selección y diseño de un sistema de control para las

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería

1-1-2004

Selección y diseño de un sistema de control para las emisiones Selección y diseño de un sistema de control para las emisiones

de material particulado en el proceso de fundición de la empresa de material particulado en el proceso de fundición de la empresa

Fundicom S.A de Mosquera - Cundinamarca Fundicom S.A de Mosquera - Cundinamarca

Mónica Hernández Lozano Universidad de La Salle, Bogotá

Arnoldo Mestre Trujillo Universidad de La Salle, Bogotá

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1

SELECCIÓN Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA LAS EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA EMPRESA

FUNDICOM S.A. DE MOSQUERA-CUNDINAMARCA

MÓNICA HERNÁNDEZ LOZANO ARNOLDO MESTRE TRUJILLO

Proyecto de Grado para Optar al título de Ingeniero Ambiental y Sanitario

Director ING. GABRIEL HERRERA

Ingeniero Sanitario

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTALY SANITARIA

BOGOTÁ D.C. 2004

2

SELECCIÓN Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA LAS EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO EN EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA EMPRESA

FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA

MÓNICA HERNÁNDEZ LOZANO ARNOLDO MESTRE TRUJILLO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTALY SANITARIA

BOGOTÁ D.C. 2004

3

Nota de Aceptación _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________

_____________________________ Director

_____________________________ Jurado

_____________________________ Jurado

Bogotá D.C., 07 de Octubre de 2004

4

TABLA DE CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN 17

JUSTIFICACION 19

OBJETIVO GENERAL 20

OBJETIVOS ESPECIFICOS 20

1. GENERALIDADES 21

1.1 DESCRIPCION GENERAL DE LA EMPESA 21

1.2 PROCESO DE FUNDICIÓN 23

1.2.1 Materias Primas 25

1.2.2 Elaboración de Placa Moldeo 25

pág.

5

1.2.3 Preparación de Arena Verde 25

1.2.4 Fabricación de Noyos 27

1.2.5 Moldeo 27

1.2.6 Desmoldeo 28

1.2.7 Fusión y Vaciado 28

1.2.8 Terminado 29

1.3 MARCO LEGAL 30

2. DIAGNOSTICO DE LAS FUENTES DE EMISIÓN GENERADAS EN EL

PROCESO 31

2.1 RECOLECCION PRELIMINAR DE INFORMACIÓN 31

pág.

6

2.2 DESCRIPCION DE LAS FUENTES DE EMISION 34

2.2.1 Recepción y descargue de Insumos 34

2.2.2 Preparación de Arena Verde 35

2.2.3 Silos de Arena de Retorno 36

2.2.4 Hornos de Inducción 38

2.2.5 Fabricación de Noyos 38

2.2.6 Desmoldeo 39

2.2.7 Terminado 39

2.3 IDENTIFICACION DE CONTAMINANTES 40

2.3.1 Procesos de Fusión y Tratamiento del Metal Fundido 40

pág.

7

2.3.2 Producción de Moldes y Machos 41

2.3.3 Colada en Moldes, Enfriamiento y Desmolde 42

2.4 DESCRIPCION DE LOS SISTEMAS DE CONTROL EXISTENTES 42

2.4.1 Silos de Arena y Molinos 43

2.4.2 Desmoldeo 44

2.4.3 Generalidades 44

3. DETERMINACIÓN DE LAS EMISIONES DEL PROCESO 47

3.1 FACTORES DE EMISIÓN 47

3.1.1 Cálculo de Emisiones por Factores 49

3.2 BALANCE DE MASAS 53

pág.

8

3.3 ESTUDIO DE CALIDAD DE AIRE 57

3.4 NORMA DE CALIDAD DE AIRE 57

3.5 NORMA DE EMISION 59

4 ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES EN EL PROCESO 61

4.1 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE EMISIONES 62

4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CAPTACION 64

4.3 DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCION 72

4.4 SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES 77

4.5 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CONTROL 89

4.6 DISEÑO DE MECANISMOS DE CONTROL 96

pág.

9

4.7 COMPARACIÓN CON LA NORMA DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS 108

5. EVALUACIÓN ECONOMICA DE LA IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE

CONTROL DE PARTÍCULAS 109

5.1 CAMPANAS 109

5.2 SISTEMAS DE CONDUCCIÓN 111

5.2.1 Sistemas de Conducción Rectos 111

5.2.2 Codos 112

5.3 CHIMENEA 113

5.4 COSTO TOTAL DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCION 114

5.5 FILTRO DE MANGAS 115

pág.

