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Emisiones Gaseosas por Combustión: Riesgos por Incidentes Ambientales23 Septiembre 2004

Alfredo Barriga Rivera Ph.D Director de Proyectos FIMCP

Director PostgradoProducción Más Limpia- ESPOL /

CEPL

COMBUSTIÓN

Es la reacción de oxidación rápida de un producto químico oxidable (combustible), liberando calor y emisiones lumínicas; la reacción se confina a una zona denominada “llama”, donde se produce la mayor parte de las reacciones del proceso.

El oxidante es oxígeno molecular, generalmente suministrado como aire ambiental. Combustible y oxígeno deben estar en contacto.

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01.- Los combustibles hidrocarburíferosson los más utilizados en ambientes industriales para sistemas de energía: calderos; hornos; quemadores; secadores; etc.

02.- Típicamente son hidrocarburos líquidos, tales como diesel (fuel oil liviano) y fuel oil pesado. Se denominaran por simplicidad fuel oils.

03.- La combustión de los fuel oils se hace en cámaras de combustión en los que el hidrocarburo se mezcla con oxígeno y se combustiona bajo condiciones apropiadas

04.- El oxígeno es generalmente del aire atmosférico (21% O2 en base volumétrica). En ciertas circunstancias se enriquece con oxígeno suplementario

HORNO

Secador de alimentos

Caldero

05.- Se requiere que el combustible y el oxígeno (aire) se encuentren íntimamente mezclados para propender a una buena combustión. Ello impone que el fuel oil se encuentre en forma gaseosa (fase vapor) antes de la zona de combustión

06.- La transición a fase gaseosa del fuel oil (inicialmente líquido) se logra de manera rápida promoviendo la atomización eficaz y del fuel oil. Esto se da en el atomizador del quemador

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07.- Llámese quemadorla unidad en la que se forma la llama de combustión.Esta unidad posee por tanto el soplador para aire y el atomizador para fuel oil, junto con la configuración fluido-dinámica para una buena mezcla y encendido

08.- El atomizador es una unidad de tipo fluido-mecánico. Su función consiste en permitir que el combustible, que ingresa como una corriente fluida continua, se convierta en una “niebla” de pequeñas gotillas de diámetro variable.

El fraccionamiento se da por un efecto de interacción fluido-dinámica, por ejemplo por doble fluido (combustible y vapor o aire caliente), combinado con paso por pasajes “tortuosos” , impactación contra placas y cambios bruscos de dirección.

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09.- Las gotillas así formadas, que se emite como una fina “sábana”cónica de fluido y se fracciona subsecuentemente en gotillas más y más finas.

La distribución va desde décimas de micra (micro-metros) hasta unos pocos centenares de micras.

Las gotillas muy finas (orden de una micra o menos) se evaporan muy rápidamente, mientras que las gotillas de diámetro cercano a 100 micras o superior tienen dificultades para evaporarse.

10.- La nube de gotillas se va acercando a la zona de llama y se evapora. Si las gotas son muy gruesas (mayor a 100 micras) pueden llegar a la zona de llama todavía como gotillas líquidas, atravesando la llama con combustión de llama de difusión, es decir que se forma una llama alrededor de la gota en la envolvente en que se junta el combustible evaporado y el oxígeno del exterior.

Esto aumenta rápidamente la temperatura en el interior de la gota, esta se piroliza y descompone térmicamente, generando un núcleo “gomoso” con restos de hidrocarburo mal quemados (NMHC). Estas gotas se perciben visualmente como incandescencias que atraviesan la llama.

Esto contribuye a la formación de contaminantes.

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11.- Los principales gases de combustión son el dióxido de carbono (CO2), el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2).

Agua también se forma por la combustión del hidrógeno del hidrocarburo.

Adicionalmente se forma monóxido de carbono (CO) debido a deficiencias de oxígeno, así como especies químicas SOx, NOx.

