niveles y composiciÓn de emisiones de quema ......

Centro de Estudos do Ambiente e do Mar

ENERGIA Y CALIDAD DEL AIRE URBANO

NIVELES Y COMPOSICIÓN DE EMISIONES DE QUEMA DE BIOMASA RESIDENCIAL

CESAM Centro de Estudos do Ambiente e do Mar

BIOMASA RESIDENCIAL

CÉLIA ALVESCÉLIA ALVES(([email protected]@ua.pt))

Madrid, 18 Sept. 2013

MOTIVACIÓN

Estimaciones de la contribuición de distintas

fuentes de emisión han indicado que, en invierno, el humo de la biomasa puede

representar hasta el 80% de la materia orgánica

del PM2.5 en muchas regiones europeas (e.g. Gelencsér et al., 2008).

Una encuesta nacional llevada a cabo en

2010 reveló que, en promedio, el 37% de la

población portuguesa utiliza la combustión residencial de leña para calefacción.

43%

Chimeneas

abiertas

44%

Chimeneas

cerradasPM 11.0

30% de las

emisiones de todos

Combustión residential en Portugal2 Mton/año

7%

Caldera o estufa de

pellets

6%

Otrossistemas

PM2.5 11.0

kton/año

emisiones de todos

los sectores de

actividad

CO2 1.7

Mton/año

3.2% de las

emisiones de

combustión de

combustibles fósiles

PAH 9

ton/año

6.5% de las

emisiones de todos

los sectores de

actividad

(Gonçalves et al., 2012)

OBJETIVOS

Para mejorar los inventarios de emisiones y estimar con precisión la

contribución de la quema de biomasa para los niveles de contaminación atmosférica es necesario el uso de perfiles de emisión, que deben reflejar

las características de los biocombustibles y equipos de combustión

utilizados en cada región

Obtener, por primera vez, factores de emisión y la composición del aerosol

resultante de la combustión de maderas representativas de la realidad

portuguesa

Termocouple T6

Sample Gas (SG) / Pressure

Warm water (out)

Combustion flue gasesCold water (in)

Sa

mp

le G

as (S

G) / P

ress

ure

Heated sampling line (190ºC)

G

H

Termocouple T6


Warm water (out)


N2

Zero Gas (ZG)

L

UCD0

J

I

045

000

UCD1

SG

Sam

ple

Ga

s (S

G) / P

ressure

K

CO2

O2

HC

Q

O

P

N


G

Ice B

ath

ZG

Ice B

ath

SGSG

MTermocouple T5

F

H

Termocouple T6


Warm water (out)


G

H

I

Sam

ple

Gas (S

G) / P

ressur e

Termocouple T4

Termocouple T3A

R – Unidade de comando electrónico (UCE1)S – Ordenador para comando del sistema y adquisición de datos

I, J, K – Unidades de comando y distribuición degas (UCD0, UCD1, UCD2)L – Bomba de muestreo de gasM – Unidad de condensación para la eliminaciónde humedadN, O, P, Q – Analizadores de gases automáticos

(THC, CO2, O2, CO) • 0.2 m diámetro int.

• 3.3 m altura

Muestreo para quantificación de emisiones de chymeneas

A – Cámara de combustión

B – Rejilla de cenizas

C – Célula de carga (sensor de peso)

D – Medidor de flujo de aire

E – Aislamiento térmico del conducto

F – Conducto de extracción de humos

G – Sonda de muestreo de gas

refrigerada por agua

H – Conducto de muestreo calentado

I, J, K – Unidades de comando y

distribuición de gas (UCD0, UCD1,

Temperature

S

N2

Zero Gas (ZG)

L

UCD0

J

I

Pressure

045

000

UCD1

SG

Sa

mp

le G

as (S

G) / P

ress

ure

UCE1

CO

R

UCD2

K

CO2

O2

HC

Q

O

P

N

Ice

Bath

ZG

Condensed material

Ice

Bath

SGSG

MTermocouple T5

Termocouple T4

Termocouple T3

Termocouple T2

D

A

C Air

B

F

E

Termocouple T1

Temperature

S

PressureUCE1

CO

R

UCD2

K Q

Condensed

material

Termocouple T4

Termocouple T3

Termocouple T2

D

A

C Air

B

E

Termocouple T1

Termocouple T5

Termocouple T4

F

E

N2

Zero Gas (ZG)