10

5.5.1 Costos de la Tela 116

6. CONCLUSIONES 118

7. RECOMENDACIONES 119

BIBLIOGRAFÍA 121

ANEXOS 124

11

LISTA DE TABLAS

pág

Tabla 1. Emisión de Partículas en el proceso de Fundición 54

Tabla 2. Cantidad y Composición de las Entradas del Proceso 56

Tabla 3. Cantidad y Composición de las Salidas del Proceso 56

Tabla 4. Resultados de Entradas y Salidas Fusión de Hierro 57

Tabla 5. Resistencia Física y Química del Dacrón 103

Tabla 6. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Campana 111

Tabla 7. Costos de las Campanas 112

Tabla 8. Parámetros para la Ecuación de Costos de un Conducto Recto 112

Tabla 9. Costos de las Conductos Rectos 113

Tabla 10. Parámetros para la Ecuación de Costos de Codos 113

Tabla 11. Costos de Codos 114

Tabla 12. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Chimenea 115

Tabla 13. Costo de Materiales de Mangas 117

Tabla 14. Resultado de los Costos obtenidos para el Sistema de Control 118

12

LISTA DE CUADROS

pág

Cuadro 1. Composición de Arena de Moldeo 26

Cuadro 2. Lista de Chequeo Emisiones Atmosféricas 31

Cuadro 3. Sistema de Conducción de Emisiones en Molino 34

Cuadro 4. Contaminantes Generales de un Proceso de Fundición 39

Cuadro 5. Emisiones Generadas en Arenería 42

Cuadro 6. Características Filtro Silos Arena 43

Cuadro 7. Estado Actual de los puntos de Emisión 46

Cuadro 8. Factores de Emisión para PST y PM10 49

Cuadro 9. Sistemas de Captación Silos de Arena 68

Cuadro 10. Sistemas de Captación Hornos 8 Toneladas 69

Cuadro 11. Sistemas de Captación Hornos 2 Toneladas 70

Cuadro 12. Sistemas de Captación Desmoldeo Sistema 1 72

Cuadro 13. Diseño de Conductos para Hornos de Fusión 74

pág

13

Cuadro 14. Diseño de Conductos para Silos de Arena 75

Cuadro 15. Diseño de Conductos para Desmoldeo Sistema 1 76

Cuadro 16. Eficiencia de Dispositivos Preliminares para Control de Partículas 83

Cuadro 17. Ventajas y desventajas del Separador Gravitatorio 90

Cuadro 18. Ventajas y Desventajas del Ciclón 90

Cuadro 19. Ventajas y Desventajas del Separador Inercial 91

Cuadro 20.Comparación de Sistemas de Control según Características de la Emisión 93

Cuadro 21. Comparación de Sistemas de Control según sus Costos 94

Cuadro 22. Ventajas y desventajas Precipitadores Electrostáticos 95

14

LISTA DE IMÁGENES

pág.

Imagen 1. Molino de 850 Kilogramos 25

Imagen 2. Preparación de Machos 27

Imagen 3. Sistemas de Moldeo 28

Imagen 4. Fusión y Vaciado de Hierro 29

Imagen 5. Granallado 29

Imagen 6. Esmerilado 29

Imagen 7. Descargue de Insumos 33

Imagen 8. Silos de Arena de Retorno 35

Imagen 9. Captación en Silos 35

Imagen 10. Ductos en Forma de “Y” 35

Imagen 11. Captación en Tamiz 35

Imagen 12. Campana en Caída de Arena 35

Imagen 13. Conexión de Escape Directo 36

15

pág.

Imagen 14. Ductos de salida al Filtro de Mangas 36

Imagen 15. Ductos Salida 36

Imagen 16. Conducción y Salida de Gases 43

Imagen 17. Conducto en Desmoldeo Sistema 1 44

Imagen 18. Filtro Granalladora Tosca 44

Imagen 19. Filtro Granalladora de Túnel 44

Imagen 20. Desmoldeo Sistema 1 64

16

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Diagrama de Flujo proceso de Fundición Fundicom S.A. 24

Figura 2. Preparación de Arenas Verde 26

Figura 3. Captación y Transporte de Emisiones Silos de Arena 43

Figura 4. Filtros Granalladoras 45

Figura 5. Sistemas de Control en Granalladoras 45

Figura 6. Sistema de Captación y Control Seleccionado 61

Figura 7. Sistema de Captación de Emisiones 63

Figura 8. Confinamiento de Arena Sílice 65

Figura 9. Cámara de Expansión 79

Figura 10. Cámara de Placas Múltiples 79

Figura 11. Purificador 80

Figura 12. Separador Inercial 81

Figura 13. Ciclón 82

17

pág.

Figura 13. Ciclón 80

Figura 14. Filtro de Mangas 85

Figura 15. Torre Húmeda 89

Figura 16. Dimensiones del Ciclón 99

18

LISTA DE ANEXOS

pág.

ANEXO A. Materias Primas del Proceso de Fundición 136 ANEXO B. Lista de Chequeo Metodología de Evaluación 137 ANEXO C. Diagramas de Flujo del Proceso de Fundición 142

ANEXO D. Filtros de Mangas Silos de Arena 143

ANEXO E. Características de Conductos en Silos de Arena 144

ANEXO F. Diseño Sistemas de Captación 147

ANEXO G. Esquemas de Diseño sistemas de Captación y Conducción 157

ANEXO H. Esquemas de Diseño de Filtros de Mangas 158 ANEXO I. Diseño Filtro de Mangas 159 ANEXO J. Características del Ventilador 163

19

RESUMEN

Los Ingenieros Ambientales dentro de su campo de desempeño profesional deben

contribuir a la realización de diseños de sistemas de control de las emisiones

atmosféricas que se generan en las pequeñas, medianas y grandes industrias

como resultado de sus procesos productivos, ya que los efectos generados por

dichas emisiones en algunos casos son difíciles de cuantificar y sus

consecuencias pueden manifestarse sólo a largo plazo.

Las Industrias de fundición son fuentes fijas de generación de emisiones, las

cuales varían por las condiciones y tecnología de los equipos utilizados, el tipo de

combustible, materias primas y capacidad de producción. Un caso puntual es el de

la planta de fundición de la Empresa Fundicom S.A., la cual, en su necesidad de

dar cumplimiento a los requerimientos de las autoridades ambientales y aumentar

su competitividad a nivel internacional, ha realizado acciones buscando mejoras

internas para que su proceso sea amigable con el medio ambiente, entre éstas se

encuentra el reemplazo de hornos de cubilote por hornos de inducción y ahora, la

intención de incluir sistemas de control para las fuentes mas representativas de

material particulado de su proceso.

Los resultados obtenidos en el diagnóstico y la cuantificación de emisiones

demostraron que el proceso de fusión de hierro, es una de las fuentes en donde

se genera la mayor cantidad de material particulado, esta fuente de emisión se

tuvo en cuenta para la selección del sistema de control para material particulado y

se escogió la mejor alternativa de acuerdo con su viabilidad técnica, realizando

finalmente el diseño y la evaluación de los costos para su implementación.

20

ABSTRACT

Environmental Engineers in their professional field of action, must contribute to design

systems to air pollution control generated by small, middle and big companies as a

result of their productive process. The effects generated by those emissions can not be

quantified and their consequences, in some cases, might be detected only in the

future.

