................................. 89

Tabla 7.20. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.80 y


Receptor. .............................................................................................................................. 89

xi

Tabla 7.21. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.30 y


Receptor. ............................................................................................................................... 90

Tabla 7.22. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.60 y


Receptor ................................................................................................................................ 90

Tabla 7.23. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de

Ceniza en Bagazo de 2%. ..................................................................................................... 91

Tabla 7.24. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de

Ceniza en Bagazo de 5%. ..................................................................................................... 91

Tabla 7.25. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder

Calorífico del Bagazo de 4200 cal/g. .................................................................................... 93

Tabla 7.26. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder

Calorífico del Bagazo de 4600 cal/g. .................................................................................... 93

xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.2. Diagrama de Flujo de una Caldera Bagacera. .................................................... 14

Figura 3.1. Esquema de Funcionamiento de Entradas y Salidas de Información en un

Modelo de Dispersión. .......................................................................................................... 28

Figura 3.2. Clasificación de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA)

los Modelos de Dispersión .................................................................................................... 35

Figura 3.3. Valores Máximos Modelados de PTS, PM10 y PM2.5 en el “Diagnóstico de la

Calidad del Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes” para un período de 24 horas.

.............................................................................................................................................. 37

Figura 4.1. Diagrama General de un Ingenio Azucarero y de la Producción de Vapor ....... 39

Figura 4.2. Balance de Cenizas en la Caldera ....................................................................... 42

Figura 4.3. Balance de Materia en el Sistema Global de la Caldera ..................................... 43

Figura 4.4. Balance de Energía en la Caldera ....................................................................... 46

Figura 4.5. Flujos de Entrada y Salida del Domo de Vapor ................................................. 50

Figura 5.1. Representación Esquemática del Modelo de la Pluma de Dispersión Gaussiana.

.............................................................................................................................................. 57

Figura 6.1. Imagen de Presentación del Programa de Estimación de Emisiones de la

Caldera .................................................................................................................................. 65

Figura 7.1. Emisión de PTS en Función de la Humedad del Bagazo de Entrada ................. 74

Figura 7.2. Emisiones de PTS, PM10 y PM2.5 en Función de la Relación aire/bagazo. ..... 76

Figura 7.3. Emisión de PTS en Función de la Temperatura del Agua de Alimentación al

Domo. ................................................................................................................................... 78

Figura 7.4. Emisiones de PTS en Función del Flujo de Purga del Agua del Domo ............. 79

Figura 7.5. Gráfico de Concentración de PTS de los Receptores Discretos con Modelo Base

y con Terreno Elevado. ......................................................................................................... 82

xiv

Figura 7.6. Gráfico de Concentración de PM10 de los Receptores Discretos con Modelo

Base, con Edificios de 20m y con Edificios de 50m. ........................................................... 84

Figura 7.7. Emisión de PM10 en Función del % de Ceniza en el Bagazo ........................... 91

Figura 7.8. Emisión de PM2.5 en Función del Poder Calorífico del Bagazo. ..................... 92

xv

SIGLAS

AERMOD: Aermic EPA Regulatory Model (Modelo Regulatorio de AERMIC y –EPA)

DAC: Descontaminación de Áreas Críticas

EPA: Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados

Unidos)

ICAITI: Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial

ISC Industrial Source Complex (Complejo de Fuentes Industriales)

MARN: Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador.

PCI: Poder Calorífico Inferior

PCS: Poder Calorífico

PCS: Poder Calorífico Superior

PTS: Partículas Totales Suspendidas

SNET: Servicio Nacional de Estudios Territoriales

UES: Universidad de El Salvador

xvii

SIMBOLOGÍA

a,b,c,d: Constantes de la ecuación de la capacidad calorífica.

A: Flujo másico de aire alimentado a la caldera.

Ab: Área efectiva de transferencia de calor del cuerpo negro [pies2].

aG: Absorsividad del gas a Tb.

ai : Pendiente de la regresión lineal para las relaciones.

Atm: Medida de presión en atmosferas.

B: Flujo másico de bagazo alimentado en la caldera.

bi : Intercepto de la regresión lineal para las relaciones.

BTU/lb: Cantidad de calor que el combustible puede producir por unidad de peso en la

combustión.

C: Carbono en el bagazo.

C: Concentración del material particulado [μg/m3].

CC,S(xryrzp): Contribución de la pluma que responde a los efectos del terreno.

CC,S(xryrzr): Contribución de la pluma horizontal.

CC: Flujo másico de partículas por la chimenea (PTS).

CO: Monóxido de carbono.

CO2: Dióxido de carbono.

Cp: Capacidad calorífica de una sustancia.

CR: Libras de combustible por hora por pie cuadrado de superficie proyectada en la sección

radiante.

CT(xryrzr): Concentración total.

D: Abertura en el dámper del tiro forzado [%].

dQ: Diferencial de transferencia de calor.

dT: Diferencial de temperatura.

e: Eficiencia de la caldera.

e': Eficiencia que representa el factor de calor irradiado.

f : Función de peso de la pluma.

FA: Flujo volumétrico de agua de entrada.

Fba: Factor para considerar la geometría del sistema con un cuerpo negro receptor.

xviii

fH: Fracción de hidrogeno en el combustible.

fO2,A: Fracción molar del oxigeno en el aire alimentado.

Fp: Flujo volumétrico de agua de purga.

FRc: Fracción de remoción de partículas del sistema.

ft2: Pies cuadrados.

g/s: Gramos por segundo.

G: Flujo másico de gases de combustión producidos.

g: Gramos.

GA: Libras de aire alimentado por cada libra de combustible.

h: Coeficiente de transferencia de calor.

H: Entalpia [KJ/kg].

H2: Hidrogeno molecular.

H2O: Agua.

HA: Entalpia del aire de entrada.

HB: Entalpia del bagazo de entrada.

HFA: Entalpia del agua de entrada.

HG: Entalpia de los gases de chimenea.

HP: Entalpía del agua de purga.

Hv: Entalpia del vapor generado.

HW: Entalpia del agua de salida en la chimenea.

Kcal/kg: Cantidad de calor que el combustible puede producir por unidad de peso en la

combustión.

Kcal: Kilocalorías.

kg: Kilogramo.

K ii Coeficientes de difusión turbulenta en la dirección de los tres ejes coordenados.

KJ: Kilojoules.

Klb/h: Kilolibras por hora.

lb: Libras.

lbH2O/lb as: Libras de agua por libras de aire seco.

m: Metros.

m3: Metros cúbicos.

xix

Mcen: Flujo de cenizas que entra a la caldera.

MV: Flujo másico de vapor.

NA: Moles de aire seco alimentado a la caldera.

Ni,j: Moles del compuesto o elemento “i” en corriente “j”.

NO: Monóxido de nitrógeno.

NO2: Dióxido de nitrógeno.

NOx: Compuestos nitrogenados.

O2: Oxigeno en el aire.

ºC: Temperatura en grados Celsius.

ºF: Grados Fahrenheit.

ºK: Temperatura en Kelvin.

ºR: Temperatura en Ranking.

Pv: Presión dentro del domo.

Py Función de densidad de probabilidad que describe la dispersión lateral.

Pz Función de densidad de probabilidad que describe la dispersión vertical.

Q`: Tasa de emisión de la fuente.

QF: Calor total liberado por el combustible en la reacción [BTU/h].

Qr: Flujo de transferencia de calor al cuerpo negro por radiación del gas [BTU/h].

QT: Calor liberado por la combustión del bagazo.

Qv: Calor absorbido para calentar el vapor.

R: Flujo de cenizas removidas por el sistema de remoción de partículas.

s: Segundos.

SO2: Dióxido de azufre.

SO3: Trióxido de azufre.

t: Tiempo.

TA: Temperatura en el flujo Alimentación.

Tb: Temperatura del cuerpo negro [ºR].

Tc: Temperatura critica [ºK].

Tf: Temperatura final de los gases de chimenea.

TG: Temperatura del gas [ºR].

Tgo: Temperatura inicial del gas.

xx

Tn: Temperatura normal [K].

ton/h: Toneladas por hora.

Tv: Temperatura de sobrecalentamiento del domo.

Tvap: Temperatura de vaporización del agua.

u: Velocidad del viento.

VA: Velocidad de los alimentadores de bagazo [%].

W: Flujo másico de vapor de salida en la chimenea.

Zp: Altura de un receptor sobre el nivel del suelo.

Zr: Elevación de la base de la chimenea.

Zt: Es la altura del terreno en el punto en que se ubica un receptor.

∆HTn: Calor latente de vaporización normal [KJ/Kg].

∆Hv: Cambio de entalpia del agua líquida a vapor sobrecalentado [KJ/kg].

∆Hvap: Calor latente de vaporización a la temperatura T. [KJ/kg], T [K].

μg: Microgramos.

ЄG: Emisividad del gas a TG.

xxi

PRÓLOGO

En el presente trabajo de graduación se aplica un modelo de dispersión al material

particulado generado en calderas bagaceras. Esta aplicación consta de dos grandes

secciones que son:

1. Desarrollo de un programa estimador de emisiones de una caldera bagacera en

LabViewTM

Este programa estima las emisiones procedentes de la quema del bagazo en calderas

bagaceras, introduciendo datos iniciales de operación e información adicional como

composición del bagazo y temperaturas entre otros. Los resultados que se obtienen de esta

simulación serán los necesarios para introducirlos al modelo de dispersión y además, se

incluyen otros resultados que puedan ser interesantes para que el lector, como la eficiencia

de la caldera, el aire en exceso, cantidad de bagazo quemado, etc.

2. Aplicación del modelo de dispersión utilizando el programa ISC-AERMOD View a las

emisiones calculadas.

Mediante este software se lleva a cabo la simulación de la dispersión del material

particulado que se emite a través de las chimeneas de las calderas bagaceras. El resultado

que se obtiene de esta simulación son los mapas de concentración que se presentan en el

Anexo D y los valores puntuales de concentración para los receptores discretos definidos

los cuales se presentan en el capítulo de resultados.

En el marco de lo anterior, el trabajo se ha dividido en 8 capítulos, dentro de los cuales los

primeros tres se refieren al fundamento teórico; en el Capítulo 1 se hace una introducción

explicando en qué consiste el trabajo y la importancia del mismo, en el Capítulo 2 se

explica el funcionamiento de una caldera bagacera y las propiedades que tiene el bagazo

como combustible y en el Capítulo 3 se habla acerca de los modelos de dispersión, sus

características y clasificaciones finalizando con algunos antecedentes de la implementación

de modelos de dispersión en El Salvador.

xxii

Los modelos matemáticos, tanto el utilizado en la simulación de la caldera, como el que

sirve de base al programa AERMOD se explican en el Capítulo 4 y 5. En el Capítulo 4 se

plantea el modelo y las ecuaciones de balance de materia y energía de la caldera bagacera

que se ha simulado para obtener las emisiones de material particulado; mientras en el

Capítulo 5 se explican las principales consideraciones que presenta AERMOD en la

simulación de la dispersión.

La metodología a seguir para aplicar el modelo de dispersión a las emisiones generadas en

una caldera bagacera se explican en el Capítulo 6, asimismo se explica cómo se lleva a

cabo la evaluación de distintas variables que influyen en la dispersión del material

particulado, tanto variables que tienen que ver con el modelo de dispersión, como variables

que tienen que ver con la operación de la caldera.

Los resultados de la aplicación de los modelos y análisis de estos se presenta en el Capítulo

7. Finalmente en el Capítulo 8 se presentan las conclusiones obtenidas de la modelación y

recomendaciones para futuras investigaciones en temas relacionados.

1

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

En El Salvador, uno de los mayores problemas relacionado con la contaminación

atmosférica es el material particulado. De acuerdo a la simulación de la calidad del aire

realizada en el estudio “Diagnóstico de la Calidad del Aire. Levantamiento de Fuentes

Contaminantes” en el Área Metropolitana de San Salvador se sobrepasa el máximo anual

permitido por la norma salvadoreña obligatoria.

En el sector industrial, y específicamente en la industria de la caña de azúcar, las emisiones

de material particulado provenientes de la quema del bagazo son de mucha relevancia tanto

para las autoridades, como para la población y también para los ingenios. La cantidad de

particulado que se emite a través de las chimeneas y la forma en que estas partículas se

dispersan en el medio puede tener repercusiones en la salud de los habitantes de las

comunidades vecinas a las instalaciones industriales, por lo que existe una norma nacional

de calidad del aire que establece los límites máximos permitidos de las concentraciones de

varios contaminantes.

El presente estudio realiza una simulación del funcionamiento de una caldera bagacera con

el objetivo de determinar las emisiones de material particulado y algunos otros parámetros

que sirvan de entrada a un modelo de dispersión que determina las concentraciones de PTS

(partículas totales suspendidas), PM10 y PM2.5.

Para la simulación de la caldera se desarrolló un programa informático en el cual se utilizó

el lenguaje de programación de LabViewTM y para la aplicación del modelo de dispersión

se utilizó el programa ISC-AERMOD View.

En las simulaciones que se llevan a cabo se estudia la forma en que algunas variables de

operación de la caldera influyen en la dispersión de los contaminantes, lo cual puede ser

utilizado como una herramienta para orientar las mejoras en la operación de una caldera

bagacera con el objetivo de reducir las emisiones de partículas.

2

El estudio de la operación de las calderas y la dispersión de los contaminantes es de suma

importancia con miras a reducir el problema que constituye el material particulado en la

contaminación atmosférica y el objetivo del presente estudio es dar una primera

aproximación para que se aplique a las condiciones reales de cada ingenio azucarero estos

modelos y puedan estimarse las concentraciones y mejorarse las operaciones de la caldera y

reducir así el impacto de las actividades industriales en la salud de las personas.

3

CAPÍTULO 2: CALDERAS BAGACERAS

Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor

de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan o calientan el agua para

aplicaciones industriales.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada

posteriormente por James Watt en 1776. Al inicio fueron empleadas como máquinas para

accionar bombas de agua de cilindros verticales. Las máquinas de vapor fueron las

impulsoras de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo (XIX) y continúa hasta

el nuestro [UPB, 2002].

Las calderas bagaceras son solo un tipo de calderas las cuales tienen por característica el

uso del bagazo de caña de azúcar como combustible para la generación de vapor. El bagazo

que se utiliza para la combustión y que se describirá con más detalle en este capítulo, es el

residuo que se genera luego de habérsele extraído la mayor cantidad de agua y azúcar a la

caña.

La energía producida por esta combustión sirve para calentar agua y convertirla en vapor

sobrecalentado a altas presiones que luego es dividido para ser utilizado en diferentes

máquinas del ingenio como molinos, turbobombas y los turbogeneradores. Los

turbogeneradores se utilizan para la extracción de la energía que lleva el vapor y la

transformación a energía eléctrica. Luego de haberse extraído gran parte de la energía en el

turbogenerador, queda un vapor saturado a baja presión, el cual es utilizado para el

calentamiento en otros equipos de la fábrica.

Las calderas bagaceras son de vital importancia para los ingenios azucareros tanto

económica como medioambientalmente, ya que se puede producir energía de una forma

relativamente económica, quemando un desecho propio de la fábrica y el cual no

contribuye a la emisiones globales de dióxido de carbono.

4

2.1 Bagazo de Caña de Azúcar como Combustible

En los ingenios azucareros de El Salvador, la materia prima que es utilizada en la

actualidad como combustible para la producción de vapor, que luego pasa a los

turbogeneradores para generar energía eléctrica, es el bagazo de la caña de azúcar, el cual

es un subproducto de la obtención de azúcar.

El bagazo se comenzó a utilizar como un complemento de los combustibles fósiles que eran

usados para el funcionamiento de la planta de producción, pero con el tiempo, al aumentar

las capacidades de procesamiento de caña de azúcar en los ingenios salvadoreños, la

producción de bagazo también aumento por lo que logró sustituir completamente a dichos

combustibles, que aunque con mayor aporte energético, en el aspecto económico no podían

competir con el bagazo.

En un ingenio salvadoreño se conoce que la cantidad de bagazo que se genera es alrededor

del 24.5% de la cantidad de caña que se procesa. Estos valores se apegan a datos

bibliográficos, los cuales rondan entre 24-28% del peso de la caña [Hugot, 1964].

Este bagazo generado está compuesto principalmente por material insoluble (o fibra de

bagazo), agua, cenizas y sustancias en solución como azúcar y otras impurezas.

De las características anteriores, la humedad del bagazo es la propiedad física más

importante del bagazo en lo que respecta a su calidad de combustible para las calderas. En

ingenios alrededor del mundo se manejan promedios que van de un 44% hasta 50% para las

plantas más modernas [Chen, 1991]. Este porcentaje de humedad depende de la eficiencia

de los molinos en el momento de la extracción del jugo de caña.

En El Salvador se conocen más de un centenar de clases de caña de azúcar las cuales no son

separadas en el momento de la molienda por lo que las propiedades del bagazo que se

genera es la representación de la mezcla de todas estas clases. En la Tabla 2.1 se muestran

5

los valores del porcentaje de humedad del bagazo generado en un ingenio azucarero en El

Salvador.

Tabla 2.1. Porcentaje de Humedad en el Bagazo para la Zafra 08/09 en un Ingenio Salvadoreño.

[UES, 2009]

Mes Promedio (%)

Noviembre 52,018

Diciembre 51,391

Enero 48,373

Febrero 47,508

Marzo 48,248

Abril 48,300

Promedio Total (%) 49,306

Además del agua, en el bagazo se encuentran materiales insolubles como la celulosa que es

la que constituye la fibra del bagazo y que representa alrededor del 50% del peso de

bagazo. También hay pequeñas cantidades de azúcares solubles que van desde un 2% hasta

un 5% en peso de bagazo [Hugot, 1964].

La fibra es lo que le da el valor energético al bagazo para poder utilizarlo como

combustible para calderas. Este valor energético es medido a través del poder calorífico

(PC), que es la cantidad de energía que el combustible puede producir por unidad de peso

en la combustión, las unidades más comunes son BTU/lb y Kcal/kg para el Sistema Ingles

y el Sistema Internacional, respectivamente. La determinación de la energía producida se

hace mediante dos poderes caloríficos distintos [Hugot, 1964]. Estos se definen a

continuación.

Poder Calorífico Superior (PCS): Es el calor producido por un kilogramo de combustible

cuando la combustión se lleva a cabo a condiciones estándar, llevando todos los productos

también a estas condiciones y suponiendo que el vapor producido se condensa.

6

Poder Calorífico Inferior (PCI): Llamado también Poder Calorífico Neto. Este poder

calorífico supone que el agua producida se encuentra en forma de vapor y, al igual que el

PCS, los productos se encuentran a condiciones estándar.

De lo anterior se puede notar que la diferencia entre los poderes caloríficos es la energía de

vaporización del agua, por lo que resulta muy fácil relacionar estos dos valores. La

Ecuación 2.1 presenta la relación entre los dos poderes caloríficos en unidades de calorías

por cada gramo de combustible [cal/g], donde en la mayoría de los casos se cuenta con el

PCS ya que este es obtenido en los análisis de laboratorio.

HfPCSPCI 400,5−= (Ec.2.1)

Donde, fH: fracción de hidrogeno en el combustible seco

Chen [1991] presenta resultados del PCS obtenidos en estudios anteriores para la caña

producida en diferentes partes del mundo como Cuba, Luisiana, Hawai, Puerto Rico y

Australia. A partir de estas pruebas se estableció que el PCS del bagazo ronda entre valores

de 4550 a 4660 Kcal/kg.

En El Salvador, al igual que en el caso de la humedad en el bagazo, los valores de PCS son

un promedio del bagazo producido de los lotes de caña que se procesan. La Tabla 2.2

presenta los valores promedio que se obtuvieron de un ingenio salvadoreño.

Tabla 2.2. Promedios de PCS del Bagazo Seco en El Salvador.

[UES, 2009]

BTU/lb Kcal/kg

Enero 8308,89 4616,05

Febrero 7014,76 3897,08

Marzo 7672,59 4262,55

Promedio Total 7665,41 4258,56

7

Otro aspecto que es muy importante estudiar es la composición química del bagazo, la cual

no muestra variaciones muy notables entre diferentes tipos de bagazo en relación a

investigaciones realizadas por diferentes autores. En la Tabla 2.3 se muestran las

composiciones presentadas por Hugot [1964] haciendo referencia a estas investigaciones.

Tabla 2.3. Composición Química del Bagazo Seco.

[Hugot, 1964]

N. Deer

Tromp

[1938]

Kelly

[1938]

Davies

[1947]

Gregory

[1944]

Carbono 46,5 44 48,5 47,9 49

Hidrogeno 6,5 6 6 6,7 7,4

Oxigeno 46 48 43,3 45,4 41,8

Cenizas 1 2 2,2 1,8

Total (%) 100 100 100 100 100

Otros autores también hacen referencia a componentes que se encuentran en pequeñas

cantidades tales como el Nitrógeno (N) y al Azufre (S), que aunque se encuentren en

cantidades que se consideran como mínimas, son estos componentes, provenientes de la

combustión del bagazo, los que representan los mayores efectos negativos para el medio

ambiente. En la Tabla 2.4 está la composición que presenta Díaz [2008], los análisis

hechos son en base al bagazo seco generado en el Ingenio Valdez en Ecuador y en esta se

puede observar la poca cantidad de nitrógeno y azufre que el combustible posee.

Por otra parte, el contenido de cenizas en el bagazo, predominantemente compuestas por

óxidos de aluminio, calcio, hierro y silicio [Manahan, E., s.f], es relativamente bajo como

se muestra en la Tabla 2.3 y Tabla 2.4, pero este porcentaje puede aumentar debido a la

mecanización de la cosecha y si ésta se realiza en periodo de lluvia se puede elevar hasta

valores de 12 a 15 por ciento. Este porcentaje es muy determinante en la generación de

material particulado ya que, junto con la eficiencia de remoción de cenizas del sistema

8

determinan el flujo de partículas que saldrán por la chimenea de la caldera después de la

combustión.

Tabla 2.4. Composición Química del Bagazo Seco en Ingenio Valdez, Ecuador.