L

UCD0

J

I

Pressure

045

000

UCD1

SG

UCE1

CO

R

UCD2

K

CO2

O2

HC

Q

O

P

N

Ice B

ath

ZG

Condensed material

Ice B

ath

SGSG

M

Temperature

S

PressureUCE1

R

Termocouple T3

Termocouple T2

D

A

C Air

B

Termocouple T1

E – Aislamiento térmico del conductoF – Conducto de extracción de humosG – Sonda de muestreo de gas refrigerada por aguaH – Conducto de muestreo calentado

A - EsfufaB - Rejilla de cenizasC - Célula de carga (sensor de peso)D - Medidor de flujo de aire

distribuición de gas (UCD0, UCD1,

UCD2)

L – Bomba de muestreo de gas

M – Unidad de condensasión para

eliminación de humedad

N, O, P, Q – Analizadores automáticos de

gases (THC, CO2, O2, CO)

R – Unidad de comando electrónico

(UCE1)

S – Ordenador para comando del

sistema y adquisición de datos

Línea de puntos – Circuito eléctrico,

Línea constinua – Circuito neumático

Termocouple T6


Warm water (out)

Cold water (in)

Temperature

S

N2

Zero Gas (ZG)

L

UCD0

J

I

Pressure

045

000

UCD1

SG

Sa

mple

Ga

s (S

G) / P

r ess

ure

UCE1

CO

R

UCD2

K

CO2

O2

HC

Q

O

P

N


G

Ice B

ath

ZG

Condensed

material

Ice B

ath

SGSG

MTermocouple T5

Termocouple T4

Termocouple T3

Termocouple T2

D

A

C Air

B

F

E

H

Termocouple T1

Atm

osph

eric

air

Com

bustion f

lue g

ase

s

Z

Elect r oni c f lo w sam pl er

Y

TECORA

Thermocouple T8

XT CR PM Air Inlet

T

Thermocouple T7

Pre

ssu

re (P

1)

W

UPASSIVE CAVIT Y AEROSOL SPECTROM ETER PROBE

Dilution air

Dilution air

V

T - Túnel de dilución

U - Sonda de distribución de tamaños de aerosoles (PCASP-X)

V - Sistema Venturi

W - Tubo de Pitot

X - Muestreo de PM10 o PM2.5 (TECORA)

Y - Sistema de control y adquisición de datos (PM10/PM2.5)

Z - Ventilador

Muestreo de emisiones de chymeneas

Atm

osph

eric

air

Z

Electronic flow sampler

Y

TECORA

Thermocouple T8

XTCR PM Air Inlet

T

Thermocouple T7

Pre

ssu

re (P

1)

W

UPASSIVE CAVITY AEROSOL SPECTROMETER PROBE

Dilution air

Dilution air

V

Equipos de quema residential

��

Chimenea abierta

Chimenea cerrada

Estufa certificada

Eucalipto(Eucalyptus globulus)

Pino(Pinus pinaster)

Biocombustibles quemados

Alcornoque(Quercus suber )

Acacia(Acacia longifolia)

Olivo(Olea europea)

Quejido(Quercus faginea)

Biocombustibles quemados

(Olea europea)

Encina(Quercus ilex rotundifolia)

Briquetas

Resultados para quemas residenciales

Factores de emisión (g PM2.5/kg leña, base seca)

20

25

30

35Chimenea abierta

Chimenea cerrada de hierro fundido

0

5

10

15

Resultados para quemas residenciales

Factores de emisión (mg de partículas emitidas por MJ de combustible)

600

800

1000

1200

0

200

400

600

Chimenea

abierta

Chimenea

cerrada de

hierro fundido

Estufa

certificada

Dispositivos de combustión

Factores de emisión reportados ReferenciaRango

aproximado

(mg MJ-1)