Foundry Industries are emissions sources that change by the conditions, the

technologies, the fuels, the raw material and the production capacity. A special case is

Fundicom S.A. foundry plant. This company according to the requirements of

environmental laws, and searching to increase the competitively in the international

market, has introduced proceedings to search internal improvements that be friendly

with environment; in this way, Fundicom replaced cupola ovens for induction owen,

and now it has the purpose to include systems to control the most representative

sources of particulate matter generated in the process. The results gotten by the

diagnostic and the quantification of the emissions, applying emissions factors, showed

that Iron Fusion, that up-to-date does not have a control device, it is one of the sources

where is produced high levels of particulate matter, showing that way the necessity to

design a system of capture and treatment in this stage of the process.

Choosing the system to control the particulate material in this work we decided to

select the best alternative for the company according to the technical viability. Design

and costs in the moment to be implanted. Finally, we made the design and evaluation

of costs for its implementation.

21

GLOSARIO PROCESO DE FUNDICIÓN

ACERO: producto siderúrgico en el que el hierro combinado adquiere con el temple gran

dureza y elasticidad. Químicamente es una aleación a base de hierro y aleado con

carbono en una proporción entre el 0,03% y el 2%. El acero dulce se caracteriza por ser

muy maleable (con gran capacidad de deformación) y tener una concentración de carbono

inferior al 0,2%. Por encima de esta proporción de carbono, el acero se vuelve más duro,

pero más frágil.

ALEACIÓN: sustancia con propiedades metálicas compuesta por dos o más elementos

químicos de los cuales al menos uno es un metal.

ARRABIO: nombre dado al hierro fundido producido en un alto horno y que contiene una

gran cantidad de carbono (sobre 1,5%). En algunos procesos puede reemplazarse la

chatarra por arrabio.

BRIQUETAS: pequeños terrones que se forman al comprimir material triturado.

COLADA CONTINUA: es el método de moldear el hierro o el acero en palanquillas,

tochos o planchones a través de un proceso de enfriamiento desde su forma líquida.

COQUE: es el combustible básico que se consume en los altos hornos en la fundición del

hierro. El coque es un carbón desgasificado en una coquería. Se necesitan alrededor de

450 kilos de coque para procesar una tonelada de arrabio y este carbón representa más

del 50% del uso energético total de una acería integrada.

CRISOL: vaso más ancho de arriba que de abajo, que comúnmente se hace de barro

refractario, porcelana o materia similar y se emplea para fundir materiales a temperaturas

muy elevadas. Cavidad que en la parte inferior de los hornos sirve para recibir el metal

fundido.

22

CHATARRA: material ferroso que por lo general es refundido y vaciado para formar acero

nuevo. Las acerías integradas utilizan chatarra en un porcentaje de hasta 25% de la

alimentación de su horno al oxígeno. La chatarra constituye el 100% de la materia prima

para un horno eléctrico en una pequeña acería.

CHATARRA DOMÉSTICA: acero de desecho que se genera al interior de la planta

siderúrgica por medio de recorte de bordes y rechazos. Normalmente se envía

directamente de vuelta al horno.

CHATARRA INDUSTRIAL: excedente del acero que es recortado por los estampadores

automotrices y que es rematado a los compradores de chatarra como lotes para elaborar.

Esta es chatarra de alta calidad producto de su bajo contenido residual y de su química

consistente.

ESCORIA: impurezas en el hierro fundido. Se puede agregar material fundente como la

caliza para fomentar la reunión de elementos no deseados y formar la escoria. Puesto que

esta última es más liviana que el hierro, flota en la superficie del hierro fundido desde

donde puede ser extraída.

FUNDENTE: agente limpiador del hierro también llamado aglomerante. La caliza y la cal

reaccionan con las impurezas al interior del contenedor metálico formando una escoria

que flota hacia la superficie del hierro líquido relativamente más pesado (y ahora más

puro). También recibe el nombre de Inoculante.

FUNDICIÓN HIERRO GRIS: en este proceso el grafito aparece en forma laminar. Es una

aleación de carbono, hierro y silicio, que permite fabricar una gran variedad de piezas y

partes para maquinaria .

FUNDICIÓN HIERRO NODULAR: es un material que tiene características similares al

Hierro Gris pero también presenta propiedades físicas próximas al acero. Se le llama

también esferoidal (el grafito se presenta como esferas). En este material podemos citar

los repuestos de piezas que requieran resistencia al desgaste y de alto esfuerzo.

23

FUNDICIÓN HIERRO GRIS: forma más común del hierro fundido utilizado principalmente

en fundiciones. La fractura es de color gris oscuro, siendo utilizada para bancadas, bases,

etc.

GRAFITO: una forma cristalina del carbón que tiene una estructura laminar y que es

utilizado como lubricante. Puede ser de origen natural o sintético.

HORNO DE CUBILOTE: es un horno de cuba cilíndrica fija, en el cual se cargan por la

parte superior los metales a fundir, capas alternadas de chatarra y ferro-aleaciones, junto

con coque y piedra caliza o dolomita. El metal es fundido mediante contacto directo con

un flujo a contracorriente de gases calientes provenientes de la combustión del coque,

encendido con aire proveniente de un ventilador a través de toberas. El metal fundido se

acumula en el pozo o solera, donde es descargado mediante un flujo continuo y

depositado en una cuchara recibidora para luego ser enviado a los hornos eléctricos de

inducción, donde se realiza el ajuste final de composición química y temperatura. El

combustible utilizado en este tipo de hornos es el Carbón Coque.

VACIADO: actividad en la cual los moldes para las piezas que se van a fabricar son

llenados por las cucharas que contienen el metal líquido.

24

GLOSARIO CALIDAD DE AIRE

AIRE: uno de los medios en que se desenvuelve el ecosistema; suele utilizarse como

sinónimo de la capa de atmósfera en contacto con la superficie terrestre. Es una mezcla

de gases que, al parecer, han evolucionado en los últimos millones de años hasta su

composición actual. Sus componentes naturales básicos son el nitrógeno, el oxígeno,

algunos otros gases inertes o nobles y componentes variables como el dióxido de carbono

y el vapor de agua.