También se generan partículas, nieblas, gases, etc. Hollín e hidrocarburos parcialmente degradados (NMHC) también pueden formarse dependiendo de las condiciones del quemador

Gases de combustión

12.- La especie química SOx se forma por la presencia de azufre en el combustible. En Ecuador se acepta que el límite de contenido de azufre es inferior a 2%, si bien puede superar este valor en ciertos casos temporales.

13 .- El NOx se forma a partir de la reacción del nitrógeno atmosférico con oxígeno a las altas temperaturas relativas que prevalecen dentro de la cámara de combustión. También se oxida el nitrógeno contenido en la molécula del combustible

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14.- Hollín es carbono reconstituido a partir de compuestos ya oxidados, cuando se dan zonas de baja concentración de oxígeno con alta temperatura

15.- Humos son partículas sub-micrométricas de tipo aerosol que emanan de los gases de combustión. Puede estar compuesto además de finas gotillas de especies condensables a la temperatura y presión ambientales. Las partículas se forman por condensación de vapores de compuestos inorgánicos

16.- Cenizas es el material mineral que se encuentra en la composición de los combustible Hay ceniza “voladora”(flyash) de pequeño tamaño (sub-micrométrico) y ceniza “gruesa” cuya media está en alrededor de unos 15 micrones

17.- Durante la combustión pueden haberse generados pequeñas cantidades de hidrocarburos insuficientemente combustionados.

A estos se denomina HC “sin quemar” , si bien algunos autores separan el metano y al resto lo denomina NMCH(HC otros que metano). A su vez estos hidrocarburos forman parte de los llamados “compuestos orgánicos volátiles” - VOC (volatile organic compounds) que comprenden además otros compuestos de baja presión de vapor.

Si los productos de combustión entran en contacto con otros compuestos, pueden generarse además otros VOCs.

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18.- En presencia de compuestos halogenados, los gases de combustión pueden además generar los denominados “dioxinas” y “furanos”. Estos compuestos se generan en zonas en las que hay tiempo suficiente y temperatura en la faja de 300 a 500 grado C.

19.- El “tren de condicionamiento y depuración” permite que los gases de la combustión se enfríen, se les retire compuestos como el SOx, NOx, NMHC, hollín, mientras por otro lado se baja la temperatura en caso que fuere muy elevada.

20.- Componentes del tren de depuración son, entre otros: separadores ciclónicos; filtros de manga; intercambiadores de calor (recuperación de calor sensible); lavadores (scrubbers); y otros. Deben combinarse apropiadamente

filtros de manga

scrubbers Intercambiador de calor

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VenturiScrubbers

21.- En casos en que se tenga ciertos compuestos como COVs se debe intercalar una cámara adicional de combustión denominada post-combustor, que se encarga de eliminar por combustión los residuos oxidables que quedan. Las normas internacionales imponen que se lleve el gas hasta por lo menos una temperatura de 1100 a 1200 grad C durante por lo menos 2 segundos.

1. Cámara Primaria2. Piso- Parrilla2-a Cámara de Cenizas2-b Pórtico para Cenizas

3. Pórtico de Cárga4. Paredes5- a Quemador Principal5- b Quemador Post combustor

6- a –d Canales de Post combustor7 Ductaje8 Tren de depuración9 Chimenea

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22.- Los gases de combustión se conducen por ductos apropiados, y de allí se ventean a la atmósfera a través de la chimenea.

24.- La corriente de gases ( estela de la chimenea), asciende un poco debido en parte al impulso que lleva hacia arriba y por otro lado a la flotabilidad de los gases calientes, de menor densidad que el aire circundante debido a su mayor temperatura. La elevación a partir de la boca de salida de chimenea se denomina altura adicional de chimenea.

25.- La estela se dispersa hacia los alrededores. Partículas finas se van asentando por inmisión al suelo.

26.- La concentración con que las especies gaseosas y partículas llega al suelo depende entre otros factores de: la altura de chimenea, la elevación adicional de la estela; de la dirección y magnitud y turbulencia del viento; y de la estabilidad atmosférica.

28.- La dispersión de olores es similar a la de aerosoles y gases. Se detecta pr métodos perceptuales.