[Díaz, 2008]

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Hidrogeno 5.03 5.02 4.99

Carbono 47.50 47.61 47.94

Nitrógeno 0.35 0.35 0.34

Oxigeno 42.51 42.54 42.24

Azufre 0.50 0.51 0.50

Humedad 0.00 0.00 0.00

Ceniza 4.11 3.97 3.99

Total (%) 100 100 100

La combustión del bagazo genera gases propios de esta reacción así como también restos de

material particulado que están compuestos principalmente de cenizas (provenientes del

bagazo) y, en menor parte, por carbono que proviene de las partes fibrosas del bagazo que

no se logran quemar totalmente.

Los gases de combustión, por otro lado, están compuestos por dióxido de carbono,

compuestos orgánicos volátiles (generados por una combustión incompleta), oxigeno

(proveniente del exceso de aire para la combustión), vapor de agua (generado por la

combustión y de la humedad que se encuentra en el bagazo) y nitrógeno molecular que se

añade en el aire y el cual se considera, para efectos del balance de masa y energía, que no

reacciona en óxidos de nitrógeno durante la combustión. Las ecuaciones químicas que

representan los productos gaseosos generados por la combustión del bagazo se muestran en

la Ecuación 2.2 hasta la 2.4.

� + �� → �� (Ec.2.2)

9

�� + �� → �� (Ec.2.3)

Alternativamente también se considera la ecuación química para la generación de

monóxido de carbono (Ecuación 2.4).

� + �� → �� (Ec.2.4)

La ecuación anterior para la generación de monóxido de carbono libera menos energía que

la reacción de generación de dióxido de carbono, es por esto que a medida que se genera

más monóxido se disminuye la energía suministrada al sistema.

En el aspecto ambiental, los gases provenientes de la combustión del bagazo contienen

menos contaminantes que los gases de los combustibles fósiles ya que éstos tienen

compuestos sulfurosos (SO2 y SO3), varios hidrocarburos y otros componentes en bajas

concentraciones que no poseen los gases provenientes de la quema del bagazo. Los

compuestos de azufre y de nitrógeno son los causantes de las lluvias acidas provocando

muchos daños en los alrededores a las fuentes de emisión de dichos gases.

Aunque las emisiones de partículas son menores en los combustibles fósiles, el daño que

los gases tóxicos provocan es bastante alto para los cuales los tratamientos no siempre son

muy eficientes o demasiado costosos para la industria salvadoreña. En cambio, la

tecnología en el tratamiento de material particulado producido por la combustión es muy

avanzada, por lo que el daño provocado por el material particulado de la quema de biomasa

podría no ser comparable al efecto negativo de los gases de combustión por la quema de

combustibles fósiles.

En la eficiencia energética, el combustible fósil posee un poder calorífico muy superior en

comparación al del bagazo de caña, lo que provoca que la eficiencia térmica de la caldera

aumente. En la Tabla 2.5 se muestran los poderes caloríficos de diferentes combustibles

fósiles, además del valor correspondiente al bagazo de caña.

10

A partir de estas diferencias de aprovechamiento energético se basa actualmente el precio

del bagazo de caña en relación a otros combustibles y siendo el bagazo un subproducto de

la producción de azúcar en el ingenio no se incurre en un gasto para su uso. Desde el punto

de vista económico, lo anterior es lo que incentiva el uso del bagazo como combustible

para las calderas, aunque en varios ingenios en el mundo se usa una mezcla de ambos

(Bagazo y Combustible Fósil).

Tabla 2.5. Poder Calorífico de Diferentes Combustibles.

[Chen, 1991]

Combustible Poder Calorífico

Superior

Aceite 4600 Kcal/kg

Gas Natural 8800 Kcal/m3

Carbón Bituminoso 6700 Kcal/kg

Bunker Nº6 9596 Kcal/l

Bagazo 4660 Kcal/kg

2.2 Tipos de Calderas

Para que las calderas cumplan su función se han diseñado diferentes configuraciones y

variaciones, especialmente de dos tipos, calderas pirotubulares y acuatubulares [ICAITI,

1981]. Sin embargo, en la actualidad se conocen diferentes tipos de calderas, las cuales se

clasifican dependiendo de diferentes criterios, como las características físicas que posea o

del camino que se sigue para la transferencia de energía del combustible hacia el agua. La

Universidad Pontificia Bolivariana presentó en el 2002 una clasificación de los tipos de

hornos basada en los criterios antes mencionados. A continuación se presentan las

clasificaciones más importantes para este trabajo.

11

a. Por la Disposición de los Fluidos

− Pirotubulares

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un

combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua

de la caldera.

El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por

radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen

el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y

convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular,

se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en

cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se

logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio

térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea [Pull, 1977].

− Acuatubulares:

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula

por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines

que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden

estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el

sobrecalentador, recalentador, economizador, etc.

Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o

solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo

la zona de radiación de la caldera.

Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través

del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de

convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la

chimenea.

12

En la Figura 2.1 se muestra un ejemplo de una caldera acuatubular.

Figura 2.1.Caldera Acuatubular Industrial.

Fuente: [Golato, M; et. al; 2005]

b. Por el Combustible Empleado

− Combustibles Sólidos

− Combustibles Líquidos

− Combustibles Gaseosos

− Combustibles Especiales (Bagazo, Licor Negro, etc.)

− Mixtas

− De Recuperación de Calor de Gases

c. Por el Tiro

− De Tiro Natural: el aire necesario para la combustión es tomado del aire de los

alrededores de donde está instalada la caldera. En este tipo de calderas los gases son

13

expulsados por el efecto de la diferencia de presión provocado por la chimenea

[Pull, 1977].

− De Hogar Presurizado: las hay de dos configuraciones, en sobrepresión y en

depresión. En el primer caso, una corriente de vapor recalentado es alimentado a la

caldera por debajo de la parrilla por medio de un sistema mecánico (Tiro Forzado)

generando presión en el interior de la caldera. En el segundo los gases se succionan

hacia el ambiente por medio de un ventilador (Tiro Inducido), en este caso los

gases poseen mayor velocidad de salida [Pull, 1977].

− De Hogar Equilibrado: la alimentación de aire y la salida de los gases de

combustión se hace de forma mecánica (Tiro Forzado y Tiro Inducido,

respectivamente), por lo que la presión dentro de la caldera es equilibrada por estas

dos corrientes de flujo. Este equilibrio se mantiene en una depresión (presión

negativa) para asegurar que los gases viajen hasta la chimenea [Pull, 1977].

2.3 Descripción de las Partes de una Caldera Bagacera

La estructura de una caldera bagacera, desde la alimentación del bagazo hasta la salida de

los gases por la chimenea, se presenta en el diagrama de flujo de la Figura 2.2. Además, en

la Tabla 2.6 se presentan los nombres de cada línea de flujo mostrada en el diagrama de

dicha figura.

El bagazo procedente de los molinos entra al hogar de la caldera por medio de varios

alimentadores rotativos, llamados alimentadores de bagazo. Este tipo de alimentador posee

dos rodos que a medida que giran van permitiendo que el bagazo entre a una velocidad

proporcional al giro de ellos.

Luego el bagazo para al hogar u horno de la caldera, que es el lugar donde se lleva a cabo la

combustión del bagazo, y comprende todo el espacio entre la base de caldera (a la que se le

14

llama parrilla) y hasta el punto antes de los ceniceros [Hugot, 1964]. En esta definición el

economizador y el precalentador son parte del hogar de la caldera; sin embargo, en la

descripción que se hará se ha tomado como equipos separados para una mejor

visualización.

Posteriormente, los gases de combustión y las cenizas salen de caldera por una diferencia

de presión (producida por un tiro inducido) intercambiando calor con los tubos que

conducen el agua hacia el domo de vapor y pasando luego (los gases) al precalentador y al

economizador. Por último, los gases pasan por un sistema de remoción de partículas y

posteriormente salen, impulsados por el mismo tiro inducido, a través de la chimenea. Lo

anterior se explicará con un poco más de detalle más adelante.

Figura 2.2. Diagrama de Flujo de una Caldera Bagacera.

15

Hugot [1964] presenta los que son considerados como los principales tipos de hornos para

el uso de bagazo como combustible. Estos tipos de hornos son los siguientes:

Horno de Gradilla: La parrilla está compuesta por placas de fundición, dispuestas en

escalones con una inclinación de 52 grados. La parrilla está dividida en tres partes.

Tabla 2.6. Numeración de Líneas de Flujo en las Calderas Bagaceras.

Corriente Descripción

1 Alimentación de Bagazo

2 Aire Atmosférico de Entrada al Ventilador de Turbulencia

3 Aire Turbulencia después del Ventilador de Turbulencia

4 Aire de Entrada (Overfire) después del Precalentador

5 Aire de Entrada después del Precalentador

6 Salida de Vapor

7 Salida de Ceniza del Horno

8 Gases de Combustión después del Horno

9 Salida de Aire después del Precalentador

10 Aire Atmosférico de Entrada al Ventilador de Aire Forzado

11 Aire de Entrada al Precalentador después del Ventilador de Tiro Forzado

12 Gases de Combustión después del Precalentador

13 Entrada de Agua al Economizador desde Deaireador

14 Entrada de Agua al Domo Inferior desde el Economizador

15 Salida de Gases de Combustión después del Economizador para Entrada

al Cenicero

16 Salida de Ceniza del Cenicero

17 Gases de Gases de Combustión después del Cenicero

18 Salida de Ceniza del Scrubber o Ciclón

19 Salida de Gases de Combustión después del Scrubber o Ciclón

20 Gases de Combustión después del Ventilador de Tiro Inducido

21 Salida de Gases de Combustión de la Chimenea

16

Las tres partes en la que se divide la parrilla del horno de gradilla son:

− Parte Superior o Placa Anterior, es sin gradas ni aberturas para el paso del aire y en

la que el bagazo se seca antes de pasar a la parrilla

− Gradas de Fundición, es aquí donde se quema el bagazo. El espaciado de entre las

gradas está relacionado con la cantidad de aire que debe pasar entre el bagazo para

lograr el nivel de combustión deseado.

− Cenicero, es en la parte inferior de la parrilla que es donde finaliza la combustión

por lo que las cenizas se retienen en este punto.

Horno Cook: En este horno el bagazo cae directamente al hogar de la caldera que es en

forma de herradura, que además es también otro nombre para este tipo de hornos. La

entrada de aire se hace por debajo y en los alrededores del horno para que el bagazo que

entra se acumule formando una montaña para luego entrar en combustión, que cuando se

consume las cenizas caen en los alrededores.

Horno Ward: Al igual que en los Hornos Cook, el bagazo es apilado en la parrilla por la

cual se hace pasar una corriente de aire para hacer que se queme el bagazo. La mejora de

diseño de los Hornos Ward con otros tipos es el hecho de que el horno está colocado bajo la

superficie de calentamiento. Para mantener el calor del horno dentro de éste, el área de

direccionamiento de los gases es limitada por dos arcos opuestos entre sí dejando un

espaciamiento de cincuenta centímetros a lo ancho del horno.

Horno Distribuidor: La alimentación del bagazo a este tipo de hornos es lo que constituye

la característica más notable. La entrada de bagazo se realiza por medio de una caída; pero

conjuntamente se está alimentando aire por debajo de esta caída de bagazo provocando que

el bagazo quede suspendido dentro del horno, durante este lapso de tiempo el bagazo se

quema para que las cenizas se depositen luego sobre la superficie de la parrilla.

17

Domos de agua

Las calderas cuentan con domos superiores y domos inferiores, también llamados domos de

vapor y domos de agua respectivamente. Estas dos cámaras se encuentran interconectadas

por los tubos en los cuales el agua y los gases intercambian calor en el hogar de la caldera

para producir el vapor a las condiciones determinadas. El vapor es dirigido hacia los

turbogeneradores, los cuales se encargan de extraerle la mayor parte de la energía que

posee para convertirla en energía eléctrica.

Precalentador y Economizador

Como se mencionó anteriormente, estas dos partes de la caldera suelen tomarse en algunos

casos como parte del hogar de la caldera y cuyas funciones son intercambiar calor con los

gases provenientes de la combustión. El precalentador intercambia calor con el aire

alimentado por el tiro forzado mientras que el economizador intercambia con el agua de

alimentación proveniente de los deaireadores.

Tiro forzado

El aire que pasa por el alimentador es aire atmosférico que es impulsado por un ventilador

al cual se le llama tiro forzado. El intercambio de calor en el precalentador, permite que el

aire ingrese a una mayor temperatura que la del ambiente. Luego, el aire es dividido en dos

flujos para ser introducidos tanto en la parte de arriba como en la parte de abajo de la zona

de combustión del hogar de la caldera, esto se hace con el objetivo de que el bagazo se

quede en suspensión mientras se quema, mejorando de esta forma la combustión. El aire

que ingresa en la parte alta de la caldera es llamado overfire y el que ingresa por la parte

baja es llamado forzado.

En el cuarto de control, el tiro forzado se mide en función del porcentaje de abertura del

dámper, de tal forma que para un porcentaje definido de abertura se introduce una cantidad

definida de aire para la combustión.

El aire introducido está relacionado con la cantidad de aire que se necesita para quemar el

bagazo, de tal forma que existe una relación entre el porcentaje de la velocidad de los

18

alimentadores y la del dámper del tiro forzado. Esto se presenta en el control como

Relación Aire/Bagazo.

Tiro inducido

El tiro inducido es un ventilador que se encarga de realizar el vacío dentro del sistema,

succionando los gases y lanzándolos con mucha velocidad a través de la chimenea la cual

se encuentra justo después del tiro.

Sistemas de Tratamiento Material Particulado

Adicionalmente a la caldera, se instalan equipos de tratamiento para la disminución de la

concentración de algunos de los gases y del material particulado que es emitido a la

atmósfera proveniente de la combustión.

En el caso de las calderas bagaceras el equipo de tratamiento es principalmente dirigido al

control de las emisiones de partículas, debido a que la combustión del bagazo no produce

las cantidades de compuestos químicos que en comparación emiten los combustibles fósiles

(compuestos nitrogenados y sulfurados).

El diseño de los equipos de tratamiento es en función de las características del flujo que

transporta las partículas, ya que, por ejemplo, el mecanismo de limpieza en algunos equipos

depende de la velocidad de este flujo de gases o de los tamaños de las partículas que viajan

en él. En la industria, los equipos de tratamiento de material partículas más usados son

[Bonato, 2000]:

− Cámara de Sedimentación por Gravedad

En este tipo de equipos el flujo de gases es dirigido a una cámara de grandes dimensiones

para que la velocidad del flujo disminuya, para favorecer que las partículas de mayor

tamaño precipiten. Dentro de la cámara se colocan placas inclinadas en la dirección del

flujo para ayudar a que las partículas pierdan velocidad, y así limitar los tamaños de las

cámaras.

19

La eficiencia de las Cámaras de Sedimentación es de alrededor del 30%, reteniendo las

partículas mayores a 25 micras. Debido a lo anterior se acostumbra usarlas como

pretratamiento antes de que ingrese a otros equipos con mayor eficiencia de remoción.

− Ciclones

Debido a la velocidad con que se mueve el flujo de gases y partículas al entrar en el ciclón,

que posee forma circular, describen una trayectoria en espiral. Durante este movimiento,

sobre las partículas actúa una fuerza centrifuga provocando que las partículas choquen

contra la pared del ciclón y pierdan velocidad. La corriente de gases luego de ser tratado

sale por la parte superior del equipo.

Los ciclones poseen una eficiencia de remoción, que varía en función del peso y el tamaño

de las partículas, que va desde un 30% hasta un 90% para partículas de tamaños entre 5 y

20 micras.

− Separadores Húmedos

En estos equipos la separación se hace por medio de una corriente de agua que se esparce

en forma de gotas finas al flujo que lleva las partículas. La dirección de la corriente de agua

puede ser en contracorriente o en corriente paralela en relación al flujo de gases. El único

propósito del líquido es arrastrar las partículas hasta la parte inferior del equipo.

La eficacia de este tratamiento es dependiente del grado de contacto que tenga el agua con

las partículas, por lo que es importante controlar el grado de atomización del líquido y el

tiempo de contacto entre los dos flujos. En buenas condiciones de funcionamiento se puede

lograr hasta un 99% de remoción de partículas.

− Precipitadores Electrostáticos (Electrofiltros)

Este sistema está basado en que las partículas que se transportan en la corriente gaseosa

pasan a través de un campo eléctrico elevado, de entre 20000 a 800000 voltios, adquiriendo

carga negativa y son atraídas por unas placas cargadas positivamente, para luego ser

recogidas por mecanismos apropiados.

20

Luego de este tipo de tratamiento el flujo de salida baja hasta concentraciones de 20

mg/Nm3. Los niveles de eficiencia rondan el 95% para partículas muy finas (2 micras) y de

un 99.9% para partículas finas (10 micras).

− Filtros de Mangas

Están compuestos por mallas de alambre en forma de bolsas cilíndricas que están

recubiertas por filtros. Estas bolsas están en una cámara donde la corriente que lleva las

partículas es forzado a atravesarlas, desde afuera hacia adentro de las bolsas, quedando las

partículas retenidas en el lado externo para luego ser recogidas en la parte inferior de la

cámara.

Aunque los poros de estos filtros son de alrededor de 50 micras, pueden llegar a retener

partículas de hasta 0.1 micras debido a la capa de polvo que se forma en la superficie. Lo

anterior hace que la eficiencia alcance valores cercanos a 99.9%.

Chimeneas

Las chimeneas tienen la función de conducir los gases que han sido impulsados por el tiro

inducido hacia la atmósfera y de esta forma evitar la acumulación de gases y partículas

alrededor de la caldera. En el Capitulo 7.3 se demuestra el efecto de las alturas de la

chimenea para la dispersión del material particulado emitido por la caldera.

2.4 Eficiencia de una Caldera

La eficiencia de la caldera se define como la razón entre el calor absorbido por el vapor

producido y la energía total disponible suministrada por el bagazo. La eficiencia esta

expresada de la siguiente forma:

T

V

Q

Qe =

(Ec.2.5)

21

Donde,

Qv: calor absorbido para calentar el vapor

QT: calor liberado por la combustión del bagazo

Debido a que QT teórico depende del poder calorífico del bagazo, el cálculo de la eficiencia

de la caldera dependerá también del poder calorífico que se utilice, de forma que se pueden

presentar dos valores distintos de eficiencia para el funcionamiento de una misma caldera

dependiendo si se toma el PCS o el PCI. Los PCI por ser más bajos que los PCS dan

eficiencias más altas dependiendo de la cantidad de hidrogeno que posea el combustible.

Hugot [1964] menciona que la eficiencia con respecto al poder calorífico superior (PCS)

puede variar entre el 50% y el 65%.

La razón por la cual la caldera no transfiere toda la energía disponible al vapor es porque

existen otros flujos de energía que existen en todas las calderas y que mantienen los niveles

de eficiencia por debajo del 100%. Estas pérdidas de eficiencia se deben a 5 factores

[ICAITI, 1981]:

1. El calor arrastrado por los gases secos calientes en la chimenea

Mientras más alta es la temperatura de salida de los gases en la chimenea, más se considera

que es la disminución en la eficiencia. Para contrarrestar este efecto negativo los gases

luego de salir del hogar de la caldera se introducen al precalentador y al economizador.

2. La energía que se utiliza para generar el vapor presente en los gases calientes

El vapor resultante es producido por la combustión del hidrógeno que contiene el

combustible, la humedad del combustible y la humedad presente en el aire alimentado. El

valor más predominante para el caso de la caldera bagacera es la humedad que tiene el

combustible.

22

3. Combustible no quemado y productos de la combustión incompleta.

Estas pérdidas son provocadas por las cantidades de combustible que son arrastrados por

los desechos de la combustión, ya sea en los gases de salida o en la limpieza de la parrilla

del horno. En el caso de la combustión incompleta, las pérdidas son provocadas porque la

energía liberada en la generación de monóxido de carbono es menor a la que se obtiene en

la generación de dióxido de carbono

4. Perdidas de calor por radiación en la caldera.

Estas pérdidas comprenden, el calor irradiado a la sala de calderas sino que también el calor

que se pierde por convección hacia el aire ambiente que está en contacto con las paredes de

la caldera.

5. El calor perdido en la purgas de agua de la caldera.

En determinados momentos de tiempo o continuamente, se realiza una purga del agua que

se alimenta a la caldera por lo que la cantidad de calor que se debe transferir para producir

la misma cantidad de vapor es variable.

Para comprender más acerca de la eficiencia, es necesario entender más el proceso de

transferencia de energía hacia los tubos o los domos de agua, a esto se le conoce como

transferencia de calor radiante y se definirá a continuación.

2.4.1 Transferencia de Calor Radiante

El calor que absorbe el vapor (Qr) es el calor irradiado por los gases de combustión en el

hogar de la caldera. En el caso que no exista purgas de agua en el domo de vapor, el calor

radiante que se da en una caldera será igual al calor necesario para sobrecalentar el vapor.

La ecuación general para la transferencia de calor puede representarse en la Ecuación 2.7

[Kern, 1965]:

23

= �. �� ∗ �� ∗ �� ∗ � �� − �� ∗ � ��

�� ∗ �� (Ec. 2.7)

Donde,

Qr: carga de transferencia de calor al cuerpo negro por radiación del gas [BTU/h]

Ab: área efectiva de transferencia de calor del cuerpo negro [ft2]

aG: absorsividad del gas a Tb

Fba: factor para considerar la geometría del sistema con un cuerpo negro receptor

TG: temperatura del gas [ºR]

Tb: temperatura del cuerpo negro [ºR]

ЄG: emisividad del gas a TG

Se puede observar en la Ecuación 2.7, que un cambio en la temperatura de los gases

provocará un cambio grande en el calor transferido por radiación en comparación con la

transferencia de calor por convección (que es la forma en que los gases de combustión se

calientan hasta su temperatura final) ya que la energía que se da de esta forma solo es

proporcional a la primera potencia de la temperatura. La forma general de la transferencia

de calor por convección se da en la ecuación siguiente [Kern, 1965]:

� = ∗ � ∗ �� (Ec.2.8)

Donde, h es el coeficiente de transferencia de calor y A es el área efectiva de transferencia.