CONCENTRACIÓN: corresponde a la proporción de contaminante presente en un medio,

generalmente expresada en unidades de masa como micro o nanogramos fraccionando a

una unidad de masa mayor como gramos o kilos (µg/Kg o ng/g) o a una de volumen como

centímetros o metros cúbicos (µg/m3 o ng/cc). En ocasiones la concentración se expresa

directamente en una fracción como partes por millón (ppm). El nivel de daño que causa un

contaminante depende en buena medida de su nivel de concentración

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA: presencia de contaminantes en la atmósfera, tales

como polvo, gases o humo en cantidades y durante períodos de tiempo tales que resultan

dañinos para los seres humanos, la vida silvestre y la propiedad. Estos contaminantes

pueden ser de origen natural o producidos por el hombre directa o indirectamente.

CONTAMINANTE PRIMARIO: contaminante producido directamente por la actividad

humana o la naturaleza.

CONTAMINANTE SECUNDARIO: contaminante producido a partir de algún(os)

contaminante(s) primario(s) y otras sustancias.

EMISIONES DIFUSAS: son aquellas emisiones, no necesariamente visibles, que son

imposibles de canalizar por un ducto. Ejemplo de éstas son los caminos de tierra,

extracción de mineral, detonaciones, canchas de fundición, etc.

25

EMISIONES FUGITIVAS: emisiones que se escapan del sistema de captación, debido a

un mal diseño o desperfectos en él. Estas emisiones pueden salir por ductos, filtros,

campanas, etc.

MATERIAL PARTICULADO (MP): es una mezcla de partículas líquidas, sólidas o líquidas

y sólidas suspendidas en el aire que difieren en tamaño, composición y origen. El tamaño

de las partículas suspendidas en la atmósfera varía en más de cuatro ordenes de

magnitud, desde unos poco nanómetros a decenas de micrómetros. El Material

Particulado conviene clasificarlo por sus propiedades aerodinámicas (Diámetro

Aerodinámico), dado que éstas son un factor decisivo para el transporte y la remoción de

las partículas desde el aire. También, son determinantes para la depositación en el

sistema respiratorio y están asociadas con la composición química y las fuentes de esas

partículas, cuando se habla del tamaño de una partícula se está hablando de su diámetro

aerodinámico.

MATERIAL PARTICULADO RESPIRABLE (MP10): comprende las partículas de diámetro

aerodinámico (d.a.) menor a 10 µm. Representa una mezcla compleja de sustancias

orgánicas e inorgánicas. Estas partículas penetran a lo largo de todo el sistema

respiratorio hasta los pulmones, produciendo irritaciones e incidiendo en diversas

enfermedades. De acuerdo a su masa y composición se tienden a dividir en dos grupos

principales, material particulado grueso, de diámetro mayor a 2,5 µm y menor a 10 µm y

material particulado fino menor a 2,5 µm en diámetro., existiendo también el denominado

material particulado ultrafino de alrededor de 0,1 µm.

MONÓXIDO DE CARBONO (CO): esta sustancia es producida por la combustión

incompleta de carburantes y ciertos procesos biológicos e industriales. Actúa en la sangre

suplantando al oxígeno (O2) e impidiendo su llegada al cerebro y los músculos, incluyendo

el corazón.

NORMA ANUAL: establece la concentración máxima anual permisible de un

contaminante, definida como el promedio aritmético de los valores de las muestras diarias

cuando se trata de contaminantes en estado gaseoso, o el promedio geométrico de los

26

valores de las muestras diarias cuando se refieran a partículas suspendidas totales –

PST.

NORMAS DE CALIDAD: aquellas que establecen límites para elementos, compuestos,

sustancias, derivados químicos o biológicos, energías, radiaciones, vibraciones, ruidos, o

combinación de ellos en el ambiente; atmósfera por ejemplo.

NORMA DE EMISIÓN: la que establece la cantidad máxima permitida para un

contaminante, en forma de concentración o de emisión másica, medida en el efluente de

la fuente emisora.

NORMA DIARIA: establece la concentración máxima diaria permisible de un

contaminante, definida como el promedio aritmético de los valores de las muestras

horarias, que podrá excederse solo una vez en un año.

NORMA PROMEDIO HORARIA: establece la concentración máxima permisible de un

contaminante, de las mediciones realizadas en un periodo de tiempo establecido (media

hora, una hora, tres horas, 6 horas, 8 horas).

PARTÍCULAS TOTALES EN SUSPENSIÓN (PTS ó PST): son materiales finamente

divididos, presentes (suspendidos) en el aire, sólidos o líquidos de un diámetro igual o

inferior a 50 micrómetros (µm). La fracción de PTS de tamaño superior a 10 micrones

corresponde a partículas no respirables, depositándose en la parte superior del sistema

respiratorio y son limpiadas y expulsadas a través de la formación de mucus, a través de

la tos o de la deglución.

PM 2.5: corresponde a la fracción fina del MP10, con un diámetro aerodinámico inferior a

2,5 µm, lo que les permite penetrar más por el sistema respiratorio llegando a los alvéolos

pulmonares.

27

INTRODUCCIÓN

Actualmente todas las industrias de manufactura en Colombia, por los requerimientos de

la autoridad ambiental y buscando ser competitivos en el mercado, deben dar

cumplimiento a las normas establecidas en la legislación y a las solicitudes de los clientes

de demostrar gestión hacia la minimización de la contaminación que se genera en sus

procesos.

Las industrias de fundición pueden describirse como aquellas actividades industriales en

las que a partir de un metal o aleación en estado líquido y mediante el llenado de un

molde, se obtienen piezas con la forma y características deseadas. Durante este proceso,

los principales impactos ambientales son resultado de las emisiones atmosféricas desde

la preparación de materias primas hasta el terminado del producto.

En Colombia, son pocas las industrias de fundición que cuentan con tecnologías óptimas

para reducir las emisiones en forma significativa, un caso a destacar es el de Sabaneta

Cast Metals Foundry, una fundición comercial de hierro fundada en el 2001 y localizada

en Sabaneta (Antioquia, Colombia). Su planta fue diseñada y construida con los últimos

avances tecnológicos para dar cumplimiento con los estándares de seguridad industrial,

conservación del medio ambiente y aseguramiento del control del proceso. Tiene

implementado un sofisticado sistema automático de control de impactos ambientales,

compuesto por un colector de mangas (980 talegas) con una eficiencia del 99.9 %, cuyo

caudal de 85.000 pies cúbicos por minuto; este filtro se encarga de recoger todos los

gases de la combustión y los finos resultantes de la preparación de las arenas y el

proceso de moldeo.