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29.- El modelaje predictivo está bastante desarrollado. A partir de la ecuación de dispersión de Gauss se puede determinar la concentración de una especie gaseosa o de partículas en cualquier posición relativa.

30.- En la práctica se debe diseñar una chimenea tomando en cuenta los factores indicados más el enfriameinto de los gases a lo largo de los ductos.

Boquilla de alimentación mecánica

Combustible de la boquilla

Efecto atomizador

Viscosidad fuel SSU

Presión línea fuel psig

Caudal galón/H

Turn down ratio/vapor

Aire Atomización Scfaire/galón fuel

Llama/ cámara

Contenidos de sólidos

Orificio simple, movimiento ciclónico

Mezcla comprimida con chorro fluido ciclónico

Hasta 100

75 – 150

10 -100

2.5:1 a 3.5:1

N/P

Llama corta, baja velocidad , cámara grande

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Efecto trayector

Viscosidad fuel SSU


Caudal galón/H



Llama/ cámara

Contenidos de solutos

Taza RotativaExtremo abierto, movimiento ciclónico

Introducción de aire de combustión con lamina ciclónico

Hasta 300

baja

5 -300

5:1

N/P

N/P

Hasta 20%

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Efecto atomizador

Viscosidad fuel SSU


Caudal galón/H



Llama/ cámara

Contenidos de sólidos

Chorro

Choque externo de chorro fuel con chorro de aire

200 -1500

Menos 1.5 psig

400-1000 Scfa aire/ galón fuel

Llama corta, cámara pequeña

Hasta 30%

Quemador de atomización para aire externo de baja presión

Quemador de doble fluido externo de alta presión


Efecto trayector

Viscosidad fuel SSU


Caudal galón/H



Llama/ cámara


Chorro

Choque externo no fuel con aire

150 -5000

30- 150 psig

3:1 a 4:1

2-5 lb /galón-fue

Hasta 70%

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Efecto trayector

Viscosidad fuel SSU


Caudal galón/H



Llama/ cámara


Spray cónico

Impacto de un metro de fuel con fluido de atomización antes de emerger

Hasta 100

3:1 a 4:1

bajo

Boquilla de mezcla interna

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CONTAMINACÍON ATMOSFERICA

Los principales contaminantes del aire se clasifican en:

Son los que permanecen en la atmósfera tal y como fueron emitidos por la fuente. Para fines de evaluación de la calidad del aire se consideran: óxidos de azufre, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos y partículas.

PRIMARIOS

SECUNDARIOS

Son los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos destacan oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como el ozono (O3).

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A Presión y Temperatura de la Chimenea

A Presión y Temperatura Ambiente

Después de Reacciones Químicas

SólidoLíquidoGas

PartículasPrimarias

PartículasPrimarias

PartículasSecundarias

Partículas Primarias y Secundarias

TECNICAS BASICAS DE ESTIMACION DE EMISIONES:

•Muestreo en la Fuente: son mediciones directas de la concentración de contaminantes en un volumen conocido de gas y de la tasa de flujo del gas en la chimenea. Son utilizadas con mayor frecuencia para fuentes de emisiones de combustión.

•Modelos de Emisión: son ecuaciones desarrolladas cuando las emisiones no se relacionan directamente con un solo parámetro.

•Factores de Emisión: son relaciones entre la cantidad de un contaminante emitido y una sola unidad de actividad.

•Balance de Materiales: se usan mediciones de todos los componentes, de un proceso, excepto el aire para determinar las emisiones al aire.

•Extrapolación: consiste en el escalamiento de las emisiones de una fuente dada a otra con base en un parámetro de escalamiento conocido para ambas fuentes

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Jerarquías para la Estimación de Emisiones

Muestreo en la Fuente

Modelación de Emisiones

Factores de EmisiónBasados en Procesos

Balance de Materiales

Factores de EmisiónBasados en Censos

Cos

tos

Cre

cien

tes

Confianza creciente en el Cálculo

Mediciones de la emisión de contaminantes

• Los contaminantes emitidos por una chimenea pueden salir en forma particulada, en fase gaseosa o como mezcla de las dos fases.