Además, es importante mencionar que la emisividad de la masa de gas en un horno es una

función del producto de la presión parcial de las moléculas radiantes y la longitud de la

trayectoria media de la profundidad de la capa de los gases. También, las emisividades de

gases diatómicos como el O2 y N2 son muy bajas en comparación con los demás gases de

combustión; por lo que, ordinariamente se considera que los únicos gases radiantes serán el

H2O y el CO2 [Kern, 1965].

En base a lo anterior, se podría esperar que a mayores tamaños de calderas, mayor sea la

transferencia de calor radiante a una temperatura dada y que, a una mayor cantidad de aire

24

en exceso, la presión parcial de los gases radiantes disminuyan y por lo tanto también

disminuya la cantidad de calor transferido.

Debido a que la aplicación de estas ecuaciones a los problemas prácticos de ingeniería

puede ser muy complicada, deben incorporarse simplificaciones y suposiciones para poder

determinar el calor irradiado de forma menos compleja. En Kern [1965] se presentan

algunos métodos comunes para el cálculo de absorción de calor, de los cuales solamente se

estudiará uno, que es el que se utilizará más adelante en la modelación de la caldera.

− Ecuación de Orrok-Hudson

Esta es una ecuación empírica para calcular la absorción de calor en la sección radiante de

una caldera de tubos de agua. Aunque está diseñada para calderas alimentadas con carbón y

petróleo, se decidió utilizar este método debido a que es el que mejor evalúa los cambios de

alimentación de combustible y también los cambios en la proporción aire-bagazo, siendo el

combustible un compuesto sólido. La ecuación de Orrok-Hudson es la siguiente:

!"!# = �

�$%∗&'"(�

(Ec.2.9)

Donde,

Qr: flujo de calor irradiado [BTU/h]

QF: calor total liberado por el combustible en la reacción [BTU/h]

GA: libras de aire alimentado por cada libra de combustible

Cr: libras de combustible por hora por pie cuadrado de superficie proyectada en la sección

radiante.

Para esta ecuación se puede determinar el valor específico de la caldera (CR) con solo tener

algunos valores de operación y el rendimiento para esos datos. Con esto ya se pueden

establecer comparaciones con los rendimientos de transferencia de calor radiante en la

caldera.

25

2.4.2 Parámetros que afectan a la Eficiencia

Existen muchos parámetros en el funcionamiento de una caldera que pueden afectar la

eficiencia de esta dependiendo de cómo varíen. Algunos de los parámetros más importantes

se presentan a continuación:

a. Nivel de exceso de aire

Este posee un efecto negativo en la eficiencia si el valor es demasiado bajo o demasiado

elevado, lo que indica que existe un punto óptimo de la cantidad de aire en exceso. Las

consecuencias más detalladas de estas variaciones son las siguientes:

− Si el valor de aire en exceso en el horno de la caldera es muy bajo, la combustión se

comienza a realizar de manera incompleta, generándose monóxido de carbono y

perdiendo energía en la combustión.

− Si el aire en exceso es demasiado alto, la combustión se realiza mejor; pero en

cambio, como se dijo anteriormente, la transferencia de calor por radiación hacia el

banco de tubos que conducen el agua disminuye. En contraste con lo que se explicó

previamente, este efecto se puede ver de forma más sencilla al comprender que a una

mayor cantidad de aire en exceso, mayor es la cantidad de gases dentro de la caldera,

lo que provoca que estos gases se muevan más rápido y que tengan menos tiempo de

intercambiar calor en la sección radiante, perdiéndose energía en los gases de

chimenea. A este efecto se le suma el de la disminución de la temperatura de la llama

por el mayor ingreso de gases y la disminución de las emisividades de los gases

radiantes.

b. Régimen de fuego

Este término es también llamado régimen de producción de vapor o porcentaje de carga. La

caldera, al no trabajar en las cargas normales, presenta pérdidas por la radiación y por los

26

gases de chimenea secos, ya que no se cumple la cantidad de calor necesario que debe ser

transferido. Ambas pérdidas aumentan al decrecer el régimen de carga.

c. Temperatura de los gases de chimenea

Para disminuir las pérdidas de energía en los gases de combustión se debe mantener al

mínimo la temperatura de estos a la salida. Un aumento en la temperatura puede deberse a

dos razones, insuficiente área para el intercambio calor y/o por la suciedad en estas

superficies de intercambio.

d. Temperatura del agua de alimentación.

La eficiencia de la caldera aumenta al aumentar la temperatura de alimentación de agua, ya

que el calor que necesita absorber será menor. Para aumentar la temperatura de agua las

industrias instalan economizadores que cumplen la función de intercambiador de calor, los

cuales extraen calor de los gases de combustión.

e. Temperatura del aire alimentado para la combustión.

El efecto en la eficiencia, por la temperatura del aire alimentado, es muy parecido al de la

temperatura del agua de alimentación. En este caso para aumentar la temperatura de entrada

del aire se añade un Precalentador de Aire, el cual también extrae calor de los gases de

combustión.

f. El flujo de purga

La cantidad del flujo de purga representa una pérdida de energía en forma de agua caliente

desechada. Esta purga es necesaria para eliminar las impurezas del agua en la caldera, ya

que afecta la calidad del vapor y forma incrustaciones. El valor del flujo de purga depende

de la calidad del agua fresca de alimentación y la calidad requerida del agua dentro de la

caldera, este valor de purga puede ser entre 5% y 10% del flujo total de vapor de la caldera.

27

CAPÍTULO 3: MODELOS DE DISPERSIÓN

Un modelo de dispersión es un conjunto de expresiones matemáticas que intentan

representar cómo se dispersan los contaminantes en la atmósfera. Basados en información

meteorológica, de las fuentes emisoras y de los receptores, predicen una concentración del

contaminante en estudio para un receptor determinado [SCRAM (a); 2009].

3.1 Características Generales de los Modelos de Dispersión

Los modelos de dispersión atmosférica son utilizados regularmente para predecir un perfil

de la concentración de un contaminante en una zona determinada. Típicamente se utilizan

para determinar si las emisiones de una nueva instalación industrial estarán en armonía con

las normas nacionales de calidad del aire.

Existen algunos factores que afectan la dispersión de los contaminantes y por lo tanto, la

información relacionada a estos factores se alimenta a los modelos de dispersión para su

ejecución. Estos factores pueden clasificarse en: [Álvarez, et al; 2005]:

− Características de la fuente emisora.

Parámetros relacionados a la(s) fuente(s) emisora(s) son determinantes ya que éstos dictan

las condiciones y las cantidades en que los contaminantes se están emitiendo a la atmósfera.

Algunos de estos parámetros son: la altura de la chimenea, temperatura y velocidad de

salida de los gases, tasa de emisión del contaminante en estudio, entre otros.

− Características del medio dispersor.

Se refiere a las variables meteorológicas que influyen en la dispersión de los contaminantes.

Las características más importantes se relacionan a la dirección y velocidad del viento, la

estabilidad de la atmósfera y la altura máxima de mezclado.

− Características del medio receptor.

Los efectos de fricción que se producen entre el aire en movimiento y el viento afectan

directamente a la dispersión de los

un lugar puede ser determinante en los movimientos de las masas de aire que circulan por

una zona determinada.

En la Figura 3.1 puede observarse un esquema en el cual se representa de forma

generalizada el flujo de información en un modelo de dispersión: las características

relativas a las fuentes emisoras, al medio d

modelo; éste, procesa dicha información y predice un perfil de concentraciones en la zona

de aplicación del modelo.

Figura 3.1. Esquema de Funcionamiento de E

28

Características del medio receptor.


directamente a la dispersión de los contaminantes en la atmósfera. Además, la topografía de


puede observarse un esquema en el cual se representa de forma

alizada el flujo de información en un modelo de dispersión: las características

relativas a las fuentes emisoras, al medio dispersor y al medio receptor se introducen al


. Esquema de Funcionamiento de Entradas y Salidas de Información en un Modelo de

Dispersión.

PERFIL DE CONCENTRACIONES

Inf. del medio

receptor

Inf. de la fuente

emisora

Inf. del medio

dispersor


contaminantes en la atmósfera. Además, la topografía de


puede observarse un esquema en el cual se representa de forma

alizada el flujo de información en un modelo de dispersión: las características

ispersor y al medio receptor se introducen al


Información en un Modelo de

29

3.2 Clasificación de los Modelos de Dispersión de Acuerdo al Método de

Dispersión

Los modelos de dispersión pueden clasificarse de acuerdo al método utilizado para llevar a

cabo la simulación; en base a esto, los modelos pueden clasificarse en estadísticos y

determinísticos.

3.2.1 Modelos Estadísticos

Estos modelos se basan en la utilización de datos históricos de meteorología, emisión e

inmisión, para establecer, mediante técnicas estadísticas, la inmisión probablemente

alcanzada para unas condiciones meteorológicas y de emisión dadas [CESGA; S.F.].

Los modelos estadísticos se utilizan para predicciones de corto alcance, con los que se

puede apreciar tendencias en la concentración de contaminantes en el aire. Zanneti y

Tombach (referenciados en González, R; 1993) clasificaron los modelos estadísticos en las

siguientes categorías:

− Distribuciones estadísticas de la concentración

− Análisis de series temporales

− Métodos mixtos determinísticos-estadísticos

− Modelos receptor

Este tipo de modelos requiere de una serie histórica de datos bastante amplia para alcanzar

resultados confiables; además, los requerimientos de cálculo demandan de procesadores de

gran capacidad dedicados a la predicción de las concentraciones de los contaminantes.

3.2.2 Modelos Determinísticos

Este tipo de modelos de difusión estima la concentración en la atmósfera de uno o varios

contaminantes emitidos en ella utilizando una técnica matemática que permite determinar

su evolución espacial y temporal.

30

Los modelos de difusión determinísticos que tienen mayor aplicabilidad son aquellos que

suponen un perfil de concentración de contaminantes que satisface la ecuación de

distribución gaussiana, sin embargo existen otros que utilizan técnicas más complejas para

estimar el transporte y dispersión de los contaminantes y son llamados modelos

lagrangianos y modelos eulerianos [González, R; 1993].

La diferencia principal entre los modelos lagrangianos y eulerianos radica en el sistema de

referencia que utilizan, así, el sistema euleriano tiene un sistema fijo hacia el que hacen

referencia las propiedades del fluido, mientras que el langragiano tiene un sistema móvil

que acompaña a una porción de fluido en su trayectoria.

Los modelos eulerianos se basan en soluciones analíticas o numéricas de la ecuación de

conservación de masa o de la concentración por unidad de volumen “c” de un contaminante

“i” en un determinado instante y lugar tal como se muestra en la Ecuación 3.1 [González,

R.; 1993].

)*+), = −-. .�/ + d. ∇�C/ + R/ + S/ (Ec.3.1)

En la Ecuación 3.1 el símbolo “v” representa la velocidad instantánea del fluido (velocidad

del viento), “d” la difusividad molecular, . el operador gradiente y ∇� el operador

laplaciano, “R” refleja la generación o consumo del contaminante por reacción química y S

la fuente o sumidero del contaminante.

Además de la Ecuación 3.1, el flujo de fluido también cumple con la ecuación de Navier-

Stokes (conservación de la cantidad de movimiento) y la de conservación de la energía. La

resolución del sistema formado por, al menos, estas ecuaciones puede explicar los cambios

experimentados por el vector velocidad, la temperatura del fluido y la concentración del

contaminante, así como el efecto de tales variaciones sobre las demás variables [González,

R.; 1993].

31

Al aplicarse la teoría de transporte de gradiente o teoría K a la Ecuación 3.1 y haciendo las

suposiciones que la difusión molecular es despreciable frente a la turbulenta y que la

atmósfera es incompresible se obtiene la Ecuación 3.2 conocida como la ecuación

semiempírica de la teoría K de la difusión atmosférica.

)*+), = −-5.�/ + .. 6755.�/8 + 9/ + :/ (Ec.3.2)

Por otro lado, los modelos lagrangianos consisten en el análisis del comportamiento de

partículas o porciones de contaminantes gaseosos dentro de un flujo. La mezcla en un flujo

turbulento es simulada por el movimiento de las partículas que constituyen el fluido.

El análisis teórico de la dispersión de un penacho puede estudiarse siguiendo el criterio

estadístico de la difusión de una partícula fluida respecto a un eje fijo. Así, una pluma

puede considerarse como un conjunto de partículas idénticas cuyo desplazamiento medio

determina el comportamiento de la misma [González, R.; 1993].

En la Ecuación 3.3 se presenta la ecuación fundamental de LaGrange de la concentración

media de un contaminante inerte dentro de un fluido turbulento en el que existen fuentes de

emisión, la cual se obtiene al aplicar el análisis lagrangiano al movimiento de un flujo de

contaminantes gaseosos.

�(<,,) = ? @(<,,!<B,,B) ∙ �(<B,,B) DEFG

HG + ? ? @(<,,!<I,,I) ∙ :(<J,,) DEIDK′GHG

,,B (Ec.3.3)

En la Ecuación 3.3 el primer término de la derecha representa la distribución inicial de las

partículas presentes en el instante to y el segundo representa las partículas aportadas por las

fuentes en el intervalo comprendido entre to y t. Al conocerse la concentración inicial C(ro,to)

y las emisiones de las fuentes S(r’,t) la concentración dependerá únicamente de la evaluación

de @(<,,!<B,,B). La forma más empleada para esta función de densidad de probabilidad “p” ha

sido la función gaussiana.

32

3.3 Clasificación de la EPA de los Modelos de Dispersión

La agencia de protección ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha desarrollado una gran

cantidad de modelos de dispersión los cuales han sido clasificado en las siguientes tres

categorías que se representan en la Figura 3.2 [SCRAM (a); 2009]:

− Modelos Preferidos / Recomendados.

− Modelos Alternativos.

− Modelos de Exploración

3.3.1 Modelos Recomendados.

En esta categoría se tienen modelos de dispersión refinados y se encuentran agrupados en el

apéndice W de la Guía de modelos de calidad de aire de la EPA [SCRAM (a); 2009].

Dentro de los modelos más utilizados que se encuentran en esta categoría están: AERMOD,

CALPUFF, OCD, entre otros.

− CALPUFF

Este modelo de dispersión simula las variaciones en el tiempo y en el espacio del

transporte, remoción y transformación de contaminantes; es decir, es un modelo en estado

no – estacionario. CALPUFF puede ser utilizado en una escala de decenas a centenas de

kilómetros.

En el modelo se incluyen algoritmos para evaluar el efecto del terreno, transformaciones

químicas de los contaminantes, deposiciones secas y húmedas, e incluso, efectos en la

visibilidad debido a las concentraciones del material particulado [SCRAM (b); 2009].

33

− OCD

Este modelo de dispersión está diseñado para determinar el impacto de las emisiones de

contaminantes en zonas costeras. OCD incorpora el transporte y dispersión de la pluma

cuando sobrevuela el agua y los cambios que ocurren cuando ésta atraviesa la línea costera

[SCRAM (b); 2009].

− AERMOD

AERMOD es un modelo de dispersión atmosférica basado en la estructura turbulenta de la

capa límite planetaria y conceptos de escalado. Este modelo es muy versátil ya que es capaz

de manejar múltiples opciones en cuanto a las fuentes de emisión: puntual, área y/o

volumen; tipo de terreno modelado: plano o complejo; e incluye un algoritmo para tomar

en cuenta el efecto de los edificios en la dispersión. [SCRAM (b); 2009].

El procesador AERMOD cuenta con dos “pre-procesadores” los cuales generan archivos

que sirven de entrada al mismo; estos pre-procesadores son:

a. AERMET, el cual procesa los datos meteorológicos y su principal objetivo es

calcular parámetros de la capa límite que son utilizados por AERMOD.

b. AERMAP, el cual tiene por objetivo producir un mapa digital de alturas de terreno

compatible con AERMOD.

3.3.2 Modelos Alternativos

Éstos se refieren a modelos no incluidos en la lista del apéndice W de la Guía de modelos

de calidad del aire de la EPA, y que pueden ser aplicados de forma regulatoria siempre y

cuando se tenga una justificación válida.

Existe una gran cantidad de estos modelos y cada uno de ellos hace sus propias

consideraciones respecto al transporte, transformación y/o remoción de los contaminantes

34

en la atmósfera; el más reconocido de estos y que por muchos años fue considerado como

un modelo preferido/ recomendado es el ISC3.

El ISC3 es un modelo en estado estable el cual es utilizado para verificar las

concentraciones de contaminantes que provienen de una gran cantidad de fuentes asociadas

a un complejo industrial. Este modelo incluye deposición seca de contaminantes, fuentes de

área, de línea y de volumen; y algunas características del terreno, entre otras [SCRAM (c);

2009].

3.3.3 Modelos de Exploración

Los modelos de exploración son aplicados usualmente antes de utilizar un modelo de

dispersión refinado (recomendado o alternativo) con el objetivo de determinar si es

necesario el uso del modelo refinado.

Una característica de estos modelos de dispersión exploratorios es que deben producir, con

una menor cantidad de información de entrada, un valor de concentración que sea igual o

mayor al valor que generaría el modelo refinado en ese caso. Esto se debe a que si mediante

el modelo exploratorio se encuentra que las concentraciones obtenidas no sobrepasan el

límite establecido, entonces, se hace innecesario el uso del modelo refinado ya que con este

se obtendrían valores de concentración iguales o menores [SCRAM (d); 2009].

Usualmente, los modelos refinados tienen su propio modelo de exploración asociado, así

por ejemplo, AERMOD tiene un modelo de exploración llamado AERSCREEN;

SCREEN3 es el modelo exploratorio para el ISC3, y así para otros modelos.

AERSCREEN es el modelo exploratorio para AERMOD. Este modelo producirá

estimados de concentraciones sin la necesidad de introducir datos meteorológicos, y está

diseñado para producir concentraciones iguales o mayores que las estimadas por AERMOD

con un conjunto completo de variables meteorológicas y de terreno.

35

Figura 3.2. Clasificación de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) los Modelos

de Dispersión

SCREEN3 es un modelo gaussiano de una sola fuente que provee valores de concentración

máximos a nivel del suelo para fuentes fijas, de área y de volumen. Este modelo

exploratorio es la versión de exploración del ISC3, uno de los modelos alternativos

desarrollados por la US EPA.

Además existen muchos otros modelos de exploración que cuentan con la gran ventaja de

no requerir demasiada información para poder ejecutarse, sin embargo, su principal

desventaja es que no producen valores de concentración confiables, únicamente establecen

un parámetro para determinar si una fuente o un complejo de fuentes provoca que las

concentraciones sobrepasen o no los límites establecidos en las normas correspondientes.

Estas características de los modelos exploratorios no los hacen deseables a la hora de

intentar simular las concentraciones reales que se obtienen en un lugar determinado, es por

ello que en estos casos deben utilizarse modelos refinados que tienen la capacidad de

representar con más confiabilidad el perfil de concentraciones de una zona de aplicación.

CLASIFICACIÓN DE LA EPA

MODELOS RECOMENDADOS /

PREFERIDOS

MODELOS ALTERNATIVOS

MODELOS DE EXPLORACIÓN

36

3.4 Antecedentes en la Implementación de un Modelo de Dispersión

Atmosférica en El Salvador

En el marco del programa de Descontaminación de Áreas Críticas (DAC) del Ministerio de

Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador (MARN) se llevó a cabo un estudio

denominado:”Diagnóstico de la Calidad del Aire, Levantamiento de Fuentes

Contaminantes”, el cual se divide en dos secciones: primero, el inventario de emisiones de

fuentes contaminantes del aire; y segundo, un estudio y diagnóstico de la calidad del aire.

Lo anterior se elaboró para las áreas metropolitanas de San Salvador, San Miguel, Santa

Ana y Sonsonate.

Dentro de la sección de estudio y diagnóstico de la calidad del aire se utilizó un modelo de

dispersión (ISC3) para simular la dispersión del CO, SO2, NOx, PM10, PM2.5 y particulado

total de las ciudades mencionadas. En la simulación se incluyeron todas las fuentes

contaminantes identificadas en el inventario de cada ciudad, por lo que los resultados de

este estudio incluyen factores como tráfico vehicular, emisiones fugitivas tales como las

que se deben a la cocción residencial y comercial y otras que no se incluirán en el presente

estudio ya que únicamente se intenta conocer la dispersión de las emisiones provenientes

de calderas bagaceras.

Sin embargo, en tres de las cuatro ciudades estudiadas en el ”Diagnóstico de la Calidad del

Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes” existen ingenios azucareros por lo que

dentro de la simulación se ha incluido una fuente fija correspondiente a las chimeneas de

las calderas bagaceras. Los resultados de los valores máximos de la modelación para un

periodo de 24 horas se presentan en la Figura 3.3, y en el Anexo A se presentan los mapas

de concentración resultados de esta simulación.

En la Tabla 3.1 se observan los valores de la norma salvadoreña obligatoria de calidad de

aire para partículas totales, PM10 y PM2.5.

Figura 3.3. Valores Máximos M

Aire, Levantamiento de

Tabla 3.1. Valores Máximos Anuales y de 24 H

Tomando en cuenta la información de la

únicamente en el Área Metropolitana de San Salvador se sobrepasa el promedio de 24 horas

de partículas totales suspendidas y de PM2.5; para las otras zonas metropolitanas en estudio

no se sobrepasa el límite con ni

0

50

100

150

200

250

300

350

San SalvadorCo

nce

ntr

ació

n m

áxim

a 2

4 h

ora

s (µ

g/m

3)

37

. Valores Máximos Modelados de PTS, PM10 y PM2.5 en el “Diagnóstico de la Calidad del

Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes” para un período de 24 horas.

. Valores Máximos Anuales y de 24 Horas para PTS, PM10 y PM2.5 S

Salvadoreña de Calidad de Aire.

Contaminante Máximos µg/m3

PTS anual 75

24 horas 260

PM10 anual 50

24 horas 150

PM2.5 anual 15

24 horas 65

Tomando en cuenta la información de la Figura 3.3 y la Tabla 3.1



no se sobrepasa el límite con ninguno de los contaminantes.