Por otra parte, en muchos países se ha buscado reducir las emisiones a través de

Políticas de Producción Mas Limpia, implementando acciones preventivas (en la fuente)

como son la clasificación de materias primas, limpieza de la chatarra (eliminar pinturas y

28

grasas), apertura del horno por cortos periodos de tiempo, precalentamiento de la

chatarra, uso de combustibles limpios, cambio a gas natural, entre otras.

En cuanto a los equipos necesarios para reducir los niveles de emisión (al menos a

valores permisibles de emisión de partículas) los mas usuales son los filtros de mangas,

ciclones y precipitadores electrostáticos, ya que no siempre se puede reducir las

emisiones en forma significativa desde la fuente. Estos sistemas siempre van

acompañados de buenos mecanismos de extracción y recolección de las emisiones

generadas, que en su mayoría son campanas y extractores de alta capacidad.

Fundicom S.A. es una industria de fundición y mecanizado de autopartes; en la Planta de

Fundición se producen gran variedad de piezas en hierro gris y nodular; actualmente

cuenta con sistemas de captación y control en alguna de las fases del proceso, sin

embargo han existido cambios internamente como son, aumento en la producción e

inclusión de nuevas etapas, lo que incentiva a evaluar la situación actual de la empresa

en la generación de emisiones y considerar la inclusión de nuevos mecanismos de control

que contribuyan al cumplimiento de las normas ambientales y disminuir el impacto

ambiental de su proceso.

Con estos antecedentes y de acuerdo con el proceso que realiza Fundicom S.A. lo que se

consiguió en este estudio fue identificar los puntos en los que se generan mayores

emisiones, si los sistemas de captación existentes son eficientes para el caudal y

características de la emisión que capturan y si de acuerdo con los casos presentados

anteriormente es posible adaptar un sistema de captación y tratamiento de los gases para

los hornos de inducción y otras fuentes representativas, que sea viable técnica y

económicamente y que controle al máximo el impacto al medio ambiente.

29

JUSTIFICACIÓN

La problemática ambiental inherente a la emisión de contaminantes a la atmósfera es un

aspecto difícil de controlar a nivel mundial, teniendo en cuenta que se presentan un sin

número de reacciones entre los compuestos existentes y los emitidos durante las

actividades humanas, cuyos efectos en la mayoría de los casos son incuantificables.

Debido a la ocurrencia de episodios que por causa de la contaminación han generado

pérdidas económicas y humanas, la legislación y los acuerdos internacionales han

intentado controlar la emisión de contaminantes generados por las actividades

productivas, incentivando a que las industrias reduzcan los impactos ambientales con

alternativas de control en la fuente de sus procesos; sin embargo las mismas condiciones

operacionales conllevan a una descarga final de contaminantes la cual es difícil de

controlar completamente en la fuente y que requiere de un tratamiento previo a su emisión

o descarga al ambiente.

Los Ingenieros Ambientales dentro de su campo laboral abarcan la línea de control de la

contaminación atmosférica, siendo partícipes en la creación y diseño de alternativas que

contribuyan a dar cumplimiento a las normas permisibles por las autoridades ambientales,

más aun cuando existen procesos productivos en los cuales la naturaleza de su actividad

desencadena un impacto directo al aire. La realización de este proyecto esta

fundamentado en la necesidad de Fundicom S.A. de dar cumplimiento a lo exigido por la

autoridad ambiental (Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca CAR) y disminuir

el impacto de su proceso de fundición, el cual genera emisiones en las cuales el sistema

de captación existente no era suficiente o por el contrario no existía algún control de

dichas emisiones. Se presenta a continuación la alternativa seleccionada para el control

de las emisiones en la empresa contemplando las necesidades actuales y las

capacidades técnicas y económicas para su implementación, con el fin de dar

cumplimiento a las normas exigidas, obtener el permiso de emisiones y realizar un control

permanente de las actividades minimizando la contaminación de su proceso.

30

OBJETIVO GENERAL

Realizar la selección y diseño de un sistema de control para las emisiones de material

particulado originadas en el proceso de fundición de la empresa Fundicom S.A. de.

Mosquera-Cundinamarca.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Identificar los puntos representativos de emisión al aire, presentes en el proceso de

fundición realizado por la empresa Fundicom S.A. de Mosquera- Cundinamarca.

Realizar una descripción de los ductos, chimeneas o fuentes dispersas existentes en

la planta de fundición de la empresa.

Identificar los mecanismos de control requeridos para el tipo de emisiones

atmosféricas que se generan en el proceso.

Diseñar las unidades de control requeridas para la reducción de emisiones

atmosféricas de partículas que sean viables de aplicar.

Realizar una evaluación técnica y económica de los mecanismos escogidos para el

control de las emisiones generadas en el proceso de fundición de la empresa.

31

1. GENERALIDADES

1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA EMPRESA

Fundiciones y Componentes Automotores S.A. creada en el 2000 es una organización

que cuenta con un proceso integrado de fundición y mecanizado, principales actividades

productivas heredadas de Industrias KAPITOL S.A. Dichos procesos se llevan acabo en

sus dos Plantas de Producción: la Planta de Fundición localizada en el municipio de

Mosquera, Cundinamarca y la Planta de Mecanizado localizada en la ciudad de Bogotá.

Ambos procesos están certificados con normas de calidad ISO 9000-QS9000,

destacándose así por ser una empresa con capacidad de producir toda clase de partes en

hierro fundido gris o nodular con requerimientos de alta precisión y bajo normas

Nacionales e Internacionales.