• Los métodos de muestreo y análisis utilizados en la realización de las mediciones son específicos para el contaminante que se ha de medir.

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PM25 =

PM10 =

PST =(incluyen todas las partículas < 100µm)

(incluyen todas las partículas < 10µm)

(incluyen todas las partículas < 2.5µm)

PST, PM10 y PM2.5

1

2

3

1 2 33 2 1

1

2

3

R1R2

R3

2D

8D

8D

TUBO DEPITOTSTANDARD

SONDA DEMUESTREO

TERMOPAR

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EQUIPO UTILIZADO• Manómetros de columna inclinada con rango de 0 a 10 pulg. De agua.• Unidad de control.- en ella se localizan los manómetros inclinados, las válvulas de operación, el indicador de la temperatura, gasómetro y todas las conexiones eléctricas• Unidad de muestreo.- Cuenta con dos cajas de acero inoxidable. Una sección es de calentamiento equipada con resistencia y la otra es de enfriamiento con cuatro burbujeadores/impactores.

• Cordón umbilical.- Esta dotado con cables de termopares eléctricos, con mangueras para conectar el tubo pitot y la manguera de la corriente del gas.

• Balanzas granatarias.

TERMOMETROPROBETA Y BOQUILLA

DE MUESTREO

CAJA CALIENTEPORTA FILTRO

IMPINGERS

1 2 3 4

TERMOMETROS

VALVULACHECK

CORDON

QUICKCONNECT

CAJA FRIA

HIELO

MANOMETRO

VALVULA DE CONTROL GRUESO

VALVULA DECONTROL FINO

BOMBA DE VACIO

MEDIDOR DE GAS SECO

TERMOMETROS

SALIDA DEL GASMANOMETRODEL PITOT

TERMOMETRODE CHIMENEA

TUBO DE PITOTTIPO “S”

UNIDAD DE CONTROL

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MONORIEL

SONDA DE MUESTREO

CAJA CALIENTE

CAJA FRIA

CORDON UMBILICAL UNIDAD DECONTROL

CH

IME

NE

A

Esquema típico del muestreo de Chimeneas

Tren de Muestreo de Chimeneas.

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Equipos Para Muestreo de Chimeneas


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Métodos de medición y análisis de los contaminantes de aire

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Definición de RiesgoRiesgo es medida cualitativa/cuantitativa

del probable efecto de un peligro sobre un conjunto de seres o sistemas

• Implica la presencia de amenaza (peligro)• Requiere de probabilidad de ocurrencia

(en base a frecuencia de hechos previos)• Debe existir receptores expuestos• Receptores deben ser vulnerables al

peligro (parcial o totalmente)

EJEMPLO DE PELIGRO Y RIESGO

AMENAZA INCIPIENTE

AFECTACIÓN POTENCIAL MENOR

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Secuencia en Eventos de Riesgo

• Situación se inicia con un factor desencadenante (emisión fugitiva por ej)

• Debe haber un peligro intrínseco (por ejtoxicidad de substancia)

• Efectos del desencadenante deben ser acarreados hacia receptores vulnerables

• Receptores (seres/sistemas) se exponen • Combinación de exposición y “letalidad”

suficientes (o no) para generar efectos

RIESGO EN PROGRESO

PELIGRO (AMENAZA) SOBRE SERES Y BIENES

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DESENCADENANTE DE RIESGO

LLUVIA

PELIGRO (AMENAZA). SERES VULNERABLES. FACTOR DESENCADENANTE

ACCIDENTE

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Ejemplos de Desencadenantes en Sistemas de Combustión

• Exceso de azufre en fuel (SOx); • Mal ajuste de aire/fuel; • Insuficiente precalentamiento de fuel;• Presencia de gases/partículas de proceso

(secado, tratamiento térmico, etc)• Mala operación de atomizador• Elevada temperatura de llama (NOx)• Excesiva formación de cenizas voladoras

Ejemplos de Secuencia de Eventos Accidentales en Emisiones

• Se produce emisión “fugitiva” (imprevista; tóxica; molestosa; enfermante; etc)