San Salvador San Miguel Santa Ana Sonsonate

odelados de PTS, PM10 y PM2.5 en el “Diagnóstico de la Calidad del

odo de 24 horas.

PTS, PM10 y PM2.5 Según la Norma

1 puede observarse que



PTS

PM10

PM2.5

39

CAPÍTULO 4: MODELO MATEMÁTICO DE LA CALDERA

El modelo matemático que se realizará estará basado en el balance de materia y el balance

de energía de la caldera. Además, se tomarán en cuenta relaciones y variables específicas

para ajustar el funcionamiento de la caldera y obtener así una mejor simulación.

4.1 Consideraciones del Modelo

El diagrama general de todo un ingenio azucarero se muestra en la Figura 4.1 en esta

modelación se dará énfasis a la modelación del hogar de la caldera y al domo de vapor,

fijando la cantidad de vapor sobrecalentado que se necesita producir.

Figura 4.1. Diagrama General de un Ingenio Azucarero y de la Producción de Vapor

Para realizar la modelación matemática se tomaron en cuenta las siguientes suposiciones:

− El sistema está en estado estable, no hay acumulaciones ni variaciones con el

tiempo, por lo que se desprecia cualquier dinámica en el sistema.

− La entalpía de los líquidos depende solo de la temperatura

40

− La reacción de combustión se realiza de manera completa, por lo que no hay

monóxido de carbono en los gases de salida, ni bagazo no quemado en el

particulado emitido.

− Se desprecia la cantidad de nitrógeno contenido en el bagazo y se desprecia la

formación de NOx.

− Se asume que el bagazo entrando a la caldera no tiene residuos de azúcar.

− No se toman en cuenta las pérdidas de energía por las purgas de vapor.

− No se toman en cuenta las pérdidas de energía debido al calentamiento de la ceniza

o particulado que poseen los gases de chimenea.

− Se supone que el oxigeno a la salida de la chimenea no cambia cuando no hay

cambio en la proporción aire/bagazo, lo que significa que si esta se mantiene el aire

y el bagazo siempre se quemaran en la misma proporción.

4.2 Cálculo de Variables Específicas

Estas variables específicas son las que definirán a la caldera y para obtenerlas se necesitan

datos previamente obtenidos de operación y de medición de las emisiones de partículas de

la caldera. Para esta modelación se busca ajustar tres parámetros los cuales se describirán a

continuación.

− Relación de la entrada de bagazo con la velocidad de los alimentadores

Esta relación servirá para ajustar en el panel de control estas dos variables y presentar los

resultados de manera muy parecida al panel de control real que se utiliza en la caldera. La

relación encontrada se muestra en la Ecuación 4.1.

M = �� ∗ (N�) + �� (Ec.4.1)

Donde,

ai : pendiente de la regresión lineal para las relaciones

41

bi : intercepto de la regresión lineal para las relaciones

VA: velocidad de los alimentadores de bagazo [%]

B: flujo másico de bagazo alimentado en la caldera [ton/h]

Los datos que se necesitan son valores de cantidad de bagazo quemado y su respectiva

velocidad de los alimentadores en el mismo instante de tiempo. Para este caso se tomarán

solamente cuatro datos que se ajustaran a una línea recta.

− Relación del aire alimentado y la abertura dámper del tiro forzado

Esta relación se utilizará para conocer la cantidad de aire que se alimenta a la caldera

cuando se cambia la abertura del dámper. Para lograr obtener esta ecuación es necesario

saber la cantidad justa de aire que entra a la caldera. Esto se puede lograr obteniendo los

valores de medición de oxigeno en la chimenea y otros datos de operación de la caldera

para que por medio de un balance de materia se encuentre el aire alimentado.

La Ecuación 4.2 representa la forma en se relacionarán estas dos variables:

� = �((O) + �( (Ec.4.2)

Donde,

A: flujo másico de aire alimentado a la caldera [ton/h]

D: abertura en el dámper del tiro forzado [%]

Aunque el balance de masa se presenta más adelante en el capitulo, la Ecuación 4.3 define

la cantidad de aire alimentado a la caldera.

)(22

1*2*2

.2

,,,2,2

AO

BHBOGOGCO

A f

NNNNN

+−+= (Ec.4.3)

Donde,

NA: moles de aire seco alimentado a la caldera

42

Ni,j: moles del compuesto o elemento i en corriente j.

G: flujo másico de gases de chimenea

B: flujo másico de bagazo alimentado [ton/h]

fO2,A: fracción molar del oxigeno en el aire alimentado [0.21]

En la Ecuación 4.3, el dato principal de entrada son los moles de oxigeno en los gases de

chimenea; sin embargo, también se necesita la cantidad de dióxido de carbono que sale, lo

que indica que habrá que realizar iteraciones suponiendo un valor inicial hasta llegar a

obtener la cantidad de aire alimentado a la caldera.

Es importante mencionar que se tienen que obtener por lo menos tres datos, es decir que

hay que variar la cantidad de bagazo alimentado manteniendo fija la proporción aire-bagazo

para obtener valores suficientes y encontrar la regresión lineal entre el aire alimentado y la

abertura del dámper. En cualquier caso, los datos seleccionados deben ajustarse lo más

posible a la linealidad para disminuir al porcentaje de error de la ecuación.

− Cálculo de porcentaje de remoción en el Sistema de Remoción de Partículas (SRP)

Las cenizas que ingresan en el sistema no sufren ningún tipo de cambio, es por eso que el

balance de materia de las cenizas se representa como en la Figura 4.2. En esta figura solo

se representa un flujo de salida de cenizas removidas en todo el sistema ya que es muy

difícil contar con los porcentajes de remoción de cada parte del sistema y es por ello que se

calculará un porcentaje de remoción global.

Figura 4.2. Balance de Cenizas en la Caldera

Caldera Mcen

R

CC

43

El porcentaje de remoción se obtendrá con la Ecuación 4.4:

cen

Ccen

cen M

CM

M

−== R

FRc (Ec.4.4)

Donde,

FRc: fracción de remoción de partículas del sistema

Mcen: flujo de cenizas que entra a la caldera [ton/h]

CC: flujo másico de cenizas que sale en forma de partículas en las chimeneas [ton/h]

R: flujo de cenizas removidas por el Sistema de remoción de partículas [ton/h]

Para obtener esta fracción de remoción es necesario obtener valores de medición de

particulado de la chimenea y así obtener el flujo de partículas que salen por ella. Además,

se necesitan la cantidad promedio de bagazo quemado en el periodo de las mediciones de

particulado.

4.3 Balance de Materia de la Caldera

Para realizar el balance de materia global se tomó todo el sistema de la caldera, desde la

entrada de bagazo hasta la salida de los gases por la chimenea tomando por separado el

domo de vapor. Las entradas y salidas del sistema se esquematizan en la Figura 4.3.

Figura 4.3. Balance de Materia en el Sistema Global de la Caldera

44

Donde,

B: flujo másico de bagazo alimentado a la caldera [ton/h]

A: flujo másico de aire alimentado a la caldera [ton/h]

G: flujo másico de gases de combustión producidos [ton/h]

W: flujo másico de vapor de salida en la chimenea [ton/h]

CC: flujo másico de partículas por la chimenea (PTS) [ton/h]

R: flujo de cenizas removidas por el Sistema de remoción de partículas [ton/h]

Ni,j= moles de la especie “i” en la corriente “j”

Mcen= flujo másico de ceniza del bagazo [ton/h]

A continuación se muestran los balances de materia necesarios para definir el sistema,

− Balance Total

P + Q − R − S − �* − 9 = 0 (Ec.4.5)

− Balance de Carbono

U*,V − U*W�,X = � (Ec.4.6)

− Balance de Hidrogeno

UY,V + 2 ∗ UY�W,V + 2 ∗ UY�W,[ − 2 ∗ S = 0 (Ec.4.7)

− Balance de Oxigeno

UW,V + UY�W,V + 2 ∗ UW�,[ + UY�W,[ − UY�W,\ − 2 ∗ U*W�,X − 2 ∗ UW�,X = 0 (Ec.4.8)

− Balance de Nitrógeno

2 ∗ U]�,[ − 2 ∗ U]�,X = 0 (Ec.4.9)

− Balance de Cenizas

_̂`a = 9 + � (Ec.4.10)

45

− Remoción de Cenizas

RcFBR *= (Ec.4.11)

Al hacer el conteo de ecuaciones e incógnitas para obtener los grados de libertad da como

resultado: 18 variables, 7 incógnitas y por lo tanto, 11 grados de libertad.

Al conocer la composición del bagazo y su flujo de entrada se pueden conocer todas las

variables que aporta este flujo. Además, al conocer la variable específica del aire de

alimentación para esta caldera y la proporción aire/bagazo, se pueden conocer todos los

flujos de entrada. Estos datos suman en total 10 de los 11 valores.

El último dato es el FRc que es obtenido anteriormente en el cálculo del porcentaje de

remoción de cenizas de la caldera.

− Reacción de Combustión

La reacción general de la combustión se muestra a continuación, donde todos los valores

incógnitas en la ecuación dependerán de la composición química del bagazo

OHy CO zO x OHC 222cba +→+ (Ec.4.12)

Al conocer los porcentajes de cada elemento en el combustible se pueden conocer los

subíndices de la formula empírica de la ecuación anterior con lo cual se puede balancear la

ecuación, permitiendo conocer de esta forma los moles de oxigeno necesarios para la

combustión completa. Luego se puede obtener el aire en exceso que se está introduciendo a

la caldera.

46

4.4 Balance de Energía en la Caldera

El diagrama del balance de energía se presenta en la Figura 4.4. El flujo de salida solo está

compuesto por los gases de combustión y por el vapor que salen de la chimenea, por lo que

todos llegan a una temperatura final (Tf).

Figura 4.4. Balance de Energía en la Caldera

La Ecuación 4.13 representa el balance de energía:

QrHGHwWQHAHB GFAB ++=++ **** (Ec.4.13)

Donde,

HB: entalpia del bagazo de entrada [J/gmol]

HA: entalpia del aire de entrada [J/gmol]

HG: entalpia de los gases de chimenea [J/gmol]

HW: entalpia del agua de salida en la chimenea [J/gmol]

QF: calor total liberado por el combustible en la reacción (en base al PCS) [J]

Qr: calor irradiado hacia los tubos y el domo de vapor [J]

B HB To

Qr

G, W HG, HW

Tf

A, HA, TA

47

Para calcular las entalpías de cada compuesto se ocupará la Ecuación 4.14:

dTCpl∫=ih (Ec.4.14)

Donde el Cp (capacidad calorífica de una sustancia) es una función de la temperatura y que

puede ser expresado por distintos ajustes. En este caso se utilizará el presentado por

Himmelblau [1997]:

32 T*d+T*cT*b+a +=Cp (Ec.4.15)

Y que integrando ambos lados de la Ecuación 4.15 queda de la siguiente forma:

)Tgo-d(Tf*1/4+)Tgo-c(Tf*1/3+)Tgo-b(Tf*1/2+Tgo)-a(TfdTCp 443322Tf

To

l =∫ (Ec.4.16)

Donde,

a,b,c,d: constantes de la ecuación de la capacidad calorífica

Tf: temperatura final de los gases de chimenea [ºC]

Tgo: temperatura inicial del gas [ºC]

Esta temperatura inicial depende del gas que sea, ya que para los procedentes de la reacción

de combustión esa temperatura es de cero grados, mientras que para otros, depende de la

temperatura de entrada.

Las constantes de Ecuación 4.16 se muestran la Tabla 4.1, para los gases que se utilizarán

en la caldera.

48

Tabla 4.1. Coeficientes para la Ecuación de Capacidad Calorífica

[Himmelblau, 1997]

Gases de Chimenea

a b*102 c*105 d*109

CO2 36.11 4.2330 -2.887 7.464

O2 29.1 1.1580 -0.608 1.311

N2 29 0.2199 0.572 -2.871

H2O (g) 33.46 0.6880 0.760 -3.593

H2O (l) [T=K] 18.2964 4.2330 -2.887 7.464

Rango de Temperaturas (1-1500 K), Cp [J/(gmol (K o C)] y T[°C].

También se necesita conocer la entalpía de vaporización del agua. Esta entalpía se calcula

con la Ecuación 4.17 [Smith, J.M; et. al, 1997].

38.0

38.0

1

1

9.2256 1

1

−

−

=∆⇒

−−

∆∆

c

n

c

vap

Tvaprn

rvap

Tn

vapT

T

T

T

T

HT

T

H

H (Ec.4.17)

Donde,

Tvap: temperatura de vaporización del agua

∆HTn: calor latente de vaporización normal (2256.9 KJ / Kg)

Tn: temperatura normal (373.15 K)

Tc: temperatura critica (647.1 K)

∆Hvap: calor latente de vaporización a la temperatura T. [KJ/kg], T [K]

Se debe tener presente que el flujo de vapor por la chimenea está compuesto por tres flujos

de agua: el producido, el contenido en el bagazo y el contenido en el aire. Los primeros dos

sufren una vaporización y calentamiento con la Ecuación 4.18:

∫+∆=∆Tf

Tvap

vvap dTCpHhv

(Ec.4.18)

49

Donde,

hv∆ : Cambio de entalpia del agua líquida a vapor sobrecalentado

Tf: temperatura final

Tvap: temperatura de vaporización

Mientras tanto, el agua que es contenida en el aire alimentado a la caldera no cuenta con el

primer termino de la ecuación anterior ya que el agua del aire se encuentra ya vaporizado.

4.5 Cálculo del Calor Irradiado

El calor irradiado, como se vio anteriormente puede ser calculado por la ecuación de Orrok-

Hudson. La ecuación ya adaptada se presenta en la Ecuación 4.19.

271

27*''

'2

2

1111

2Cr

G

CrGee

Q

Qre

A

A

F +

+==

(Ec.4.19)

Donde los valores específicos de la caldera (Cr1 y Cr2) se encuentran con las Ecuaciones

4.20 y 4.21.

1

212 *

F

F

Q

QCrCr = (Ec.4.20)

2

11

11 *'

'1*27

−=

AGe

eCr (Ec.4.21)

Donde,

e': eficiencia que representa el factor de calor irradiado

50

GA: flujo másico de aire alimentado por unidad de peso de combustible alimentado

Los valores con subíndice uno representan el estado estándar de funcionamiento de la

caldera y el cual servirá de base para calcular cualquier cambio de alimentación de

combustible y de aire atmosférico, que se representan con el subíndice 2.

Debido a que en este caso sí se supondrá un flujo de purga del domo de vapor, el calor

irradiado no se utilizará todo para producir el vapor vivo y la eficiencia (e’) no será la

misma que la eficiencia estudiada anteriormente.

Es de mucha importancia mencionar que la ecuación de Orrok-Hudson puede determinar el

cambio de eficiencia cuando se aumenta el flujo de aire de alimentación, pero no se podrá

evaluar la disminución de exceso de aire en la caldera y se deberá asumir un porcentaje de

exceso óptimo o mínimo para evaluar las condiciones del modelo.

4.6 Balances en el Domo de Vapor

En la Figura 4.5 se representan los flujos de entrada y salida del domo de vapor, en el cual

se produce el vapor sobrecalentado.

Figura 4.5. Flujos de Entrada y Salida del Domo de Vapor

F A TA

Fp

T

M v Tv

Pv

Q r

51

El balance de materia del sistema en estado estable se define de la siguiente forma:

0=−− PVA FMF (Ec.4.22)

Mientras que el balance de energía queda de la siguiente forma:

0=−−+ PPVVFA HFHMHFQrA

(Ec.4.23)

Donde:

FA: flujo volumétrico de agua de entrada [gmol/h]

Mv: flujo másico de vapor [gmol/h]

Fp: flujo volumétrico de agua de purga [gmol/h]

TA: temperatura en el flujo Alimentación [ºC]

Tv: temperatura de sobrecalentamiento del domo [ºC]

Pv: presión dentro del domo [psi]

Qr: calor entregado al sistema (calor irradiado) [J]

Hv: entalpia del vapor generado [J/gmol]

HP: entalpía del agua de purga [J/gmol]

HFA: entalpia del agua de entrada [J/gmol]

La entalpia del vapor se calcula con las ecuaciones ya antes mencionadas, mientras que la

entalpia del agua de purga (liquido saturado) se calcula con la misma fórmula de la

capacidad calorífica (Ecuación 4.15) y con las constantes presentadas en la Tabla 4.1.

Además, para conocer la temperatura del domo a partir de la presión del domo se utiliza la

ecuación de Antoine [Perry; 2008], esta se define así:

43.375

145.0ln2620.16

802.6839 −

−=

VV P

T (Ec.4.23)

52

A partir de estas ecuaciones se puede determinar que a medida que aumenta el flujo de

purga, la eficiencia de la caldera disminuye, manteniéndose constante el calor irradiado Qr.

La eficiencia de la caldera, ya sea en la base del PCS o el PCI, se representa con la

siguiente Ecuación 4.24:

PCm

Hvm

Q

Qe

B

v

T

V

*

* ∆== (Ec.4.24)

4.7 Análisis de Resolución de Todo el Sistema

Analizando todo el sistema y los grados de libertad, se puede notar que los valores de

entrada que deberá recibir el programa informático que se elaborará con todos los cálculos

anteriores serán:

− Vapor generado

− Composición del bagazo alimentado (5 datos)

− Relación aire bagazo

− Poder calorífico superior

− Flujo de purga del domo de vapor

− Datos para calcular las variables específicas

− Eficiencia base de la caldera a alimentación óptima de aire

A partir de la eficiencia inicial y del poder calorífico del combustible se puede obtener la

cantidad de bagazo alimentado a la caldera, por ende también se conocería el aire ingresado

(por medio de la relación aire-bagazo) y se podría realizar el balance de masa global. Sin

embargo, y como se puede notar, la eficiencia inicial cambiaría con la ecuación de Orrok-

Hudson y se tendría que volver a evaluar para encontrar otra cantidad de bagazo, y así de

esta forma se iteraría hasta que el valor anterior con el valor nuevo calculado no varíen

demasiado.

53

Posteriormente se obtienen los resultados finales de la simulación que interesan para la

simulación de la dispersión de particulado. Estos resultados son los siguientes:

− Flujo de PTS (g/s)

− Flujo de gases (m3/s)

− Temperatura de la chimenea

Por último, se presentan resultados en base a la emisión de PM10 o PM2.5, introduciendo

de datos las proporciones, en función de las PTS presentadas en el AP-42 Sección 1.8 de la

EPA.

55

CAPÍTULO 5: DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DISPERSIÓN DE

CONTAMINANTES

El modelo elegido para llevar a cabo la simulación de la dispersión del material particulado

es AERMOD por considerarse un modelo refinado que predice con un aceptable grado de

confiabilidad la concentraciones de los contaminantes modelados; además, AERMOD es

considerado como el modelo en estado estacionario recomendado por la Agencia de

Protección Ambiental de Estados Unidos para el cálculo de concentraciones provenientes

de fuentes industriales.

AERMOD fue elaborado por un grupo de trabajo conjunto entre la Sociedad Americana de

Meteorología (AMS, por sus siglas en inglés) y la Agencia de Protección Ambiental de los

Estados Unidos (EPA) con el objetivo de proporcionar un modelo refinado como

sustitución del ISC, el cual tendía a sobreestimar el impacto local de los contaminantes

El modelo de dispersión AERMOD incluye los conceptos de la Capa Límite Planetaria, la

cual se refiere a la capa turbulenta de aire que se encuentra a continuación de la superficie

terrestre por lo que es determinante en la dispersión de los contaminantes. El sistema de

modelado consiste de un programa principal AERMOD y dos pre-procesadores AERMET

y AERMAP [EPA, 2004].

5.1 Generalidades

AERMOD es un modelo de pluma en estado estacionario. Algunas de las consideraciones

importantes que el modelo asume son las siguientes [EPA; 2004]:

− En la capa límite estable, asume que la distribución de la concentración es

Gaussiana tanto en la parte horizontal como en la vertical;

56

− En la capa límite convectiva se asume que la distribución horizontal es de tipo

Gaussiana, pero la distribución vertical se describe mediante la función de densidad

de probabilidad bi-Gaussiana.

− En la capa límite convectiva, AERMOD trata el “ascenso de la pluma”, en donde,

una porción de masa de la pluma es emitida desde una fuente bouyante, se eleva y

se mantiene cerca de la parte más alta de la capa límite antes de mezclarse en la

capa límite convectiva.

En cuanto al tratamiento de la información del medio dispersor, AERMOD construye

perfiles verticales de las variables meteorológicas requeridas basados en medidas y

extrapolación de esas medidas usando relaciones de similaridad.

En el pre-procesador de variables meteorológicas AERMET se introducen tanto variables

clásicas de observaciones meteorológicas (tales como velocidad y dirección de viento,

temperatura, cobertura de nube, entre otras) como variables características del sitio de

aplicación del modelo (tal es el caso de albedo, rugosidad de la superficie y coeficiente de

Bowen). Con estas variables de entrada, AERMET calcula parámetros de la Capa Límite

Planetaria tales como velocidad friccional, longitud de Monin-Obukhov, altura de mezcla y

otros que luego, por medio de relaciones de similaridad son usados para calcular los

perfiles verticales utilizados por el modelo [EPA, 2004].

5.2 Modelo Gausiano de Dispersión

El modelo de dispersión gaussiano parte de que la pluma se eleva desde la salida de la

chimenea y luego se nivela para viajar en la dirección del viento “x” y se dispersa en las

direcciones “y” y “z” a medida que se desplaza. Además supone que se está tratando de una

fuente puntual ubicada en (0,0,H) que emite en forma estacionaria un contaminante no

sujeto a la fuerza de empuje ascendente, con una tasa de emisión determinada y que el

viento sopla con una velocidad “u” la cual es independiente del tiempo, lugar o elevación

57

[Álvarez, et al; 2005]. . En la Figura 5.1 se observa una representación gráfica de la

columna gaussiana de dispersión.