Las actividades realizadas en la Planta de Mecanizado son la fabricación y mecanizado

de discos, campanas, bombas de freno, cilindros de rueda y pistones, así como el

ensamble de servos y conjuntos de freno. Durante éstas no se generan emisiones

directas a la atmósfera y dentro de la legislación no se contempla la exigencia de permiso

de emisiones para este tipo de actividad, por tal motivo el presente estudio se

fundamentó en el proceso realizado en la Planta de Fundición

Los equipos y maquinaria existentes de fusión y moldeo permiten tener flexibilidad para el

manejo de todo tipo de producto, de acuerdo con la necesidad de los clientes.

Al comienzo de la actividad de Fundicom S.A., se empleaba una batería de hornos de

cubilote, que son uno de los tipos de horno más antiguo usado en la industria de la

fundición. Estos hornos requieren coque para fundición, entre el 10% y el 15% de la carga

de metal.

32

Además de la contaminación atmosférica por dióxido de carbono (CO2) , monóxido de

carbono (CO) y dióxidos de Azufre (SOx), la operación del cubilote genera arena

quemada, escorias, material refractario, residuos de limpieza y lodos de cenizas

depositadas en los tanques, que impactan significativamente el ambiente.

Fundicom S.A. disponía de una batería de hornos eléctricos de inducción de 750 Kw con

capacidad de 2 Ton en cada cuba, cuyo consumo de energía era muy elevado con

respecto a los estándares promedio de estos hornos, debido a que eran equipos con

tecnología de más de 20 años y con baja eficiencia de fusión.

Sin embargo, la compañía decidió reemplazar tanto los hornos de cubilote como los

hornos de inducción de 750 Kw, adquiriendo hornos eléctricos de inducción con

capacidad de 1250 Kw y tecnología de punta, disminuyéndose de esta forma un 48%

aproximadamente en el consumo de energía eléctrica, aumentando la velocidad y la

versatilidad en la fusión y minimizando la generación de residuos sólidos por operación

del cubilote y la contaminación por emisiones al aire además de contar con la capacidad

requerida para abastecer las líneas de moldeo.

Para el proceso de moldeo, se cuenta con un sistema de moldeo automático HUNTER y

un sistema de moldeo tipo carrusel con máquinas BMM, que permite moldear piezas en

serie desde 300 gramos hasta 60 kilogramos, igualmente cuentan con una infraestructura

de Moldeo en Piso para fabricar partes hasta de una tonelada; disponen de suficientes

máquinas productoras de noyos de todo tipo.

Para garantizar y certificar la calidad de los productos, cuentan con Laboratorios de

Arenas, de Análisis Químico, de Metrología, Espectrómetro, máquinas para medir

resistencias de microprobeta, Universal y Quick Lab en línea.

33

1.2 PROCESO DE FUNDICIÓN

La Planta de Fundición se encuentra localizada en el Km 18.5 Vía Occidente, Mosquera

Cundinamarca, en la Vereda Siete Trojes, tiene un área aproximada de 16. 593 m2 y una

capacidad de producción de 270 toneladas por semana de Hierro Gris y Nodular

aproximadamente. Para el proceso de fusión cuentan con Hornos eléctricos de inducción

VIP POWER TRAK, de 1250 Kw y 2200 Kw con capacidad de 2 y 8 toneladas

respectivamente.

Esta Planta, Limita con la Empresa de Energía, Ferrocarriles Nacionales, Worthington de

Colombia y con la carretera central que conduce de Mosquera a Madrid. Se encuentra

ubicada en una zona Industrial de acuerdo con el concepto de uso de suelo emitido por la

Alcaldía del Municipio.

Entre sus productos principales se encuentran:

• Partes para frenos: campanas, discos, caliper, cilindros rueda y maestro.

• Partes para Embragues: platos de presión, cilindros embrague.

• Partes para motor: volantes

• Accesorios para tubería

• Cuerpos y tapas para bombas

• Partes para gatos hidráulicos

Los principales clientes pertenecientes al Sector Automotriz, son:

• Planta de Mecanizado

• Herparco, Incolbestos

• Bonem

• Transejes

• Socofam

En la Figura 1 se observa el diagrama de flujo del proceso de fundición de Fundicom S.A.

VACIADO

ZARANDA

SISTEMA 2PIEZAS

FUNDIDAS

GRANALLADORA TOSCA GRANALLADORA DE TUNEL

Piezas Terminadas

ESMERILES

MOLINO

SILOS DE ARENA

SHELL

FUNDICOM S.A.FUNDICOM S.A.PLANTA DE FUNDICIÓN

PIEZAS FUNDIDAS

VACIADO

ZARANDA

SISTEMA 1

HORNO DE INDUCCIÓN

2 TON

HORNO DE INDUCCIÓN

8 TON

TORRE DE ENFRIAMIENTO

180 GAL/MIN


130 GAL/MIN

Figura 1. Diagrama de Flujo Proceso de Fundición Fundicom S.A.

Fuente Los Autores 2004

35

1.2.1 Materias Primas. La principal materia prima del proceso productivo de la empresa

es la chatarra (que puede ser doméstica e industrial), la cual se carga al horno en una

mezcla característica para cada pieza que se funde. La mezcla consiste en la adición

ferro-aleaciones y un inoculante, los cuales dan las características químicas y físicas al

material, además e adiciona un “aglomerante” para remover las impurezas de las coladas

de hierro en los hornos (escorias).

El proceso de fabricación de hierro gris y nodular, está dividido en distintas etapas, las

cuales cumplen una función importante para la elaboración del producto final:

En el Anexo A se pueden observar las fichas técnicas de las materias primas e insumos

utilizados durante el proceso de fundición.

1.2.2 Elaboración de Placa Modelo. El proceso de fundición en Fundicom S.A.

comienza con la elaboración del patrón, un patrón es un modelo (placa modelo) que tiene

las características dimensionales de la pieza a fabricar; generalmente son elaborados en

aluminio, bronce, madera o resinas plásticas.

Imagen 1. Molino de 850 Kilogramos

Fuente Los autores 2004

1.2.3 Preparación de Arena Verde. El proceso

conocido como “Arena Verde” consiste en acondicionar

la arena con las características necesarias para que

tenga un optimo desempeño en el moldeo. La arena

verde es una mezcla de arena silícea; bentonita, que

es una arcilla que funciona como aglomerante; carbón

bituminoso, el cual genera una capa reductora dentro

del molde; agua que es el que activa a la bentonita, y

arena de retorno que proviene del proceso de

desmoldeo. Esta preparación se realiza en un molino

marca SIMPSON de 850 Toneladas.