• Emisión se dispersa en estela de humos• Humos de chimenea son acarreados por viento

a residencias vecinas.• Concentración en arribo a suelo supera umbral

de afectación• Tiempo de exposición genera afectación

(mucosa,dermal, alvéolos, órganos internos etc)

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CADENA DE EVENTOS EN RIESGOS DE TIPO INDUSTRIAL

DOSISTo

xicolo

gía

Umbral

Mínimo

SUBSTANCIA

(Prod

ucto,

Partícu

la,

Tipo Y C

antid

ad )

REMED

IACIO

N

Antíd

otos

Trat

amien

to

Resar

cimien

to

MEDIO

ACARREANTE

(Agu

a, Aire

, Suelo

)

MEDIO INTENSIFICADOR

Lluvia

Rayos UV

Otros Producto

s( Sinergia )

EXPOSICIO

NTie

mpo

Tipo:

Der

malIng

estió

nInh

alació

nIrr

adiac

ión

EVENTO

INICIADORFUGA

DERRAME

EXPLOSION

ESQUEMA DE PUNTOS COYUNTURALES EN RIESGOS POR ACTIVIDAD INDUSTRIAL: EMISIONES GASEOSAS

Emisión gr/ m3

Temperatura

TransporteAtenuadoresIntensificadoresSinergias

VientoSol, UV, IRTemperaturaHumedadNubosidadLluvia

Estabilidad Atmosférica

DistanciaPresencia de Estructuras, Forestas, Lagunas, Ríos, etc Agua Subterránea

Inmisión gr/ m3

PlantasFruto

Agua

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Acarreo Típico y ExposiciónSOL LLUVIA

EMISIONES DIRECTAS

VOLATILIZACION

VERTIDO LIXIVIACION

DEPOSICION(INMICION)

HOGAR

BAÑO

COCINA

INHALACION

INGESTION

AGUA SUBTERRANEA MESA FREATICA

GENERACION VERTIDO/EMISION ACARREO EXPOSICION AFECTACION

MATRIZ DE ANALISIS CUANTITATIVO DE RIESGOS SIMBOLOGIA

• V= Riesgo para Vida• A= Riesgo para el Ambiente• P= Riesgo de daños a la propiedad• S= Velocidad de propagación• Pr= Probabilidad de Ocurrencia• R= Tipo de Riesgo ( A, B, C, D )• EPSP : Eventos de Paralizaciones Socio

Productivas

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ESCALA PARA EVALUACION DE GRAVEDAD Y CONSECUENCIAS

Incomodidad TemporalPocos LesionadosLesionados e IncomodidadDe 5 a 20 decesos, 20-100 heridos, menos de 500 evacuados+ 20 decesos,100 heridos, + de 500 evacuados

1 Poco Importante2 Limitado3 Grave4 Muy Grave5 Catastrófico

Para la VidaV

Costo por 0.5 millones USD / añoCosto entre 0.5- 1 millón USD / añoCosto entre 1.0- 5.0 millones USD / añoCosto entre 5.0- 20.0 millones USD / añoCosto de mas de 20.0 millones USD / año


Para la PropiedadP

Efectos localizados sin contaminaciónEfectos localizados con contaminaciónEfectos que se propaganContaminación intensaContaminación intensa y propagación


Para el Medio AmbienteA

CARACTERISTICASCLASECONSECUENCIA

ESCALA PARA EVALUACION DE GRAVEDAD Y CONSECUENCIAS

Menos de 1 cada 1000 añosUno entre 100 y 1000 añosUno entre 10 y 100 añosUno entre 1 y 10 añosMas de uno por año

1 Improbable23 Poco probable45 Muy Probable

Probabilidad ( frecuencia )Pr

Poco importanteLimitadoGraveMuy GraveCatastrófico

ABCDE

Prioridad(Grado de Riesgos )R

Se manifiesta Clara y rápida, efecto localizado sin dañoMedianamente alguna propagación y pequeños dañosNo hay señales de propagación rápida y efectos inmediatos

1

3

5

Velocidad de PropagaciónS

CARACTERISTICASCLASECONSECUENCIA

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