La ecuación de la columna de humo gaussiana se deduce a partir de un balance de materia

aplicado a una porción de masa contenida en la columna y bajo ciertas suposiciones [Véase

Wark y Warner; 2001] puede demostrarse que la ecuación para una dispersión

bidimensional es:

�(b, c, d) = 7bH�eb@ �− fghij + kh

ilm nop� (Ec. 5.1)

En donde C(x,y,z) es la concentración en el punto con coordenadas x,y,z; Ky y Kz son los

coeficientes de dispersión en la dirección “y” y “x” respectivamente y “u” la velocidad del

viento .

Figura 5.1. Representación Esquemática del Modelo de la Pluma de Dispersión Gaussiana.

[Benavides, H; 2003]

5.3 Cálculo de las Concentraciones en AERMOD

AERMOD modela una pluma como una combinación de dos casos límite: una pluma

horizontal y una pluma que responde a los efectos del terreno. Cuando se está trabajando

con un terreno plano, ambos estados son iguales, sin embargo, cuando se trabaja con

58

terreno elevado, la concentración se calcula como el promedio ponderado de los dos casos

límite descritos. [EPA; 2004]. En la Ecuación 5.2 se presenta la forma general de cálculo de

la concentración en AERMOD.

�q(b<c<d<) = r. �_,s(b<c<d<)+(1 − r)�_,s6b<c<du8 (Ec.5.2)

En donde �q(b<c<d<) es la concentración total, �_,s(b<c<d<) es la contribución de la pluma

horizontal, �_,s6b<c<du8 es la contribución de la pluma que responde a los efectos del

terreno, f es la llamada función de peso de la pluma, 6b< , c<,d<8, son las coordenadas de un

receptor (siendo zr = 0 en la base de la chimenea), zp=zr - zt es la altura de un receptor sobre

el nivel del suelo y zt es la altura del terreno en el punto en que se ubica un receptor. Si el

terreno es plano, zt=0 y zp=zr por lo que ambos casos serían equivalentes. En la Figura 5.2

se muestra una pluma real y los dos casos extremos que AERMOD considera para calcular

como un promedio ponderado de estos dos casos el valor de concentración en un receptor

determinado.

Figura 5.2. Representación de una Pluma Real y de los Dos Casos Extremos que AERMOD Considera

para Calcular la Concentración en un Receptor Determinado.

59

La expresión que se utiliza para calcular cada uno de los términos de la Ecuación 5.2 puede

escribirse de la siguiente manera [EPA; 2004]:

�(b, c, d) = vn wg(c; b)wk(d; b) (Ec.5.3)

En donde Q es la tasa de emisión de la fuente, u es la velocidad de viento efectiva y Py y Pz

son funciones de densidad de probabilidad que describen respectivamente a la dispersión

lateral y vertical AERMOD asume estas distribuciones probabilísticas como Gaussianas

para la capa límite estable y para la distribución lateral de la capa límite convectiva.

AERMOD simula cinco diferentes tipos de plumas dependiendo de las condiciones de

estabilidad atmosférica y de su ubicación dentro o por encima de la capa límite. Cada uno

de estos tipos de pluma tiene sus peculiaridades en las consideraciones que se hacen

respecto al cálculo de diferentes variables que se utilizan en el modelo [EPA; 2004].

61

CAPÍTULO 6: METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE UN MO DELO DE

DISPERSIÓN A LAS EMISIONES PROVENIENTES DE CALDERAS

BAGACERAS

La aplicación del modelo de dispersión a las emisiones generadas en una caldera bagacera

conlleva al cumplimiento de dos objetivos:

1. La estimación de las emisiones generadas por una caldera bagacera.

2. La aplicación misma del modelo con las condiciones de emisión calculadas.

Para la estimación de las emisiones generadas en una caldera bagacera se ha elaborado un

programa informático en LabView, el cual a partir de la solución de los balances de materia

y energía en una caldera típica que utiliza bagazo como combustible produce los resultados

de las emisiones que deben introducirse al modelo de dispersión.

En cuanto a la aplicación de los resultados del estimador de emisiones a la dispersión de

éstas, se utilizó el programa ISC-AERMOD View el cual es una interfaz gráfica

desarrollada por la compañía Lakes Environmental para el simulador AERMOD.

6.1 Metodología del Desarrollo del Programa de Estimación de Emisiones

Para la fácil simulación y evaluación de las emisiones de material particulado se elaboró un

Programa de Estimación de Emisiones en Calderas (PEEC), para el cual se utilizó el

software computacional “LabVIEWTM” versión 8.0, desarrollado por la “National

Instrument Corporation”.

LabVIEW™ posee un ambiente de desarrollo gráfico con funciones integradas que

permiten al usuario un medio de programación mucho más moderno que otros software de

programación. Además, otra verdadera ventaja del programa es la interfaz gráfica que

posee, ya que es bastante amigable y muy fácil de utilizar.

62

El primer paso para la realización del PEEC consistió en realizar la modelación del sistema

de calderas (Capítulo 4), por medio de las ecuaciones del balance de materia, balance de

energía y otras ecuaciones especificas para cada caldera.

Luego, estas ecuaciones se expresaron en diagramas de flujo y se dibujaron en el lenguaje

de LabVIEW, dejando libres todos los datos de entrada y todos los valores que definen el

compartimiento de una caldera para la obtención de nuevos resultados de emisiones de

particulado al cambiar datos de operación.

− Descripción del Programa

El programa está diseñado para la simulación de una caldera bagacera cualquiera, de tal

forma que se puedan adaptar los valores específicos de operación de las calderas bagaceras

a este programa.

En el programa hay dos paneles de control principales, el primero, “Simulación de

Emisiones de la Caldera” y el segundo, que sirve para la estimación directa de las

emisiones de particulado utilizando datos de operación de una caldera, se llama

“Calculador de Emisiones de la Caldera”.

Este último panel será útil solo cuando se posean todos los datos necesarios, ya que sin

ellos no se pueden hacer cambios en los datos de operación.

a. Simulación de las Emisiones de la Caldera

Esta simulación está basada en la modelación matemática del Capítulo 4. El programa se

utiliza para que, a partir de los datos por defecto, se puedan hacer modificaciones de

cualquier tipo en los datos de entrada de la caldera y evaluar el cambio en las emisiones de

particulado.

63

− Datos de entrada

Los valores de entrada son los que permitirán controlar las variables del programa para

conocer estimaciones de particulado y de gases en cualquier momento. Los valores de

entrada están divididos en tres secciones: Datos de Operación, Temperaturas, Datos del

bagazo y otros datos que no se clasifican de la forma anterior.

− Resultados

Los resultados principales son los resultados que se ocuparán para la Modelación de la

dispersión de la calidad del aire, como lo son el flujo de partículas y flujo de gases. Sin

embargo, se presentarán otros resultados que pueden ser de interés para el que utiliza el

programa. Ejemplos de estos resultados son la eficiencia de la caldera, aire en exceso y

bagazo alimentado, entre otros.

− Cálculo de las variables específicas de las calderas

Estas variables ayudarán a definir o ajustar la operación de la caldera, ya que ninguna tiene

un funcionamiento idéntico. De esta forma se asegura que el programa pueda ser genérico

para la mayoría de calderas bagaceras o calderas cuyos combustibles sean sólidos. A

continuación se describirán brevemente estas variables.

1. Relación bagazo alimentado y velocidad de los alimentadores

Como se explicó anteriormente, para obtener esta relación solo se necesitan valores de

bagazo alimentado contra la velocidad de los alimentadores. Estos datos se pueden

modificar en el programa de tal forma que si existe algún cambio en el funcionamiento de

los alimentadores se puede volver a recalcular esta ecuación.

64

2. Cálculo del porcentaje de remoción de cenizas

En el programa aparecerán los valores de entrada para tener la posibilidad de volver a

calcular esta remoción; por lo que, de manera muy sencilla, se podrá conocer el porcentaje

de remoción de cenizas del sistema cada vez que se hagan mediciones de particulado en la

chimenea.

3. Cálculo de la relación de la abertura del dámper con el aire alimentado

La ventaja de poder tener acceso a modificar esta ecuación es que se podrán cambiar los

valores de oxigeno de salida por la chimenea y obtener nuevos valores de entrada de aire en

base al porcentaje de abertura del dámper.

De igual forma que las otras dos variables específicas, se tiene que ser coherente con los

datos colocados, es decir, que los promedios de esos datos correspondan al día y las horas

de medición de gases y partículas, para poder relacionar de manera más real el sistema.

b. Calculador Emisiones de la Caldera

Esta parte del programa tiene las mismas secciones que el Simulador de Emisiones de la

Caldera, por lo que no se explicarán ya que el funcionamiento es prácticamente el mismo.

El algoritmo de este programa también está basado en la modelación del Capítulo 4,

solamente que no posee balances de energía ni cálculos del calor radiante (por ende, no

simula cambios en la eficiencia de la caldera)

Se recomienda que se use esta sección para ver los cambios en los resultados sólo cuando

se posean todos los datos de entrada requeridos.

En la Figura 6.1 se presenta una imagen del PEEC. En esta figura se observa el panel de

ingreso de variables de entrada para la sección de la Simulación de Emisiones de la

65

Caldera, también se pueden ver las demás viñetas, las cuales al seleccionarlas llevan al

usuario al panel de control.

Una explicación más detallada del uso PEEC se muestra en el Anexo B de este trabajo, en

el cual se describirá cada una de las partes del programa y cómo utilizarlo correctamente.

Figura 6.1. Imagen de Presentación del Programa de Estimación de Emisiones de la Caldera

6.2 Metodología de la Aplicación del Modelo de Dispersión con AERMOD

Para llevar a cabo la simulación de la dispersión se consideró la situación que se describe a

continuación y que se define como “modelo base”. El modelo base consiste en un Ingenio

Azucarero que cuenta con una sola caldera bagacera equipada con un lavador húmedo de

gases (scrubber), y cuyos productos de combustión, entre los cuales se tiene material

particulado total (PTS), material particulado con diámetro menor a 10 micras (PM10) y

66

material particulado con diámetro menor a 2.5 micras (PM2.5), se expulsan a través de una

chimenea de 35 metros de alto. Los límites del modelo se establecen en una superficie

cuadrada plana de un kilómetro de largo en cuyo centro se encuentra la fuente fija.

Se calculó la concentración en cada uno de los 441 receptores de una grilla cartesiana que

cubre la extensión de los límites del modelo produciéndose como resultado un mapa de

concentraciones que representa a la dispersión del contaminante. Además, se ubicaron ocho

receptores discretos adicionales para evaluar las concentraciones puntuales de éstos; la

ubicación de estos receptores discretos se estableció de forma que hubiera una separación

radial de 45º entre cada uno de ellos. La distribución de los ocho receptores se hizo de la

siguiente manera:

− 1 receptor a una distancia de 200 metros respecto de la chimenea en cada uno de los

cuatro puntos cardinales (Total de 4 receptores)

− 4 receptores a una distancia de 300 metros respecto de la fuente ubicados al noreste,

noroeste, sureste y suroeste de ésta.

Las características de la fuente emisora se han obtenido a partir del Estimador de Emisiones

que se elaboró en LabView y cuya metodología de desarrollo fue descrita en la sección

anterior. Los valores de entrada al Estimador de Emisiones se detallan en la Tabla 6.1.

Los valores que se obtienen en el Estimador de Emisiones y que se utilizaron para definir a

la fuente fija son:

− Tasa de emisión del contaminante (PTS, PM10 o PM2.5);

− Temperatura de salida de los gases de chimenea; y,

− Flujo de los gases de chimenea;

− Además se debe definir el diámetro interior de la fuente fija, el cual en el modelo

base se fijó en 2.98.

67

Tabla 6.1. Valores de Entrada al Estimador de Emisiones para Modelo Base.

Variable Valor Variable Valor

Relación

aire/bagazo 0.8

% Carbono en

bagazo seco sin

ceniza

48.2%

Vapor generado 327 Klb/h

% Hidrógeno en

bagazo seco sin

ceniza

6.7%

Poder calorífico 3886 cal/g

% Oxígeno en

bagazo seco sin

ceniza

45.1%

Humedad del aire 0.0185 lbH2O/lb as Temperatura vapor 909ºF

Temperatura del

aire 98.3ºF

Temperatura agua

alimentada 280.8ºF

% ceniza en bagazo 4.2% Fracción

PM10/PTS 97.14%

% humedad en

bagazo 49%

Fracción

PM2.5/PTS 44.29%

Los datos meteorológicos que se establecen en el modelo base pueden consultarse en el

ANEXO B y se obtuvieron de una estación meteorológica propiedad del Servicio Nacional

de Estudios Territoriales (SNET) entre los días 16 al 28 de mayo del año 2009.

Para el procesamiento de los datos meteorológicos se introdujeron los datos del ANEXO B

convertidos en un formato SAMSON al preprocesador de datos meteorológicos llamado

AERMET que se encarga de generar dos archivos con información de superficie y del perfil

vertical de variables meteorológicas que sirven de entrada a AERMOD.

Los datos provenientes de radiosondeos necesarios en el preprocesador AERMET se han

calculado con el estimador que incluye el software AERMET View (el cual es un

68

complemento del ISC-AERMOD View) debido a que no se pudo contar con información

de este tipo para El Salvador. Además, se consideraron valores de Albedo, Fracción de

Bowen y rugosidad de la superficie de 0.28, 0.75 y 0.0725 respectivamente los cuales

corresponden a una superficie de terreno cultivada.

6.3 Metodología para la Evaluación de la Influencia de Distintas Variables en

la Dispersión de los Contaminantes

Para evaluar la influencia de algunas variables en la dispersión de los contaminantes se

introdujeron cambios en las mismas y se observó cómo respondieron los valores de

concentración de los ocho receptores discretos que se establecieron en el modelo.

Las variables que se evaluaron pueden ser clasificadas en tres tipos:

− Variables de operación de la caldera, las cuales hacen referencia a los datos que se

ingresan al Estimador de Emisiones y que tienen un efecto sobre las características

de la fuente fija estudiada;

− Variables del modelo, las cuales hacen referencia a parámetros que se establecen en

el modelado como son la adición de otras fuentes contaminantes, presencia de

edificaciones que interfieran en la dispersión, influencia del terreno, etc.

− Otras Variables, en este grupo se incluyen variables que no se encuentran dentro de

las categorías anteriores pero que pueden influir en el cálculo de las emisiones

En la Tabla 6.2 se muestran las variables a las que se les evaluará su influencia en la

dispersión a través de la comparación con los receptores discretos del modelo base.

Las variaciones que se llevarán a cabo para evaluar el efecto de cada una de las variables

mencionadas en la Tabla 6.2 se describen a continuación.

69

Tabla 6.2. Variables a Evaluar su Influencia en la Dispersión de los Contaminantes.

Variables a Evaluar

Variables de Operación de la

Caldera Variables del Modelo

Otras Variables

Relación aire/bagazo Terreno Altura de la chimenea

Poder calorífico del bagazo Edificaciones

circundantes

Proporciones PTS/PM10 y

PTS/PM2.5

Temperatura de agua de

alimentación

Inclusión de fuente de

línea

% de ceniza en bagazo

6.3.1 Cambios en las Variables de Operación de la Caldera

− Humedad del Bagazo

La cantidad de humedad que tiene el bagazo puede manejarse si éste pasa por un proceso de

secado antes de ingresar al hogar de la caldera. Se consideró una variación en la humedad

del bagazo con un valor de 44% y 53% (valores mínimo y máximo de humedad

presentados por Hugot [1964]) y se corrió el modelo para observar los cambios producidos

en las emisiones y concentraciones de los receptores.

− Relación Aire/Bagazo

La relación aire/bagazo es la que determina el porcentaje de exceso de aire que se esté

utilizando para llevar a cabo la reacción de combustión. Éste valor influye en la emisión

del material particulado (y se evaluó como influye el cambio en la relación aire/bagazo);

esta relación se cambió del 0.8 utilizado en el modelo base a un valor inferior de 0.7 y uno

superior de 0.9.

70

− Temperatura del Agua de Alimentación

Una temperatura del agua de alimentación alta proporciona un aumento en la eficiencia de

la caldera ya que se reduce la brecha entre el estado energético del producto (vapor) y de la

entrada (agua). Se evaluó cuál es el impacto que puede tener dicha variable sobre la

concentración al colocar un valor inferior al del modelo base de 150ºF y otro superior que

fue de 400ºF.

− Purga

En el modelo de la caldera se incluye una purga de agua del domo, la cual para el modelo

base es igual a cero, pero se evalúa cuando ésta tiene valores de 10 ton/h y 30 ton/h para

observar el efecto que esto tiene sobre las emisiones y la dispersión de éstas.

6.3.2 Cambios en las Variables del Modelo

− Terreno

La variable de terreno sólo tiene dos posibles opciones: terreno plano o terreno elevado; es

por ello que el cambio que se llevó a cabo respecto del modelo base es incluir en el modelo

el archivo de elevación digital que permite a AERMOD diferenciar entre las alturas de los

receptores.

El terreno importado consiste de un cuadrado de 1600 metros de ancho por 1500 metros de

largo que encierra a los límites del modelo. Se utilizó un archivo de elevación digital en

formato GOTOPO30 para realizar este cambio.

− Edificaciones Circundantes

En el modelo base no se cuenta con edificaciones circundantes que interfieran en la

dispersión de los contaminantes, sin embargo, para evaluar qué tanto puede afectar esta

71

variable a la concentración de los receptores discretos se simuló la presencia de un

complejo de edificios que se colocó en la dirección predominante del viento para evaluar

cómo la altura del edificio puede influir en la dispersión, se realizaron dos simulaciones

para cada uno de los contaminantes estudiados (PTS, PM10 y PM2.5) con altura de edificio

distinta: la primera para 20 metros y la segunda 50 metros.

− Inclusión de Fuentes de Línea

Dado que en un Ingenio Azucarero existe un alto flujo vehicular de rastras que llevan la

caña que debe ser procesada y que transitan sobre caminos no pavimentados, estos caminos

emiten cierta cantidad de material particulado debido a la erosión que ejercen los vehículos

de carga por lo que es posible que este factor influya en los resultados de las

concentraciones.

Se evaluó el efecto del flujo vehicular de una fuente de línea hipotética en la emisión de

PTS, PM10 y PM2.5.; para ello se supuso una fuente de línea ubicada al norte de la fuente

fija del modelo y se evaluó cuando la emisión de PTS de ésta era de 0.2 g/s y de 0.05g/s.

Para la fuente de línea la proporción de PM10/PTS fue de 0.359 y la de PM2.5/PTS de

0.168, las cuales fueron tomadas del “Diagnóstico de la Calidad del Aire. Levantamiento de

Fuentes Fijas”[MARN, 2003]

6.3.3 Cambios en Otras Variables

− Altura de la Chimenea

Se evaluó la influencia que tiene la altura de la chimenea en el cálculo de las

concentraciones sobre los receptores discretos que tiene el modelo base. Se calcularon las

concentraciones cuando la altura de la chimenea se modifica de 35metros (altura en el

modelo base) a 20 metros y a 50 metros.

72

− Proporción PTS/PM10 y PTS/PM2.5

Las proporciones de PTS a PM10 y PM2.5 se establecieron en el Estimador de Emisiones

en base a los factores de emisión proporcionados por la EPA para calderas bagaceras

equipadas con lavadores de gases húmedos. La proporción de PM10/PTS se cambió de

97.14% a 80% y 99% y la proporción de PM2.5/PTS se cambió de 44.29% a 30% y 60%.

Como se dijo anteriormente las proporciones de PM10/PTS y PM2.5/PTS usados en el

modelo base son los que presenta la EPA para cuando el combustible usado es bagazo de

caña de azúcar por lo que se toman valores menores y mayores arbitrarios para verificar su

influencia en la dispersión de material particulado.

− Porcentaje de Ceniza en Bagazo

El porcentaje de ceniza en el bagazo influye en las emisiones resultantes de PTS, PM10 y

PM2.5 y se evaluó cómo ésta variable influye en las concentraciones de los receptores

seleccionados al cambiar el valor del modelo base a un 2% y un 5%. Siendo estos valores

entre los cuales se mantiene el porcentaje en composición de ceniza en el bagazo.

− Poder Calorífico del Bagazo

El poder calorífico del bagazo que se esté quemando determina las cantidades que se

requieren de éste para cumplir con la demanda de vapor establecida. Se evaluó como afecta

esta propiedad del combustible a las concentraciones de PTS, PM10 y PM2.5 utilizando un

valor de poder calorífico de 3800 cal/g y de 4600 cal/g. Estos valores se escogieron

arbitrariamente en base a datos bibliográficos y experimentales de mínimos y máximos de

poder calorífico de bagazo

73

CAPÍTULO 7: RESULTADOS Y ANÁLISIS

Los resultados de las estimaciones del material particulado a través del programa en

LabView y las simulaciones de la dispersión de éste se presentan clasificados por el tipo de

variable analizada, es decir, si es una variable de operación de la caldera, si es una variable

del modelo o ninguna de las anteriores categorías. En esta sección se presentan únicamente

los valores de los receptores discretos y en el ANEXO D pueden observarse los mapas de

concentración para cada caso. Cabe mencionar que los resultados de las concentraciones

son las que se tendrán para un período de 24 horas.

Las concentraciones de los receptores discretos resultados de la simulación de la dispersión

del material particulado para el que se ha definido como modelo base se presentan en la

Tabla 7.1. Estos son los resultados que sirven de referencia para evaluar la influencia de

cada variable en los valores de concentración predichos para cada caso. En los mapas de

concentración de PTS, PM10 y PM2.5 del modelo base puede observarse que las

direcciones predominantes del viento son hacia el este y el noroeste.

Tabla 7.1. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo Base.

Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)

Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste

Modelo Base

PTS 22.17 39.58 12.61 20.24

PM10 21.54 38.45 12.25 19.66

PM2.5 9.82 17.53 5.59 8.96

7.1 Resultados de la Evaluación de las Variables de Operación de la Caldera

Los cambios en las variables de operación de la caldera reflejan las variaciones en la tasa de

emisión de partículas, la temperatura de salida de los gases y el flujo de gases de chimenea.