36

Figura 2. Preparación de Arena Verde


La composición de las materias primas requeridas en la preparación de la arena de

moldeo se muestra en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Composición de Arena de Moldeo

Fuente Fundicom S.A.

Estos aditivos de regeneración necesarios, tienen porcentajes específicos que permiten

que la arena cumpla con las características requeridas de humedad, compactibilidad,

resistencia, permeabilidad, entre otras. El agua se adiciona para activar la bentonita

presente en la arena verde; se preparan en total 90 molinadas diarias aproximadamente.

* Porcentaje calculado con base en la cantidad de arena nueva.

COMPOSICIÓN DE ARENA DE MOLDEO 15 % de Bentonita *4 12.5 % de Carbón Bituminoso * 5 % Arena Sílice Nueva 94 % Arena de Retorno

37

1.2.4 Fabricación de Noyos. Los noyos o machos son piezas que se colocan dentro del

molde para que el hierro fundido al solidificarse a su alrededor, genere la cavidad interna

requerida de acuerdo con el producto a fabricar. Se construyen con una mezcla de arena

silícea y silicato de sodio. Esta mezcla es colocada en una caja de machos o matachera

(calentada previamente a 200º - 230ºC), que tiene la forma del macho a obtener,

posteriormente se hace correr una corriente de gas CO2 para que el macho adquiera la

consistencia necesaria para soportar la presión del metal dentro del molde.

La arena inyectada en la matachera es preparada previamente en molinos pequeños,

adicionando resina fenólica, hexametiltetramina, alcohol y agua. Esta mezcla permite que

al someter la arena a las temperaturas establecidas, esta se compacte formando una

pieza sólida fácil de desmoronar, pero resistente a la temperatura en que se realiza el

vaciado del hierro fundido.

Imagen 2. Preparación de Machos


1.2.5 Moldeo. En esta etapa se hace una impresión “en negativo” del modelo con la

arena verde preparada con anterioridad, con el fin de generar la cavidad que

posteriormente será llenada con el metal liquido. Una de las características de los moldes

fabricados es que tienen una línea de partición horizontal, es decir los moldes están

conformados por una base (parte inferior del molde) y una tapa (parte superior del molde)

Disco

Campana Molino Matachera

38

que al momento de juntarse forman una línea horizontal de sellamiento o partición en la

parte media del molde.

La distribución de la arena para cada sistema de moldeo se realiza a través de bandas

transportadoras; en el Sistema 1, se coloca arena alrededor del patrón para hacer el

molde, de tal manera que el patrón pueda ser retirado fácilmente.

En el Sistema 2 la tapa y la base se elaboran por separado en cada una de las prensas,

luego de sellarse, pasan sobre la banda que las va a transportar hasta las líneas de

vaciado.

Imagen 3. Sistemas de Moldeo


1.2.6 Desmoldeo. Después de que los moldes han sido vaciados, se deja un tiempo

prudencial de enfriamiento para que las piezas tengan una solidificación adecuada y

coherente con las propiedades mecánicas deseadas. Pasado este tiempo, los moldes se

rompen para extraer las piezas. La arena generada vuelve al proceso de preparación de

arena de moldeo como materia prima.

1.2.7 Fusión y Vaciado. La fusión se realiza cargando los hornos de inducción con

chatarra, arrabio, ferroaleaciones, grafito y ligas. Primero se adiciona una “muestra” de

hierro hasta alcanzar la temperatura de fusión que es de 1300-1380°C, luego de este

punto se continúa el llenado subiendo la temperatura hasta 1500°C (para hierro gris)

1550°C (hierro nodular). Si el proceso es para hierro nodular, se aplica liga nodulizante y

39

luego se adiciona lentamente el inoculante; sin importar si es gris y nodular;

posteriormente se lleva al sitio de escoriado y se realiza la respectiva operación

agregando el aglutinante de escoria y quitando las impurezas.

Una vez que el metal fundido ha sido tratado para conseguir la propiedades deseadas es

transferido al área de colada en cucharas revestidas con un material refractario, se retira

la escoria de la superficie y se vierte el metal en los moldes previamente elaborados como

se muestra en la imagen 4.

Imagen 4. Fusión y Vaciado del Hierro


1.2.8 Terminado. Luego del desmoldeo y el enfriamiento, las piezas son llevadas al

área de terminado: se retiran los canales de alimentación del metal fundido (algunas

piezas pasan por un tratamiento térmico previo), posteriormente las piezas son sometidas

al granallado donde se retira arena adherida por los moldes a la pieza y finalmente pasan

al esmerilado, donde se quitan las rebabas y demás imperfecciones de la pieza. Se

realiza inspección final del material y el cargue respectivo para ser despachado.

Imagen 5. Granallado Imagen 6. Esmerilado

Fuente Los Autores 2004 Fuente Fundicom S.A.

40

1.3 MARCO LEGAL

En 1992 durante la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente y

Desarrollo de Río de Janeiro, surgió el Convenio sobre Cambio Climático, con el fin de

lograr la estabilización en la atmósfera de los gases efecto invernadero sobre estos

acuerdos Colombia ha fundamentado las normas relacionadas con la protección del

Medio Ambiente

En el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables Ley 2811 de 1974, se

establecen las medidas de prevención de la contaminación atmosférica (Art. 75), y las

normas sobre calidad de aire (Art. 74).

Con el Decreto 02 de 1982 se establecieron los primeros parámetros a cumplir en materia

de emisiones de partículas en suspensión: normas de calidad de aire y los niveles

permisibles de emisión según el tipo de actividad industrial. Se presentan normas de

emisión para industrias que trabajen calderas a base de carbón, fábricas de cemento e

industrias metalúrgicas, plantas de ácido nítrico entre otros.