Datos para

inventario

(mg MJ-1)Chimeneas abiertas 160 - 910 800 Karvosenoja et al. (2008)

Calderas modernas para astillas de madera o

troncos

5 - 450 5-450Nussbaumer et al. (2008)

20 - 25 Jokiniemi et al. (2008)

30-100 Sternhufvud et al. (2004)

Estufas y calderas de pellets 3-50 30 Karvosenoja et al. (2008)

10 - 50 Nussbaumer et al. (2008)

20 Jokiniemi et al. (2008)

30 Sternhufvud et al. (2004)

pellets de miscanto 8

Schmidl et al. (2011)

pellets de triticale 120

carga máxima 8-11

puesta en marcha 8-34

mal funcionamiento 3-21

pellets de madera 16-31 Kistler el al. (2012)

Chimeneas/estufas verticales

6 kW , 4 tipos de lenhas portuguesas 114 Gonçalves et al. (2010)

6 kW, 10 kW, lenhas y briquetas austriacas 83 Schmidl et al. (2011)

8 kW ,12 tipos de leña del centro de Europa 20-222Kistler el al. (2012)

8 kW , briquetas de madera 32

Dispositivos de combustiónFactores de emisión reportados

ReferenciaRango aproximado

(mg MJ-1)

Datos para inventario

(mg MJ-1)Chimeneas abiertas 160 - 447 Nussbaumer et al. (2008)

860 - 910

Estufas de leña tradicionales 50 - 2100 700 Karvosenoja et al. (2008)




150 - 2100 Sternhufvud et al. (2004)

Otros hornos tradicionales, incluyendo

estufas de mampostería y saunas

30 - 140 140 Karvosenoja et al. (2008)

30 - 100 Jokiniemi et al. (2008)

Calderas convencionales para troncos

de madera

con acumulador 50 - 2000 700 Karvosenoja et al. (2008)



300-900 Sternhufvud et al. (2004)

sin acumulador 50 - 250 80 Karvosenoja et al. (2008)


95 Sternhufvud et al. (2004)

Algunos países europeos, sobre todo nórdicos y alpinos, han estipulado LÍMITES DE EMISIÓN para partículas. Por ejemplo, Austria:

En la actualidad

60 mg/MJEn 2015

25-35 mg/MJ

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

t

t+15min

t+30min

t+45min

dN

/dlo

g (

Dp

) cm

-3

Tamaños de las partículas de quema

PM>10 PM2.5-10 PM2.5

1.E-01

0.1 1 10 100

Diámetro (µm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

2

4

6

8

10

12

PM>10 PM2.5-10 PM2.5

%

g P

M/k

g b

ioc

om

bu

stib

le

Factor de emisión

% de la masa total de partículas

Quema de pino en una estufa

tradicional de hierro fundido

Contenido inorgánico de las partículas

Equipo BiocombustiblesIones solubles en agua

(% de masa de PM2.5)

Metales

(% de masa de PM2.5)