La primera variable que se evaluó referente a la operación de la caldera fue la humedad

con la que el bagazo ingresa a la caldera. En la Figura 7.1 se muestra como es el cambio

74

en le emisión de material particulado total a diferentes humedades de entrada del bagazo y

en la Tabla 7.2 y Tabla 7.3 se muestran los valores de concentración de cada uno de los

receptores cuando la humedad del bagazo se supone de 44% y 53% respectivamente.

Además, se obtuvo una temperatura de los gases de chimenea de 212ºF y un flujo de 59.5

m3/s con humedad 44%; y 140ºF y 75.4 m3/s con humedad de 53%.

Figura 7.1. Emisión de PTS en Función de la Humedad del Bagazo de Entrada

Se observa en la Figura 7.1 que en la medida en que la humedad del bagazo aumenta, las

emisiones también lo hacen, esto se debe a que en la medida en que más agua entra con el

bagazo, más energía se utiliza para evaporar esta agua y no para la producción del vapor

deseado. Al perder eficiencia la caldera, se necesita una mayor cantidad de bagazo para

producir una cantidad de vapor fija por lo que al quemarse más bagazo se emiten más

partículas a través de la chimenea.

Tabla 7.2. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad de Bagazo

de 44%



Humedad bagazo 44%

PTS 15.94 28.41 9.39 15.15

PM10 15.48 27.61 9.12 14.71

PM2.5 7.06 12.58 4.15 6.71

31,5

32

32,5

33

33,5

34

40% 42% 44% 46% 48% 50% 52% 54%

Emis

ión

(g/

s)

Humedad

75

Tabla 7.3. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad de Bagazo

de 53%



Humedad Bagazo 53%

PTS 21.49 37.83 12.36 19.84

PM10 20.9 36.79 12.02 19.29

PM2.5 9.53 16.77 5.48 8.79

En la Tabla 7.2 se observa que la concentración en los receptores cuando el bagazo tiene

una menor humedad es menor que en el modelo base, lo cual es congruente con el hecho de

la menor emisión que se experimenta.

Sin embargo, en la Tabla 7.3 se observa que a pesar que la humedad del bagazo es mayor,

y en consecuencia la emisión también lo es, las concentraciones de los receptores discretos

son menores que en el modelo base, esto se debe a que al cambiar el parámetro de

humedad, no solo cambia el valor de la emisión, sino también el flujo y la temperatura de

los gases de chimenea, entonces, que dado que el flujo de gases es mayor cuanto mayor es

la humedad, también lo será la velocidad con la que los gases salen de la chimenea

dándoles a estos una mayor flotación iniciando la dispersión desde una mayor altura y

viajando a una velocidad más rápida, lo cual provoca esa disminución que se observa en la

concentración de los receptores.

En la Figura 7.2 se muestra el resultado de las emisiones estimadas cuando en el modelo

de la caldera se tiene la relación aire/bagazo de 0.8, 0.9 y 1.0. En la Tabla 7.4 y

Tabla 7.5 se muestran los resultados de las concentraciones calculadas por AERMOD de

cada uno de los receptores discretos cuando se varía la relación aire/bagazo a 0.9 y 1.0

respectivamente. Además se obtuvo una temperatura de gases de chimenea de 224.6ºF y un

flujo de 79.3m3/s con una relación de 0.9; y 289.4ºF y 93.5 m3/s con una relación de 1.0.

76

Figura 7.2. Emisiones de PTS, PM10 y PM2.5 en Función de la Relación aire/bagazo.

En la Figura 7.2 puede comprobarse que en la medida en que la relación aire/bagazo

aumenta (es decir, al aumentar el porcentaje de exceso de oxígeno) también aumentan las

emisiones de PTS, PM10 y PM2.5. Esto se debe a que mientras mayor sea esta relación,

significa que habrá más gases (aire) que calentar, perdiendo energía y disminuyendo la

eficiencia de la caldera por lo que se requiere más bagazo para producir una cantidad de

vapor dada y en consecuencia se emiten más partículas a través de la chimenea.

Debe señalarse que la relación entre el exceso de aire y las emisiones mostrada en la

Figura 7.2 no es monótonamente creciente y solamente representa una sección de la curva

ya que en el modelo de la caldera no se ha podido simular cuál es efecto que se tiene

cuando hay defecto de aire y la reacción de combustión incompleta se da en mayor grado.

10

15

20

25

30

35

40

0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05

Emis

ión

(g/

s)

Relación aire/bagazo

PTS

PM10

PM2.5

77

Tabla 7.4. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación aire/bagazo

= 0.9



Relación aire/bagazo = 0.9

PTS 13.15 23.35 7.99 12.9

PM10 12.77 22.67 7.75 12.52

PM2.5 5.82 10.34 3.53 5.71

Tabla 7.5. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación aire/bagazo

= 1.0.



Relación aire/bagazo = 1.0

PTS 9.9 17.84 6.22 10.06

PM10 9.62 17.35 6.05 9.79

PM2.5 4.39 7.91 2.76 4.46

En la Tabla 7.4 y

Tabla 7.5 se observa el mismo efecto que se mencionó en la evaluación del porcentaje de

humedad en el bagazo: a pesar de que las emisiones crecen en la medida en que crece la

relación aire/bagazo respecto del modelo base, las concentraciones decrecen debido al

aumento en el flujo de los gases de chimenea.

En la Figura 7.3 se presenta el resultado que se obtiene en el programa estimador de

emisiones cuando el modelo de la caldera presenta una temperatura del agua de

alimentación de 150ºF, 280.8ºF y 400ºF. En La Tabla 7.6 se presenta el resultado de la

concentración en los receptores discretos para el modelo con temperatura del agua de

entrada al domo de 150ºF y en la Tabla 7.7 se presentan los resultados cuando esta

temperatura es de 400ºF. Además, en el estimador de emisiones se obtiene que la

temperatura de los gases de combustión es de 212ºF y el flujo de 77.9 m3/s cuando la

temperatura del agua de entrada al domo es de 150ºF; y cuando esta temperatura es de

78

400ºF se obtiene un valor de 57.8 m3/s y la temperatura de los gases de chimenea de

152.6ºF.

Figura 7.3. Emisión de PTS en Función de la Temperatura del Agua de Alimentación al Domo.

En la Figura 7.3 se observa que cuando la temperatura del agua de alimentación es baja, la

tasa de emisión de material particulado crece, esto se debe a que una temperatura de

alimentación alta representa un ahorro en la energía desprendida con la combustión del

bagazo ya que se encuentra en un estado energético más cercano al del vapor

sobrecalentado que se desea obtener.

Tabla 7.6. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Temperatura de

Agua de Alimentación = 150ºF



Temperatura agua alimentación = 150ºF

PTS 15.5 27.47 9.35 15.11

PM10 15.06 26.69 9.08 14.68

PM2.5 31.59 56.01 19.06 30.8

24

26

28

30

32

34

36

38

40

100 150 200 250 300 350 400

Emis

ión

(g/

s)

Temperatura (ºF)

79

Tabla 7.7. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Temperatura de

Agua de Alimentación = 400ºF



Temperatura agua alimentación = 400ºF

PTS 19.48 34.83 11.06 17.75

PM10 18.92 33.83 10.75 17.24

PM2.5 8.63 15.43 4.9 7.86

Al igual que en las evaluaciones de las variables de operación de la caldera anteriormente

analizadas, la concentración de los receptores discretos disminuye a pesar de que la tasa de

emisión de los contaminantes aumenta lo cual se debe a la variación en el flujo y

temperatura de los gases de chimenea.

En la Figura 7.4 se presenta el resultado de las emisiones de PTS en función del flujo de

purga del agua del domo. Del programa estimador de emisiones también se obtienen los

valores de temperatura y flujo de los gases de combustión; cuando el flujo de purga es de

10 ton/h, estos valores son de 228.2ºF y 69.7 m3/s, y cuando el flujo de purga es de 30

ton/h, de 330.8ºF y 74 m3/s.

Figura 7.4. Emisiones de PTS en Función del Flujo de Purga del Agua del Domo

32

32,5

33

33,5

34

34,5

35

35,5

36

0 5 10 15 20 25 30 35

Emis

ion

es

(g/s

)

Purga (ton/h)

80

El resultado de la Figura 7.4 demuestra que el flujo de purga representa una pérdida de

energía ya que esa masa de agua se calienta pero la energía utilizada para calentarla no la

convierte en vapor a las condiciones deseadas, es por ello que con un flujo de purga se

demanda mayor cantidad de bagazo lo cual se transforma en un aumento en las emisiones

de material particulado.

En la Tabla 7.8 se muestran los resultados de concentración en los receptores discretos

cuando el modelo establece que se tiene un flujo de purga del agua del domo de 10 ton/h; y

en la

Tabla 7.9 se muestran estos mismos valores cuando el flujo de purga es de 30 ton/h.

Tabla 7.8. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de Purga de 10

ton/h.



Flujo de purga = 10 ton/h

PTS 14.16 25.19 8.53 13.76

PM10 13.77 24.5 8.29 13.38

PM2.5 6.28 11.16 3.78 6.1

Tabla 7.9. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de Purga de 30

ton/h.



Flujo de Purga = 30 ton /h

PTS 10.85 19.43 6.76 10.89

PM10 10.55 18.89 6.57 10.59

PM2.5 4.81 8.61 3 4.83

Los valores de concentración de los receptores discretos en los modelos cuando se tiene

purga de 10 ton/h y 30 ton/h se observan que son menores con respecto al modelo base lo

cual se debe al mayor flujo de gases que se emite cuando se dan estas condiciones.

81

7.2 Resultados de la Evaluación de las Variables del Modelo

Las variables del modelo se refieren a los siguientes aspectos:

− Inclusión de las elevaciones del terreno en el cálculo de las concentraciones.

− Inclusión de un complejo de edificaciones que representan la estructura en donde se

ubica la fábrica industrial (Ingenio Azucarero).

− Inclusión de una fuente de línea hipotética que representa la erosión que sufre el

camino no pavimentado por donde transitan las rastras.

Los valores de concentración que corresponden a la inclusión de elevaciones digitales al

modelo se presentan en la Tabla 7.10 para cada uno de los receptores discretos en estudio.

Tabla 7.10. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Terreno Elevado.



Terreno Elevado

PTS 26.26 50.67 12.23 19.21

PM10 25.51 49.23 11.88 18.66

PM2.5 11.63 22.44 5.44 8.51

Al compararse los valores de concentración para cada uno de los receptores con el modelo

en que se utiliza un terreno complejo, puede observarse en la Figura 7.5 que los valores de

concentración ubicados en la parte norte y este aumenta la concentración cuando se

consideran los efectos de terreno, mientras que en el sur y oeste, las concentraciones

disminuyen.

De acuerdo al mapa de elevación digital del área en la que se localizan las fuentes emisoras,

los receptores norte y este se encuentran a una altura por encima del nivel de la base de la

chimenea, mientras que los receptores sur y oeste, se encuentran a una altura por debajo de

ésta. Puede observarse en la Figura 7.5 que para los primeros dos receptores la

82

concentración calculada con terreno elevado es mayor que con terreno plano y para los

siguientes dos receptores es al revés. Esto se debe a que la fórmula de cálculo de AERMOD

provoca que la concentración aumente cuando el receptor se encuentra en un punto elevado

sobre la base de la chimenea y viceversa.

Figura 7.5. Gráfico de Concentración de PTS de los Receptores Discretos con Modelo Base y con

Terreno Elevado.

En términos físicos, el resultado expuesto anteriormente se entiende si se toma en cuenta

que en un receptor elevado la pluma de contaminantes impacta al terreno de forma

anticipada, aumentando consecuentemente la concentración en dicho punto y disminuyendo

la área de dispersión del material particulado.

En la Figura 7.5 se observa además que el cambio de un modelo a otro es mayor en los

puntos norte y este que en los puntos sur y oeste. Lo anterior se explica a partir de que la

altura del terreno crece en la dirección noreste y es más plana en la dirección suroeste;

tomando en cuenta que AERMOD calcula las concentraciones como un promedio

ponderado entre una pluma horizontal y una pluma que responde al terreno, entonces

mientras mayor sea la diferencia entre la altura del receptor con la altura de la base de la

0

10

20

30

40

50

60

NORTE ESTE SUR OESTE

Co

nce

ntr

ació

n (

µg/

m3

)

UBICACIÓN DEL RECEPTOR

MODELO BASE

TERRENO ELEVADO

83

fuente fija, más pesara el término que se refiere a la concentración de la pluma que

responde al terreno y las diferencias entre las concentraciones para un terreno plano y uno

complejo se acrecentarán.

En la Tabla 7.11 y Tabla 7.12 se presentan los valores de concentración de los

contaminantes cuando en el modelo se incluye un complejo de edificios como una

representación de la plata de producción. La Tabla 7.11 se refiere a cuando la altura de

estos edificios es de 20 metros y la Tabla 7.12 se refiere a cuando estas edificaciones

tienen una altura de 50 metros.

Tabla 7.11. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Edificios de

Altura = 20m.



Edificios h=20m

PTS 22.17 39.58 12.61 20.24

PM10 21.54 38.45 12.25 19.66

PM2.5 9.82 17.53 5.59 8.96

Tabla 7.12. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Edificios de

Altura = 50m.



Edificios h=50m

PTS 22.17 227.8 12.61 49.29

PM10 21.54 221.29 12.25 47.89

PM2.5 9.82 100.88 5.59 21.83

En el caso de los modelos con las edificaciones de 20 metros y 50 metros de altura puede

observarse muy claramente en los mapas de dispersión presentados en el ANEXO D que la

altura del edificio afecta en gran medida cómo se da la dispersión del contaminante.

84

En la Figura 7.6 se observa que de la altura del edificio depende mucho el valor de

concentración obtenido ya que si la edificación tiene una altura menor que la chimenea, su

presencia no parece afectar el valor de la concentración calculado, mientras que cuando la

altura de la edificación sobrepasa a la de la chimenea, existe un cambio importante en la

concentración de los receptores que se encuentran en la dirección predominante del viento.

Figura 7.6. Gráfico de Concentración de PM10 de los Receptores Discretos con Modelo Base, con

Edificios de 20m y con Edificios de 50m.

Se hace evidente en la Figura 7.6 que en la medida en que la edificación es más alta que la

altura de emisión de los gases de combustión, ésta obstruye la dispersión natural de los

contaminantes provocando una acumulación de éstos y aumentando así los valores que

predice el modelo para los receptores que se encuentran en las direcciones predominantes

del viento.

En la Tabla 7.13 y Tabla 7.14 se muestran los resultados cuando se incluyen los efectos de

una fuente de línea en el modelo. La Tabla 7.13 presenta los valores cuando la fuente de

línea tiene una tasa de emisión 0.2g/s (valor dado por la EPA para caminos de polvo) para

material particulado total y la Tabla 7.14 presenta los valores cuando la tasa de emisión de

PTS es de 0.05g/s.

0

50

100

150

200

250

NORTE ESTE SUR OESTE

Co

nce

ntr

ació

n (

µg/

m3

)

UBICACIÓN DEL RECEPTOR

Modelo Base

h=20m

h= 50m

85

Tabla 7.13. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una Fuente de

Línea con Emisión de PTS de 0.2 g/s.



Fuente de Línea, Emisión de PTS = 0.2

g/s

PTS 206.19 65.35 44.1 84.91

PM10 72.17 44.31 23.18 39.03

PM2.5 34.64 20.34 10.83 18.38

Tabla 7.14. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una Fuente de

Línea con Emisión de PTS de 0.05 g/s.



Fuente de Línea, Emisión de PTS = 0.05

g/s

PTS 57.9 43.77 20.37 32.46

PM10 34.36 39.95 14.95 22.84

PM2.5 15.82 18.23 6.85 10.45

Tanto los mapas de dispersión del ANEXO D como las tablas de resultados referentes a la

inclusión de una fuente de línea muestran que la presencia de estas fuentes es determinante

en los valores de concentración de los receptores, y puede observarse que las mayores

concentraciones en ambos casos se observan en las cercanías de la ubicación de la fuente de

línea.

Debe remarcarse que el material particulado de la fuente de línea se emite desde una altura

casi a nivel del suelo, mientras que la fuente fija se emite desde 35 metros de altura, es por

ello, que a pesar de que la fuente de línea presente valores muy altos de concentración, su

efecto se observa primordialmente en las cercanías de donde la fuente está ubicada,

mientras que las emisiones de la chimenea tienen la capacidad de viajar una mayor

distancia y su efecto tiene un alcance mayor.

86

7.3 Resultados de la Evaluación de Otras Variables que Influyen en la

Dispersión

Las variables que no se clasifican dentro de la categoría de variables de operación de la

caldera ni dentro de variables del modelo, se incluyen en esta categoría; Estas variables

son:

− Cambios en la altura de la chimenea.

− Cambios en las proporciones de PM10 y PM2.5 respecto al PTS.

− Porcentaje de ceniza en el bagazo

− Poder calorífico del bagazo

La altura de la chimenea influye en la forma en que se dispersan los contaminantes que se

emiten a través de ésta, y esto se puede comprobar al observar los valores que resultaron de

la modelación cuando se cambia la altura de la chimenea por un valor menor o mayor al del

modelo base.

En la Tabla 7.15 se presentan los resultados predichos por el modelo de dispersión sobre

los receptores discretos cambiando el valor de la altura de la chimenea hasta un valor de 20

metros; mientras tanto, en la Tabla 7.16 se presentan éstos resultados si la altura de la

chimenea se cambia a 50 metros.

Tabla 7.15. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Altura de

Chimenea = 20m



Chimenea h=20m

PTS 29.49 61.11 16.6 26.59

PM10 26.85 59.37 16.13 25.83

PM2.5 13.06 27.07 7.35 11.47

87

Tabla 7.16. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Altura de

Chimenea = 50m



Chimenea h=50m

PTS 16.39 24.97 9.55 15.32

PM10 15.92 24.26 9.28 14.89

PM2.5 7.26 11.06 4.23 6.79

Queda claramente establecido a la luz de los resultados que para alturas pequeñas de las

chimeneas las concentraciones de un punto específico cercano a la fuente fija aumentan,

mientras que si la altura de la chimenea crece, las concentraciones tienden a decrecer.

A pesar del resultado anterior, no debe pensarse que la altura de la chimenea puede

establecerse como un método de control de la contaminación ya que lo que en realidad

sucede es que cuando la altura de la chimenea es baja los contaminantes caen en mayor

medida a una corta distancia de la ubicación de la fuente fija y por el contrario, las alturas

de chimenea altas favorecen la dispersión.

En la Figura D.46 se presenta el mapa de concentración del modelo con una chimenea de

mayor altura que el modelo base, y puede observarse en ella que cuando la altura de la

chimenea se eleva a 50 metros la zona de mayor concentración únicamente se traslada hacia

un punto más lejano pero no se reduce.

Las proporciones de PM10 y PM2.5 con respecto a PTS se han tomado de los factores de

emisión de la EPA para calderas bagaceras equipadas con lavador húmedo de gases; sin

embargo si se encontrara una relación distinta para las emisiones de una caldera en

particular, este cambio se reflejaría en la concentración de los receptores.

88

Se evaluó un cambio en la relación PM10/PTS evaluando que sucede cuando éste valor

aumenta y qué cuando este valor disminuye, es así, que en la Tabla 7.17 se presentan los

resultados correspondientes a relaciones de PM10/PTS iguales a 0.8 y 0.99.

Tabla 7.17. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Distinta Relación

de PM10/PTS



PM10/PM2.5 = 0.8 PM10 17.14 31.67 10.09 16.19

PM10/PM2.5 = 0.99 PM10 21.95 39.19 12.49 20.04

Asimismo, también se evaluó un cambio en la relación PM2.5/PTS evaluando que sucede

cuando éste valor aumenta y qué cuando este valor disminuye, es así, que en la Tabla 7.18

se presentan los resultados correspondientes a relaciones de PM2.5/PTS iguales a 0.3 y 0.6.

Tabla 7.18. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Distinta Relación

de PM2.5/PTS



PM2.5/PM2.5 = 0.3 PM2.5 6.65 11.87 3.78 6.07

PM10/PM2.5 = 0.6 PM2.5 13.3 23.75 7.57 12.14

Como es de esperarse, respecto a las fracciones de PM10/PTS y de PM2.5/PTS cuando

estas fracciones se elevan, entonces las concentraciones se elevan, e igualmente cuando

éstas disminuyen respecto de lo establecido, también se espera una reducción en la

concentración.

En la Tabla 7.19 y Tabla 7.20 se presenta en qué porcentaje ha cambiado la relación de

emisión de PM10/PTS y en qué porcentaje cambia el valor de la concentración en cada uno

89

de los 4 receptores. Tabla 7.19 corresponde al cambio de la relación del modelo base a una

relación de PM10/PTS de 0.99, mientras que la Tabla 7.20 corresponde a la variación de la

relación PM10/PTS a 0.80.

Tabla 7.19. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.99 y Porcentajes de

Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada Receptor.

Norte Este Sur Oeste

% Cambio en la Relación de Emisión

de PM10/PTS 1.91% 1.91% 1.91% 1.91%

% de Cambio en la Concentración de

PM10 1.90% 1.92% 1.96% 1.93%

Tabla 7.20. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.80 y Porcentajes de




de PM10/PTS 17.64% 17.64% 17.64% 17.64%


PM10 20.42% 17.63% 17.63% 17.65%

Es evidente que los resultados demuestran que casi en la misma medida en que se cambia el

factor de emisión de PM10/PTS, en esa misma medida se cambiará el valor de la

concentración predicha para cada receptor. Esto se debe a que en la ecuación de la pluma

gaussiana, la tasa de emisión del contamínate “Q” es directamente proporcional a la

concentración en un punto determinado.

La Tabla 7.21 y Tabla 7.22 muestran el mismo comportamiento y confirman que,

porcentualmente, las variaciones que presenta la tasa de emisión del contaminante serán

aproximadamente iguales a las variaciones que presenta el valor de concentración.

90

Tabla 7.21. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.30 y Porcentajes de




de PM2.5/PTS 32.24% 32.24% 32.24% 32.24%


PM2.5 32.28% 32.28% 32.38% 32.25%

Tabla 7.22. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.60 y Porcentajes de

Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada Receptor



de PM2.5/PTS 35.50% 35.50% 35.50% 35.50%


PM2.5 35.44% 35.48% 35.42% 35.49%

En la Figura 7.7 se muestran las emisiones de PM10 en función del porcentaje de ceniza

en bagazo. Además, con el programa estimador de emisiones se encontró la temperatura de

salida y el flujo de los gases de chimenea; estos valores resultaron de 145.4ºF y 66.7 m3/s

cuando el porcentaje de ceniza es de 2%; y de 154.4ºF y 66.7 m3/s cuando el porcentaje de

ceniza es de 5%.

En la Tabla 7.23 y Tabla 7.24 se muestran los resultados de las concentraciones en los

receptores discretos cuando el porcentaje de ceniza en el bagazo es de 2% y 5%

respectivamente.

Puede observarse que para el modelo con un porcentaje de ceniza de 2% los valores de

concentración de los receptores discretos son menores que con el modelo base y el modelo

con 5% de ceniza son mayores que el modelo base.

91

Figura 7.7. Emisión de PM10 en Función del % de Ceniza en el Bagazo

Tabla 7.23. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de Ceniza en

Bagazo de 2%.



% Ceniza en Bagazo = 2%

PTS 10.23 18.15 5.85 9.38

PM10 9.96 17.67 5.69 9.14

PM2.5 4.54 8.05 2.6 4.16

Tabla 7.24. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de Ceniza en

Bagazo de 5%.



% Ceniza en Bagazo = 5%

PTS 23.99 42.6 13.81 22.2

PM10 23.33 41.43 13.43 21.59

PM2.5 10.64 18.89 6.12 9.84

10

15

20

25

30

35

40

1% 2% 3% 4% 5% 6%

Emis

ión

(g/

s)

% ceniza en bagazo

92

A diferencia de la evaluación de las variables de operación de la caldera, en este caso el

aumento en la tasa de emisión de partículas corresponde a un aumento en la concentración

de los receptores. Esto se debe a que en este caso el flujo de gases de chimenea no varía

considerablemente con respecto al modelo base ya que la cantidad de bagazo que se

introduce a la caldera para una cantidad de vapor dada no se modifica; en cambio, el

aumento en las emisiones se debe a que el bagazo contiene una mayor cantidad de ceniza

que es a lo que finalmente se considera que se deben las emisiones de partículas.

En la Figura 7.8 se muestra el resultado de la emisión de PM2.5 en función del poder

calorífico del bagazo. El programa estimador de emisiones predice asimismo que la

temperatura de salida y el flujo de los gases de chimenea será de 219.2ºF y 61.7 m3/s

cuando el poder calorífico es de 4200 cal/g y de 271.4ºF y 55.5 m3/s cuando el poder

calorífico es de 4600 cal/g.

Figura 7.8. Emisión de PM2.5 en Función del Poder Calorífico del Bagazo.

Claramente se observa que en la medida en que el bagazo tenga un poder calorífico más

grande, mayor cantidad de energía disponible habrá por unidad de masa de bagazo lo cual

se transforma en una menor cantidad de emisiones para una cantidad de vapor requerido

dada.

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

14,5

3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700

Emis

ión

(g/

s)

Poder calorífico del bagazo seco (cal/g)

93

En la Tabla 7.25 y Tabla 7.26 se muestran los resultados de la concentración de los

receptores discretos cuando el modelo se plantea con capacidad calorífica del bagazo de

4200 cal/g y 4600 cal/g respectivamente.

Tabla 7.25. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder Calorífico del

Bagazo de 4200 cal/g.



Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g

PTS 14.23 25.34 8.44 13.62

PM10 13.82 24.62 8.2 13.24

PM2.5 6.3 11.23 3.74 6.03

Tabla 7.26. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder Calorífico del

Bagazo de 4600 cal/g.



Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g

PTS 11.71 20.94 7.04 11.32

PM10 11.36 20.32 6.83 10.99

PM2.5 5.18 9.26 3.11 5.01

En la Tabla 7.25 y Tabla 7.26 se observa que las concentraciones de los receptores

discretos disminuyen dado que las emisiones y el flujo de gases de chimenea también lo

hacen, esto se debe a que si se tiene fijo el requerimiento de energía, cuando el poder

calorífico del combustible sea mayor, menor será la cantidad que se requerirá de éste y

viceversa.

95

CONCLUSIONES

El estudio de la generación de emisiones y de cómo éstas se dispersan en el ambiente arroja

las conclusiones que se listan a continuación.

− Los cambios en las variables de operación de la caldera que conllevan a una pérdida

en la eficiencia de ésta, producen mayores tasas de emisión de material particulado

como consecuencia de los mayores requerimientos de bagazo para una cantidad de

vapor dada.

− Una mayor tasa de emisión debida a cambios en la operación de la caldera no

necesariamente se traduce en un mayor valor de concentración para un receptor

determinado debido a que al realizar cambios en la caldera, también se observan

cambios en el flujo y temperatura de los gases de chimenea los cuales influyen en el

cálculo de la concentración.

− Cuando un receptor se encuentra a una altura por encima de la altura de la base de la

chimenea, la concentración calculada por AERMOD utilizando la opción de terreno

elevado es mayor que utilizando la opción de terreno plano.

− La presencia de edificaciones únicamente afecta a los valores de concentración de

los receptores cuando las alturas de éstas son superiores a la altura de la chimenea

ya que cuando esto sucede, se afecta a la dispersión que naturalmente tendría la

pluma y se producen acumulaciones del contaminante en cuestión.

− Elevar la altura de la chimenea aleja las máximas concentraciones de los

contaminantes respecto de la ubicación de la fuente fija, mientras que una altura de

la chimenea baja produce que los valores de máxima concentración se ubiquen más

cercanos a la fuente fija.

96

− El porcentaje de variación que se experimenta al cambiar una tasa de emisión de un

contaminante será aproximadamente igual al porcentaje de variación que se reflejará

en el valor de concentración predicho por el modelo siempre y cuando no haya

variaciones en otras variables tales como temperatura y/o flujo de gases de

chimenea, ya que estas las variables de emisión y concentración son directamente

proporcionales según la ecuación de dispersión gaussiana.

97

RECOMENDACIONES

Con el objetivo de mejorar la elaboración del estudio de las emisiones y su dispersión, se

realizan las siguientes recomendaciones.

− Recolectar datos meteorológicos que correspondan a un periodo de tiempo más

amplio, de preferencia un año completo para poder considerar todos los posibles

escenarios meteorológicos que se presentan a lo largo de un año.

− Comparar los valores del modelo con datos de mediciones de material particulado

llevadas a cabo en Ingenios Azucareros para comprobar la validez del modelo

planteado.

99

BIBLIOGRAFIA

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http://www.epa.gov/scram001/dispersion_prefrec.htm. [Consultado: 11/05/09]

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Salvador.

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Limusa Editores, México.

ANEXO A: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS MODEL ADAS EN

EL ESTUDIO “DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DEL AIRE;

LEVANTAMIENTO DE FUENTES FIJAS”

A-1

ANEXO A: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS MODEL ADAS

EN EL ESTUDIO “DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DEL AIRE;

LEVANTAMIENTO DE FUENTES FIJAS”

En el Anexo A se presentan los mapas de concentración para un periodo de 24 horas de la

modelación realizada en el estudio “Diagnóstico de la Calidad del Aire, Levantamiento de

Fuentes Contaminantes” para PM2.5, PM10 y Partículas Totales. Se presentan los

resultados para las ciudades en donde se tiene dentro de las fuentes contaminantes a

chimeneas de calderas bagaceras.

En la Figura A.1 se muestra el mapa con las curvas de concentración anual de partículas

totales para el área metropolitana de San Salvador.

Figura A.1. Dispersión de PTS en Área Metropolitana de San Salvador [Diagnóstico de la Calidad del

Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]

A-2

En la Figura A. 2 se muestra el mapa con las curvas de concentración anual de PM10 y en

la Figura A.3 las curvas de concentración anual de PM2.5 para el área metropolitana de

San Salvador

Figura A. 2. Dispersión de PM10 en Área Metropolitana de San Salvador [Diagnóstico de la Calidad

del Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]

En la Figura A.4, Figura A. 5 y Figura A. 6 se muestran los valores promedios anuales de

concentración de material particulado total, PM10 y PM2.5 respectivamente, para el área

metropolitana de San Miguel. Puede observarse en ellas que la estimación realizada en este

estudio señala que el promedio anual de los contaminantes en cuestión no sobrepasa la

norma salvadoreña de calidad de aire en ninguno de los casos.

A-3

Figura A.3. Dispersión de PM2.5 en Área Metropolitana de San Salvador [Diagnóstico de la Calidad

del Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]

Figura A.4. Dispersión de PTS en Área Metropolitana de San Miguel [Diagnóstico de la Calidad del


A-4

Figura A. 5. Dispersión de PM10 en Área Metropolitana de San Miguel [Diagnóstico de la Calidad del


Figura A. 6. Dispersión de PM2.5 en Área Metropolitana de San Miguel [Diagnóstico de la Calidad del


A-5

En la Figura A. 7, Figura A. 8 y Figura A. 9 se muestran los valores promedios anuales

de concentración de material particulado total, PM10 y PM2.5 respectivamente, para el área

metropolitana de Sonsonate. Puede observarse en ellas que la estimación realizada en este

estudio señala que el promedio anual de los contaminantes en cuestión no sobrepasa la

norma salvadoreña de calidad de aire en ninguno de los casos.

Figura A. 7. Dispersión de PTS en Área Metropolitana de Sonsonate [Diagnóstico de la Calidad del


A-6

Figura A. 8. Dispersión de PM10 en Área Metropolitana de Sonsonate [Diagnóstico de la Calidad del


Figura A. 9. Dispersión de PM2.5 en Área Metropolitana de Sonsonate [Diagnóstico de la Calidad del


ANEXO B: DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE ESTIMACIÓN DE EMISIONES

DE UNA CALDERA (PEEC)

B-1

ANEXO B: DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE ESTIMACIÓN DE

EMISIONES DE UNA CALDERA (PEEC)

B.1 Generalidades

Para realizar el Programa de Estimación de Emisiones de una Caldera (PEEC) se utilizó el

software LabVIEW™ versión 8.0, desarrollado por la “National Instrument Corporation”.

LabVIEW™ posee un ambiente de desarrollo gráfico con funciones integradas que

permiten al usuario un medio de programación mucho más moderno que otros software de

programación. Además, otra verdadera ventaja del programa es la interfaz gráfica que

posee, ya que es bastante amigable y muy fácil de utilizar.

Figura B.1. Imagen del Logo del Software LabView 8.0

B.1.1 Comenzar el Programa

Para comenzar a utilizar el programa es necesario conocer las partes más importantes y las

funciones del software que más se utilizan. Es por ello que a continuación se presentan

algunas funciones o definiciones importantes para el buen manejo del programa.

− Instalar el programa

El programa debe ser instalado antes de ser ejecutado y utilizado en cualquier computadora.

Para ello, se requerirá de dos archivos indispensables que se encontrarán en la carpeta

principal del programa llamada “Programa PEEC 1.0”. El primer archivo que se utilizará se

encuentra dentro de la carpeta “Installer” y servirá para instalar el programa. El nombre del

archivo es la aplicación “setup”.

B-2

Luego que se encuentre instalado el programa, se debe ingresar a la otra carpeta llamada

“PEEC” y abrir el archivo con el mismo nombre dentro de la carpeta. Con estos pasos el

programa está listo para ser ejecutado. En la Figura B.1 se puede observar la imagen inicial

que el usuario encontrará cuando abra el programa.

Figura B.2. Imagen Inicial del Programa de Estimación de Emisiones de una Caldera (PEEC)

− Ejecutar el programa

Para iniciar y obtener resultados del programa se debe dar clic al ícono que se muestra

anteriormente (representado por una flecha apuntando hacia la derecha). Cada vez que se

cambie algún valor de entrada se debe presionar el icono otra vez para recalcular los

resultados. Este icono aparece en la parte superior izquierda de la pantalla principal de

LabView.

B-3

− Detener el programa

Esta función se ocupa para detener el programa luego de haberlo ejecutado; sin

embargo, en el PEEC, esta función no se utiliza debido a que, luego de la ejecución del

programa y después de unos segundos, se presentan los resultados y el programa se detiene

por si mismo.

− Valores por defecto

El PEEC cuenta con valores por defecto ya establecidos los cuales forman el llamado

‘”Modelo Base” que se utiliza en este trabajo. Esto ayuda a que el usuario no tenga que

ingresar toda la serie de valores de entrada cada vez que se quiera ejecutar el programa, si

no que solo se pueden cambiar los datos que se necesitan variar. Para regresar a las valores

por defecto luego de haber hecho algunos cambios, se debe ingresar a la opción “Edit” y

luego seleccionar “Reinitialize Values to Default”.

− Entradas al Programa

El PEEC cuenta con algunos iconos específicos para el ingreso de los datos y también para

la apreciación de los resultados. Es importante identificarse con ellos para saber como

ingresar los valores de una manera sencilla. A los iconos para los valores de entrada se les

llama “controladores” y para los resultados se les conoce como “Indicadores”.

Los controladores e indicadores que se utilizan en el programa son los siguientes:

Control numérico

En este cuadro se tienen que ingresar los valores numéricos ya sea digitando directamente

en el espacio en blanco o dando clic izquierdo sobre los botones de incremento-decremento

que son las flechas que se encuentran al lado izquierdo del controlador.

B-4

Termómetro (controlador)

En este icono se ingresarán las temperaturas como se explicará más adelante, ya sea

digitando el valor en el espacio en blanco o moviendo el nivel del termómetro dando un clic

izquierdo y arrastrando hasta el valor que se desee.

Indicadores numéricos

Los Indicadores que se utilizan en el PEEC son los indicadores más sencillos, estos lucen

muy similares a los controles numéricos con la diferencia que en estas casillas se presentan

los resultados.

− Secciones y Sub-secciones del Programa

El programa consta de dos secciones principales como se muestra en la Figura B.3. A

continuación se describen brevemente.

Figura B.3 Secciones Principales del Programa

1. Simulación de emisiones de una caldera:

Esta sección ayuda a conocer las emisiones cuando se cambia algún dato de operación sin

conocer los demás cambios en la caldera. Es muy útil para conocer los efectos de los

cambios en las calderas y se puede obtener valores aproximados de emisión sin hacer

pruebas reales en la caldera.

2. Calculador de emisiones de una caldera

En esta sección se pueden calcular las emisiones de una caldera ingresando todos los

valores de operación que pide el programa en los Datos de entrada. Esta parte del programa

es muy útil si se pueden obtener todos esos datos de operación de una caldera real para

calcular las emisiones reales y su eficiencia.

B-5

Además, estas dos secciones cuentan con otras tres subsecciones en donde se pueden

introducir los datos de entrada, observar los resultados y calcular las variables específicas

de la caldera Figura B. 4. A continuación se describirá cada una de ellas:

Figura B. 4. Sub secciones del programa

a. Datos de Entrada

En esta subsección se introducirán todos los datos necesarios que definirán el

comportamiento de las emisiones en la caldera. Estos datos serán explicados

detalladamente más adelante.

b. Resultados

En esta parte se presentan todos los resultados obtenidos luego de ejecutar el programa,

correspondientes al la combinación de datos que se introdujeron (o que se encuentran por

defecto) en la subsección anterior.

c. Cálculo de variables específicas

En este apartado se realiza el cálculo de las variables específicas de la caldera. Para ello se

necesitan introducir una serie de datos previamente medidos y obtenidos del

funcionamiento de la caldera que se simulará. Estos datos también se describirán con más

detalle posteriormente. Esta subsección se contiene otras dos subdivisiones, estas son

(Figura B. 5): Ecuación del Bagazo Alimentado y Remoción de cenizas y Aire alimentado a

la caldera.

Figura B. 5 Divisiones de la Sub-sección, Cálculo de variables específicas

B-6

Para moverse de una sección a otra y ver los resultados, cambiar datos o recalcular las

variables específicas se tiene que dar clic sobre el nombre del panel de la parte a la cual se

quiera ir y utilizar el programa.

En el siguiente tema se explicará más detalladamente cada sección y cada uno de los datos

que se introducirán en el programa.

B.2 Descripción Detallada del PEEC

Para explicar mejor este programa se nombrarán las dos secciones principales como:

sección 1 y sección 2 para el Simulador de Emisiones y el Calculador de Emisiones

respectivamente, de forma que se facilite la forma de nombrar estas partes dentro de la

descripción.

B.2.1 Sección 1. Simulador de Emisiones de una Caldera

− Datos de Entrada

Esta sección de datos de entrada se divide en 4 partes para clasificar y ordenar el ingreso de

los datos. Los datos de entrada se dividen en: Datos de operación, Temperaturas, Datos del

Bagazo y Otros Datos. A continuación se describe detalladamente.

a. Datos de Operación

Los datos de operación se muestran en la Figura B. 6 y consta de los datos que están más

relacionados con la operación de la caldera.

Relación Aire/Bagazo

Esta relación es muy común que se presente en los paneles de control de los ingenios y

consiste en la relación entre la velocidad de los alimentadores y la abertura del dámper del

tiro forzado. Esta relación es una medida indirecta de la cantidad de aire que se alimenta a

la caldera.

B-7

Figura B. 6 Imagen de los “Datos de Operación” en el Panel de Control “Datos de Entrada” de la

Sección 1

Vapor Generado

En esta entrada se introduce la cantidad de vapor generado en el domo de vapor que sale

directamente a los turbogeneradores (unidades de kilolibras por hora). Este valor influye

directamente en la estimación de emisiones ya que a mayor cantidad de vapor producido

más bagazo alimentado se necesita para generarlo.

Flujo de Purga del Domo

Es el flujo de agua saturada que se purga constantemente del domo de vapor para la

limpieza de la caldera. Este flujo de purga influye en la eficiencia de la caldera ya que es

calor entregado que se desperdicia y no se aprovecha en nada. Para este caso se introduce

este flujo en unidades de toneladas por hora.

Presión del Domo

Es la presión que se encuentra al interior del domo de vapor, y en el programa se utiliza

para calcular la temperatura del domo y así poder obtener el calor necesario para calentar el

flujo de purga. Esta presión es regularmente un poco más alta que la presión del vapor vivo

que pasa a las turbinas. Para este tipo de calderas que se están modelando la presión esta

arriba de los 900 psi.

B-8

Perdidas de Energía en la Caldera

Este valor es un porcentaje de la energía total que se desperdicia por medio de las paredes

en pérdidas de radiación, también se puede incluir en estas pérdidas el porcentaje debido a

la generación de monóxido de carbono y otras perdidas. No siempre puede ser fácil obtener

este valor, algunos fabricantes especifican este porcentaje pero este puede variar.

Disminución Promedio de T. en el SRP

Esta disminución es un promedio estadístico de las mediciones de temperatura de los gases

después del economizador (antes de Sistema de Remoción de Partículas, SRP) y los que

salen por la chimenea.

b. Temperaturas

Estas temperaturas, todas en unidades de Fahrenheit, se utilizan para realizar el balance de

energía y para este caso se utilizan cuatro temperaturas como se muestra en la Figura B. 7.

Figura B. 7 Imagen de las “Temperaturas” en el Panel de Control “Datos de Entrada” en la Sección 1

B-9

A continuación se describen estas cuatro temperaturas:

T. Aire Atmósférico

Es la temperatura del aire atmosférico que es alimentado a la caldera. Esta temperatura es

muy importante debido a que puede reducir la temperatura del horno y disminuir la

eficiencia; sin embargo, es importante recordar que este aire atmosférico es calentado en el

precalentador antes de entrar a la caldera.

T. Agua de Alimentación

Esta temperatura también es la que se mide antes de que el agua intercambie calor en el

economizador, es decir que es la temperatura del agua de los deaireadores que luego es

enviada a los domos.

T. Vapor Producido

El vapor producido se encuentra sobrecalentado, es decir que está a una temperatura más

alta que la temperatura de ebullición a la presión del domo antes ingresada. Esta

temperatura es la que se da justo a la salida del domo de vapor.

T. del Bagazo Alimentado

Es la temperatura del bagazo luego de haber pasado por los molinos y justo para ser

quemado. No siempre se puede contar con este valor pero se pueden hacer aproximaciones

y decir que la temperatura del bagazo es muy similar que la temperatura atmosférica.

c. Datos del Bagazo

Estos datos están compuestos por la composición del bagazo y su poder calorífico. En la

Figura B. 8 se puede notar cómo se aprecia esta parte en panel de control de la sección de

Datos de Entrada.

B-10

Composición del Bagazo Seco Sin Ceniza

Esta es la composición quimica del bagazo utilizado y que prácticamente solo esta

compuesto por carbono, oxígeno y nitrógeno. Estos datos se expresarán en porcentajes (%)

y libres de cenizas y humedad.

Figura B. 8 Imagen de los “Datos del Bagazo” en el Panel de Control

“Datos de Entrada” de la Sección 1

Ceniza en el Bagazo

Es el porcentaje promedio de cenizas que contiene el bagazo (en base seca) luego de haber

pasado por los molinos. La ceniza es el principal causante de la emisión de particulado por

lo que debe de tratarse de obtener el valor más certero posible a travéz de mediciones

constantes del porcentaje de ceniza en el bagazo.

Humedad en el Bagazo

Es el porcentaje promedio del peso del agua en el bagazo alimentado a la caldera. La

humedad es un factor muy importante para la eficiencia por lo que también debe de

obtenerse el valor más real posible.

B-11

Poder Calorífico Superior

Es el factor que indica la cantidad de energía que se puede obtener por unidad de peso de

combustible. Se utiliza el poder calorífico superior ya que es el que se obtiene en las

mediciones del poder calorífico en el laboratorio. El valor promedio suele estar entre los

4000 y 4500 calorías por gramo; sin embargo esto puede variar dependiendo del tipo de

caña que se este procesando.

d. Otros Datos

Esta clasificación contiene los demás datos que se necesitan y no se ubican en las otras

clasificaciones. Estos datos se pueden observar en la Figura B. 9 y se describen a

continuación.