Chimenea

abierta

Pino 1.8 0.39

Acacia 11 2.5

Encina 0.75 0.54

Eucalipto 2.9 0.84

Olivo 0.98 1.0

Alcornoque 0.64 0.51

Quejido 1.9 1.3Quejido 1.9 1.3

Briquetas 2.7 0.60

Chimenea

cerrada

Pino 1.7 0.18

Acacia 14 2.0

Encina 1.8 0.61

Eucalipto 3.2 1.4

Olivo 1.4 1.5

Alcornoque 0.53 0.39

Quejido 1.6 1.3

Briquetas 9.1 2.2

Contenido carbonoso de las partículas

Olivo

Alcornoque

Quejido

Briquetas

Carbono orgánico Carbono elemental

Pino

Acacia

Encina

Eucalipto

Olivo

Alkanes0.24%

Alkenes0.010%

PAHs1.5%

Phenolic compounds

2.6%

Alcohols0.022%

Acids44%

Sugars48%

Other Compounds

4.3%

PinoChimenea abierta

Alkanes2%

Alkenes1%

PAHs13% Phenolic

compounds1%

Alcohols2%

Acids60%

Sugars18%

Other Compounds

3%

PinoEstufa de eco-diseño

Composición orgánica de las partículas

Alkanes3%

Alkenes0%

PAHs2%

Phenolic compounds

5%

Alcohols9%

Acids31%

Sugars47%

Other Compounds

3%

EucaliptoEstufa de eco-diseño

certificada

Alkanes0.21%

Alkenes0.032% PAHs

0.43% Phenolic compounds

13%

Alcohols2.4%

Acids14%

Sugars65%

Other Compounds

5.2%

EucaliptoChimenea abierta

Chimenea abierta 60%Estufa de eco-diseñocertificada

Propiedades físico-químicas

Carbono orgánico Hollín Cenizas inorgánicas

Combustión con déficit de aire

Combustión con llama Combustión completa

Partículas de humo resultantes de la quema de biomasa se pueden dividir en 3 clases principales con base en las propiedades físico-químicas y en las condiciones de combustión:

(Kocback, 2008) (Kocback, 2008) (Mavrocordatos et al., 2008)

Las emisiones de la vida real representan una mezcla de estas 3 clases.

Propiedades físico-químicas

Existen grandes diferencias entre las distintas clases de partículas con respecto a las propiedades físicas y químicas, que pueden afectar su toxicidad.

Carbono orgánico Hollín Cenizas inorgánicas

(Kocback, 2008)

Solubilidad

Tamaño de las partículas

Composicionquímica

50 - 600 nm 20 - 50 nm 50 - 125 nm

Depende delenvejecimiento

Compuestos orgánicos como los hidrocarburos

Insoluble Soluble

Carbono elemental y compuestos orgánicos

condensables

Sales alcalinas, e.g. KCl y K2SO4,

metales

¿Cómo varía la toxicidad con las condiciones de combustión?

Ensayos de citotoxicidad sobre líneas celulares de pulmón con diferentes tipos de partículas(partículas orgánicas, hollín, ceniza inorgánica)

Estufa de leña tradicional(unidad de hierro fundido con cámara de combustión pequeña y revestimiento cerámico fino)��

(Klippel y Nussbaumer, 2007)

��

Estufa moderna(gran cámara de combustión y revestimiento de cerámica grueso, cumpliendo los requisitos de eco-diseño suizos)

��

Estufa moderna con combustión en

2 etapas (gasificación y

oxidación consecutiva del gas en una cámara

de combustión separada con aire secundario)

Ensayos de toxicidad: diesel versus biomasa

En relación al hollín del diesel, se han detectado concentraciones significativamente más altas de hidrocarburos aromáticos policíclicos, así

como niveles mucho más altos de toxicidad y potencial carcinogénico (más aberraciones cromosómicas), en partículas y condensables procedentes de

la combustión incompleta de la madera.

(Klippel y Nussbaumer,

2007)

CONCLUSIONES

Las chimeneas y estufas tradicionales presentan mayores factores de

emisión de PM2.5, con un menor contenido de EC y de constituyentes

inorgánicos y un mayor contenido de materia orgánica, en

comparación con los observados en las emisiones de equipos

certificados de alta eficiencia.

Las mayores diferencias en los factores de emisión se deben más al tipo de equipo de combustión utilizado y menos al tipo de biomasa

quemada.

certificados de alta eficiencia.

Las emisiones de la combustión incompleta de la madera se componen

de partículas de hollín y sustancias orgánicas condensables, presentando concentraciones altas de hidrocarburos aromáticos

policíclicos y de otros compuestos con toxicidad y potencial

carcinogénico muy elevados.

La aplicación del proceso de certificación de los equipos de combustión

residencial y la adopción de límites de emisiones es urgente.

Agradecimientos

GRACIAS POR LA ATENCIÓN

ENV/ES/000584

niveles y composiciÓn de emisiones de quema ......

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