Figura B. 9 Imagen de “Otros Datos” en el Panel de Control “Datos de Entrada” en la Sección 1

P. Aire Atmosférico

Esta presión, que se encuentra en unidades de atmósferas, es la presión a la que está

sometido el aire ambiente antes de ser alimentado a la caldera y solamente se utiliza para

calcular el volumen de este aire por medio de la fórmula de los gases ideales.

Humedad del Aire

Es la cantidad de agua promedio contenida en el aire seco que se alimenta a la caldera

(libras de agua por libras de aires seco). Esta humedad puede ser obtenida de una carta

psicrométrica a la presión y temperatura atmósferica promedio. No es necesario ser tan

preciso con este valor debido a que no influye mucho en la eficiencia de la caldera.

B-12

Fracción de Partículas

Es la fracción másica del total de partículas emitidas en la chimenea de la caldera. Estas son

dos fracciones: la fracción de PM10 y la de PM2.5. La suma de estas dos fracciones no es

necesariamente 1 debido a que todas las PM2.5, por ser menores también a 10 micras, están

incluidas en las PM10.

− Resultados

Los resultados se presentan todos en la segunda subsección o viñeta que se puede observar

en la Figura B. 10.

Figura B. 10 Imagen de la Sub-sección “Resultados” de la Sección 1

Todos estos resultados se describen a continuación:

Bagazo alimentado

El bagazo alimentado es la cantidad de bagazo que es introducido a la caldera para ser

quemado (en unidades de toneladas por hora). Además se presenta también la cantidad de

bagazo seco sin ceniza que es la masa que realmente combustiona.

B-13

Eficiencias

Se presentan dos eficiencias: en base al poder calorífico superior y en base al poder

calorífico inferior. Son las eficiencias calculadas a partir de la energía que se utiliza para

calentar el vapor (desde la temperatura de alimentación hasta la temperatura del vapor de

salida) y el poder calorífico promedio del bagazo.

Remoción de Cenizas en el Sistema

Este valor será calculado en la parte de las variables específicas pero es presentado en esta

parte también para tener una mejor visualización de los resultados.

Velocidad de los Alimentadores

Esta velocidad es un porcentaje que se mide en relación a la proporción de uso de la

velocidad máxima de los alimentadores, que son los que introducen el bagazo a la caldera.

Entre mayor sea la velocidad más bagazo es introducido. La ecuación para calcular esta

relación se encuentra en la parte del cálculo de variables específicas de la caldera.

Tiro Forzado

El tiro forzado indica el porcentaje que mide la abertura del dámper del tiro forzado en

relación a la abertura máxima de este. En otras palabras este porcentaje indica la cantidad

de aire que está ingresando a la caldera, entre más alto el porcentaje de abertura más

cantidad de aire se está alimentando. La ecuación para calcular esta relación se obtiene en

el cálculo de las variables específicas.

Aire Exceso

Es la proporción entre la cantidad de aire sobrante que no combustiona con el bagazo

alimentado y el aire requerido para dicha reacción suponiendo que se lleva a cabo una

combustión completa.

B-14

Proporción aire/bagazo

Este valor indica la relación másica entre el aire alimentado a la caldera y el bagazo

quemado en esta. Esta relación no es la misma que se introduce como dato de entrada:

“Relación aire/bagazo” ya que la proporción, en este caso, es directamente entre las masas

de ambos flujos.

Flujo de Aire

Es la cantidad de aire que se alimenta a la caldera expresada en unidades de metros cúbicos

por segundo (m3/s).

T. Gases Después del Economizador

Es la temperatura obtenida luego de realizar todo el balance de energía y es la que sale

luego de haber intercambiado calor con el precalentador y el economizador.

Composición de Gases Secos

Los gases secos que salen por la chimenea son tres: dióxido de carbono, nitrógeno y

oxígeno. Las composiciones están expresadas en porcentajes en volumen (o molares) de

estos tres gases.

Concentración de PTS

Es la cantidad de cenizas o partículas que se encuentran por metro cúbico en los gases de

salida de la chimenea.

− Resultados para la Simulación de la Dispersión

Estos resultados se muestran haciendo un especial énfasis debido a que serán los valores

que se introducirán en el programa para la simulación la dispersión de particulado en los

alrededores de la chimenea. Estos datos son:

Flujo de gases

Es el flujo volumétrico en unidades de metros cúbicos por segundo (m3/s) de los gases

secos que salen de la chimenea.

B-15

Flujo de PTS

Es la cantidad total de partículas, expresado en unidades de gramos por segundo (g/s), que

salen de la chimenea junto con los gases de salida.

Flujo de PM10

Es la cantidad de partículas que salen de chimenea con un diámetro menor a 10

micrómetros.

Flujo de PM2.5

Es la cantidad de partículas que salen de chimenea con un diámetro menor a 2.5

micrómetros.

T. Gases de Chimenea

Es la temperatura de los gases de la chimenea, es decir, de los gases luego de haber pasado

por el sistema de remoción de partículas.

− Cálculo de Variables Específicas

Se ha mencionado anteriormente que estas variables específicas definen a la caldera y sus

partes y la distinguen en estas variables de las demás. Las tres variables que se definirán

para este programa son: Ecuación entre el bagazo alimentado y la velocidad de los

alimentadores, Remoción de cenizas y la ecuación entre la cantidad de aire alimentado con

la abertura del dámper del tiro forzado. A continuación se explicará con más detalle estas

variables.

Ecuación del bagazo alimentado

La pantalla del panel de control para esta parte del programa se observa en la Figura B. 11,

y consta de dos partes principales: el ingreso de los datos y la ecuación resultante. Se

describen a continuación:

B-16

Figura B. 11 Imagen del Panel de Control para la Ecuación del Bagazo Alimentado

Ingreso de datos para la obtención de la ecuación de la cantidad de bagazo

Los datos que se ingresarán corresponden al bagazo alimentado y la velocidad de los

alimentadores en el mismo instante. Estos datos deben de ser obtenidos de mediciones

previas de estos valores.

Ecuaciones Obtenidas

Las dos ecuaciones mostradas en la Figura B. 11, corresponden a la misma correlación de

los datos ingresados previamente, la diferencia es que se intercambia la variable

dependiente e independiente.

Remoción de cenizas y aire alimentado a la caldera

En esta división se muestran las otras dos variables a calcular, estas se pueden observar en

el panel de control mostrado en la Figura B. 12. En dicha figura se puede notar que hay 5

partes bien definidas para el ingreso y la obtención de los resultados de estas variables.

B-17

Figura B. 12 Imagen del Panel de Control para la Remoción de Cenizas y el Aire Alimentado a la

Caldera

En la primera parte se observa que se deben de introducir la fecha, la hora final y la inicial;

estas solo servirán para introducir todos los datos promedio obtenidos de las calderas en el

mismo periodo de tiempo y de esta forma ser coherente con los cálculos que se realizarán.

En la parte que tiene de título “Datos de Mediciones de Particulado y gases de Chimenea”

se introducirán los datos obtenidos en mediciones de chimenea. Estos datos son: Flujo de

gases secos de la chimenea, PTS promedio, % de oxigeno, Relación aire/bagazo y humedad

del aire.

En la parte de datos del bagazo se introducirán las características de bagazo quemado en el

periodo de tiempo que se está analizando. Estos datos ya fueron explicados anteriormente.

Luego, en la cuarta parte, se encuentran los resultados de la remoción de cenizas los cuales

son: el total de cenizas que entran en el sistema, las cenizas que salen del sistema y lo más

importante, el porcentaje de remoción.

B-18

En la quinta y última parte, se encuentra como resultado la ecuación de la relación del aire

alimentado, que servirá, según el modelo matemático para obtener la cantidad de aire que

ingresa a la caldera.

B.2.1 Sección 2. Calculador de emisiones de una caldera

Esta sección tiene partes muy similares e iguales a la sección 1, por lo se explicará

brevemente los detalles más importantes que distinguen a esta sección y que no se repiten

en la explicación anterior de el simulador de emisiones.

− Datos de Entrada

− Datos de Operación

Los datos de operación se pueden observan en el panel de control mostrado en la Figura B.

13. Como se puede observar en dicha figura solo se cuenta con tres de estos datos.

Figura B. 13 Imagen de los “Datos de Operación” en el Panel de Control “Datos de Entrada” de la

Sección 2

Velocidad de los alimentadores

Esta velocidad se explicó anteriormente en la parte de resultados de la primera sección del

PEEC, sin embargo, para este caso, este valor se debe de introducir como dato de entrada

que indicará de manera indirecta la cantidad de bagazo alimentado.

B-19

− Temperaturas

Las temperaturas ingresadas en esta sección son las que se muestran en la Figura B. 14, y

están compuestas por: la temperatura del aire atmosférico, temperatura del agua de

alimentación, temperatura del vapor producido y la temperatura de los gases de chimenea.

En este caso se introduce la temperatura de los gases de chimenea, que es la temperatura

final del sistema, debido a que no se realiza el balance de energía.

Figura B. 14 Imagen de las “Temperaturas” en el panel de control “Datos de entrada” de la sección 2

− Datos del bagazo

Los datos que se ingresan en esta parte del programa son los mismos que para la sección

del simulador de emisiones.

− Otros Datos

Los datos restantes es esta parte son también los mismos que los de la sección anterior.

− Resultados

Los resultados en este caso, son muy similares a los resultados de la primera sección del

programa, quitando únicamente solo algunos valores que no se obtienen como resultados

debido a las limitaciones de esta sección del programa. Se puede observar en la Figura B.

15el panel que muestra los resultados para el calculador de emisiones de una caldera.

B-20

Figura B. 15 Imagen de la sub-sección “Resultados” de la sección 2

− Cálculo de variables específicas

El cálculo de las variables específicas es prácticamente el mismo, introduciendo los mismos

datos y obteniendo los mismos resultados. En la sección 1, anteriormente explicada, se

puede ver con más detalle el cálculo de las variables específicas.

ANEXO C: DATOS METEOROLÓGICOS

C-1

ANEXO C: DATOS METEOROLÓGICOS

En el Anexo C se presentan los datos meteorológicos recolectados de una estación

meteorológica del SNET que se utilizaron de entrada para el modelo base.

Año

Mes

Día

Hor

a Cloud Cover

(Décimas) Temp (ºC)

HR (%)

Presión (Mbar)

Dir. Viento

(Grados)

Vel. Viento (Nudos)

Altura De Nube

(m) Radiación

(W/M 2)

2009 5 16 0 7 24.90 87 1008 294 3 450 2 2009 5 16 1 7 24.18 91 1008 16 1 450 2 2009 5 16 2 7 24.38 90 1007 43 1 450 2 2009 5 16 3 7 24.95 86 1007 58 1 450 2 2009 5 16 4 7 25.08 81 1008 66 3 450 3 2009 5 16 5 7 25.03 78 1008 66 3 450 4 2009 5 16 6 7 25.13 76 1009 84 3 450 27 2009 5 16 7 7 26.03 74 1009 58 1 450 146 2009 5 16 8 7 27.10 72 1010 47 1 450 309 2009 5 16 9 7 27.97 73 1010 300 1 450 500 2009 5 16 10 7 29.00 70 1010 278 2 450 835 2009 5 16 11 7 29.03 72 1010 313 1 450 1265 2009 5 16 12 7 28.97 67 1009 118 2 450 1783 2009 5 16 13 7 29.32 64 1008 140 2 450 2506 2009 5 16 14 7 28.98 67 1007 164 1 450 2938 2009 5 16 15 7 29.18 67 1006 206 2 450 3474 2009 5 16 16 7 28.85 68 1006 199 2 450 3871 2009 5 16 17 7 27.78 74 1006 210 1 450 3351 2009 5 16 18 7 27.28 74 1007 177 1 450 2 2009 5 16 19 7 27.28 75 1007 145 1 450 2 2009 5 16 20 7 26.67 79 1008 99 1 450 2 2009 5 16 21 7 26.28 81 1008 71 1 450 2 2009 5 16 22 7 25.90 82 1009 60 1 450 2

2009 5 16 23 7 25.53 84 1008 57 1 450 2 2009 5 17 0 7 25.62 82 1008 69 1 450 2 2009 5 17 1 7 25.37 85 1007 357 0 450 2 2009 5 17 2 7 26.13 85 1007 295 2 450 2 2009 5 17 3 7 25.52 84 1007 30 0 450 2 2009 5 17 4 7 25.33 84 1007 337 0 450 2 2009 5 17 5 7 25.23 83 1008 60 1 450 3

C-2

2009 5 17 6 7 26.58 79 1008 302 1 450 60 2009 5 17 7 7 28.35 74 1008 300 2 450 293 2009 5 17 8 7 30.05 71 1009 283 2 450 740 2009 5 17 9 7 30.20 71 1009 279 2 450 1380 2009 5 17 10 7 30.52 71 1009 265 3 450 2171 2009 5 17 11 7 30.78 72 1008 273 3 450 3053 2009 5 17 12 7 30.83 73 1007 267 3 450 3919 2009 5 17 13 7 30.43 73 1007 265 3 450 4644 2009 5 17 14 7 28.82 79 1006 260 3 450 4897 2009 5 17 15 7 28.32 81 1006 271 3 450 5021 2009 5 17 16 7 28.28 78 1006 272 3 450 5120 2009 5 17 17 7 28.13 75 1006 271 4 450 4299 2009 5 17 18 7 28.07 73 1007 276 3 450 1 2009 5 17 19 7 27.95 76 1008 276 3 450 1 2009 5 17 20 7 27.83 77 1009 275 3 450 1 2009 5 17 21 7 27.33 80 1009 329 1 450 1 2009 5 17 22 7 26.73 83 1010 296 1 450 1

2009 5 17 23 7 26.48 83 1009 343 1 450 1 2009 5 18 0 7 26.42 83 1009 343 1 450 1 2009 5 18 1 7 26.38 85 1007 293 3 450 2 2009 5 18 2 7 25.60 89 1007 319 1 450 2 2009 5 18 3 7 25.02 90 1006 58 1 450 2 2009 5 18 4 7 25.03 86 1007 86 2 450 2 2009 5 18 5 7 24.82 86 1008 73 1 450 4 2009 5 18 6 7 25.75 80 1008 59 2 450 65 2009 5 18 7 7 28.20 71 1009 25 1 450 302 2009 5 18 8 7 29.70 67 1009 285 2 450 754 2009 5 18 9 7 30.68 64 1009 280 3 450 1396 2009 5 18 10 7 31.28 62 1009 276 3 450 2191 2009 5 18 11 7 30.40 65 1008 240 1 450 3074 2009 5 18 12 7 29.78 67 1008 184 2 450 3847 2009 5 18 13 7 28.87 69 1008 173 2 450 4056 2009 5 18 14 7 27.58 76 1007 235 2 450 4095 2009 5 18 15 7 25.30 88 1007 66 1 450 4108 2009 5 18 16 7 24.58 94 1006 0 1 450 4133 2009 5 18 17 7 24.75 95 1007 21 0 450 3470 2009 5 18 18 7 24.92 94 1007 70 1 450 1 2009 5 18 19 7 24.92 90 1008 79 2 450 2 2009 5 18 20 7 25.22 87 1009 90 3 450 2 2009 5 18 21 7 25.17 89 1009 85 2 450 2 2009 5 18 22 7 25.38 85 1009 87 1 450 2

C-3

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C-7

2009 5 27 19 7 26.62 80 1008 262 1 450 5 2009 5 27 20 7 25.42 86 1009 137 1 450 6 2009 5 27 21 7 25.55 92 1010 69 1 450 7 2009 5 27 22 7 24.97 93 1010 67 1 450 8

2009 5 27 23 7 25.02 93 1010 357 0 450 9 2009 5 28 0 7 23.85 97 1010 128 0 450 10 2009 5 28 1 7 23.80 99 1010 77 3 450 10 2009 5 28 2 7 22.77 99 1011 73 3 450 11 2009 5 28 3 7 22.30 100 1010 46 1 450 12 2009 5 28 4 7 22.15 100 1010 61 2 450 12 2009 5 28 5 7 22.37 100 1010 74 2 450 14 2009 5 28 6 7 22.80 96 1010 84 4 450 62 2009 5 28 7 7 24.02 94 1010 7 0 450 246 2009 5 28 8 7 26.73 76 1011 85 1 450 539 2009 5 28 9 7 29.30 63 1012 273 1 450 987 2009 5 28 10 7 30.23 61 1011 261 2 450 1705 2009 5 28 11 7 30.93 62 1010 252 2 450 2526 2009 5 28 12 7 31.52 59 1009 272 2 450 3418 2009 5 28 13 7 30.62 62 1008 254 1 450 4098 2009 5 28 14 7 30.83 61 1007 196 1 450 4674 2009 5 28 15 7 30.40 61 1007 137 2 450 5130 2009 5 28 16 7 29.83 63 1007 125 2 450 5402 2009 5 28 17 7 29.53 64 1008 126 1 450 4601 2009 5 28 18 7 29.05 68 1009 114 1 450 5 2009 5 28 19 7 28.87 71 1010 107 1 450 5 2009 5 28 20 7 28.60 72 1010 121 1 450 5 2009 5 28 21 7 28.35 75 1010 104 1 450 5 2009 5 28 22 7 27.23 82 1010 104 1 450 5

2009 5 28 23 7 24.88 94 1011 282 3 450 6 Tabla C. 1. Datos meteorológicos de una estación meteorológica del SNET utilizados como entrada en

AERMET.

ANEXO D: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE LOS MODELOS EVAL UADOS

D-1

ANEXO D: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE LOS MODELOS EVAL UADOS

En el ANEXO D se muestran todos los mapas de concentración de los modelos evaluados

tomando en cuenta las variaciones realizadas en cada caso para evaluar la influencia de

cada una de las variables en la dispersión de los contaminantes.

Figura D. 1. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo Base.

D-2

Figura D. 2. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo Base

D-3

Figura D. 3. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo Base

D-4

Figura D. 4. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Humedad del Bagazo = 45%

D-5

Figura D. 5. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Humedad del Bagazo = 45%

D-6

Figura D. 6. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Humedad del Bagazo = 45%

D-7

Figura D. 7. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Humedad del Bagazo = 53%

D-8

Figura D. 8. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Humedad del Bagazo = 53%

D-9

Figura D. 9. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Humedad del Bagazo = 53%

D-1

0

Figura D. 10. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Relación aire/bagazo = 0.9

D-1

1

Figura D. 11. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Relación aire/bagazo = 0.9

D-1

2

Figura D. 12. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Relación aire/bagazo = 0.9

D-1

3

Figura D. 13. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Relación aire/bagazo = 1.0.

D-1

4

Figura D. 14. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Relación aire/bagazo = 1.0

D-1

5

Figura D. 15. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Relación aire/bagazo = 1.0

D-1

6

Figura D. 16. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF.

D-1

7

Figura D. 17. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF

D-1

8

Figura D. 18. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF

D-1

9

Figura D. 19. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF

D-2

0

Figura D. 20. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF

D-2

1

Figura D. 21. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF

D-2

2

Figura D. 22. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Flujo de Purga = 10 ton/h

D-2

3

Figura D. 23. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Flujo de Purga = 10 ton/h

D-2

4


D-2

5


D-2

6

Figura D. 26. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Flujo de Purga = 30 ton/h

D-2

7

Figura D. 27. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Flujo de Purga = 30 ton/h

D-2

8

Figura D. 28. Mapa de Dispersión PTS en Modelo con Terreno Elevado

D-2

9

Figura D. 29. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Terreno Elevado.

D-3

0

Figura D. 30. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Terreno Elevado.

D-3

1

Figura D. 31. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Edificaciones de 20m de Altura.

D-3

2

Figura D. 32. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Edificaciones de 20m de Altura.

D-3

3

Figura D. 33. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Edificaciones de 20m de Altura.

D-3

4

Figura D. 34. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Edificaciones de 50m de Altura

D-3

5

Figura D. 35. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Edificaciones de 50m de Altura

D-3

6

Figura D. 36. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Edificaciones de 50m de Altura.

D-3

7

Figura D. 37. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Fuente de Línea 1.

D-3

8

Figura D. 38. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Fuente de Línea 1.

D-3

9

Figura D. 39. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Fuente de Línea 1.

D-4

0

Figura D. 40. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Fuente de Línea 2.

D-4

1

Figura D. 41. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Fuente de Línea 2.

D-4

2

Figura D. 42. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Fuente de Línea 2.

D-4

3

Figura D. 43. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Chimenea de 20m de Altura.

D-4

4

Figura D. 44. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Chimenea con 20m de Altura.

D-4

5

Figura D. 45. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Chimenea con 20m de Altura.

D-4

6

Figura D. 46. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Chimenea con 50m de Altura.

D-4

7

Figura D. 47. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Chimenea con 50m de Altura.

D-4

8

Figura D. 48. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Chimenea con 50m de Altura.

D-4

9

Figura D. 49. Mapa de Dispersión de PM10 Cuando la Relación PM10/PTS = 0.80

D-5

0

Figura D. 50. Mapa de Dispersión de PM10 Cuando la Relación PM10/PTS = 0.99

D-5

1

Figura D. 51. Mapa de Dispersión de PM2.5 Cuando la Relación PM2.5/PTS = 0.3

D-5

2

Figura D. 52. Mapa de Dispersión de PM2.5 Cuando la Relación PM2.5/PTS = 0.60

D-5

3

Figura D. 53. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 2%.

D-5

4

Figura D. 54. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo de con Porcentaje de Ceniza = 5%.

D-5

5

Figura D. 55. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 2%.

D-5

6

Figura D. 56. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 5%.

D-5

7

Figura D. 57. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Porcentaje de Ceniza de 5%

D-5

8

Figura D. 58. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 5%.

D-5

9

Figura D. 59. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g.

D-6

0

Figura D. 60. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g

D-6

1

Figura D. 61. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g.

D-6

2

Figura D. 62. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g.

D-6

3

Figura D. 63. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g.

D-6

4

Figura D. 64. Mapa de Dispersión de PM2.5 con Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g.

D-6

5

calderas bagazeras

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