Para el caso de este estudio, se tendrán en cuenta las normas de calidad y emisión

establecidas en los artículos

El Decreto 948 de 1995 contiene el Reglamento de Protección y Control de la Calidad del

Aire; de alcance general y aplicable en todo el territorio nacional, se establecen las

normas y principios generales para la protección atmosférica, los mecanismos de

prevención, control y atención de episodios por contaminación del aire generada por

fuentes contaminantes fijas y móviles, las directrices y competencias para la fijación de las

normas de calidad del aire o niveles de inmisión, las normas básicas para la fijación de los

estándares de emisión y descarga de contaminantes a la atmósfera, de emisión de ruido y

olores ofensivos, se regula el otorgamiento de permisos de emisión, los instrumentos y

medios de control y vigilancia, el régimen de sanciones por la comisión de infracciones y

la participación ciudadana en el control de la contaminación atmosférica.

41

1.3.1 Norma de Calidad de Aire. La legislación que rige para la zona en la que está

localizada la empresa (Mosquera, Cundinamarca) es la establecida por el Ministerio de

Salud en el Decreto 02 de 1982, en el artículo 32; por lo tanto se deben convertir las

normas de calidad correspondientes a la zona de estudio de acuerdo con las condiciones

locales de temperatura y presión:

Características de la Zona de Estudio

Temperatura 14.3°C

Presión Barométrica Local 556.3 mm Hg

Altitud sobre el nivel del mar 2516 m

Fórmula para el cálculo de la Norma Aplicable a las condiciones de la zona:

NLOCAL= NCR x Pb x 298_ (2) 760 273+°C Concentración Permisible De Partículas Suspendidas Totales35 En el Artículo 32 del

Decreto, encontramos que el valor de la concentración de partículas anual, permisible es

de 100 µg/m3; y el valor correspondiente a la concentración de partículas diaria es de 400

µg/m3

Cx

mmHgmmHgxdiariaNLOCAL °+

=3.14273

298760

3.556100

3/92.75 mgdiariaNLOCAL µ=

3 MIN SALUD. Decreto 02/82 Capítulo II De las Normas de Calidad de Aire y sus Métodos de Medición Artículo 32. Colombia. 44p

42

Cx

mmHgmmHgxanualNLOCAL °+

=3.14273

298760

3.556400

3/69.303 mganualNLOCAL µ=

1.3.2 Norma de Emisión. Para el cálculo de la norma de emisión que debe cumplirse en

el proceso de fundición de la industria en estudio, se tomó como referencia la norma

establecida en el artículo 62 y 63 del Decreto 02/82; allí se encuentran los factores de

emisión para industrias metalúrgicas que operan hornos de inducción.

Dicha norma debe calcularse de acuerdo con la zona en que se encuentra ubicada la

empresa y la producción máxima diaria en toneladas: en este caso la empresa se

encuentra en zona rural de acuerdo con el concepto de uso de suelo emitido por la

Alcaldía de Mosquera – Cundinamarca y la producción es de 42 Toneladas/día, por lo

tanto se seleccionó la siguiente ecuación:

306.002.2 −= PE (3) para 10 < P < 200

Donde:

E = Máxima emisión permisible de partículas expresada en Kilos por tonelada producida.

P = Máxima producción diaria en Toneladas.

306.0)42(02.2 −=E

producidaTonPartículasKgE /6436.0=

Para realizar la corrección por altura y presión, se calculó el factor K con la ecuación () el

cual debe multiplicarse por la emisión calculada previamente:

43

HpbhK 04.0760

+= (4)

Donde: K = factor de modificación por altitud.

Pbh = presión barométrica del lugar en milímetros de mercurio.

H = Altitud sobre el nivel del mar en miles de metros.

Entonces

)516.2(04.0760

3.556+=K

8326.0=K

Por lo tanto, la norma de emisión corregida que debe cumplir Fundicom S.A. es:

E = 0.6436x 0.8326 = 0.536 ≈ 0.54 Kg Part./ Ton

44

2. DIAGNÓSTICO DE LAS EMISIONES GENERADAS EN EL PROCESO

2.1 RECOLECCIÓN PRELIMINAR DE INFORMACIÓN

Para elaborar un diagnóstico acerca de la situación actual de la empresa en materia de

Emisiones, se elaboró una lista de chequeo para la recolección de información (Anexo B

Metodología de Evaluación Lista de Chequeo) en la cual se evaluaron cinco aspectos con

el fin de identificar si la empresa tiene conocimiento sobre el impacto de las emisiones, y

si realiza seguimiento a actividades de mejoramiento ambiental y Cumplimiento Legal.

Los aspectos evaluados fueron:

- Identificación Fuentes de Emisión

- Equipos de Control Existentes

- Mejoramiento Ambiental

- Cumplimiento Legal

- Aspecto Social.

LISTA DE CHEQUEO: EMISIONES ATMOSFÉRICAS FUNDICOM S.A. Cuadro 2. Lista de Chequeo

ASPECTO PUNTAJE OBSERVACIONES

I. Identificación de Fuentes de

Emisión 37 %

La empresa identifica parcialmente los puntos en los que se generan emisiones representativas a la atmósfera. Se han hecho cambios en el proceso desde el último monitoreo de aire, por lo que se desconoce si dichos cambios han incrementado los niveles de emisión. No se tiene establecido un periodo para realizar monitoreos y verificar que se esté cumpliendo con las normas ambientales.

45

II. Equipos de Control 38 %

La empresa cuenta con equipos de control para algunos puntos de emisión, de los cuales uno no se encuentra en funcionamiento, la revisión de los equipos de control se incluye en el Plan de Mantenimiento, en el cual se hace una inspección visual del equipo; cada año se realiza cambio de los filtros. La información existente de los equipos es mínima, no se encontraron parámetros de diseño considerados para su selección. El personal se encuentra capacitado para hacer inspección básica del funcionamiento del equipo.

III. Mejoramiento Ambiental 33 %

La empresa no ha centrado su atención en la evaluación de las emisiones desconociendo el verdadero impacto que están generando en el medio ambiente. No identifican si existe la necesidad de adquirir nuevos equipos de control y por consiguiente no se conocen proveedores ni se han realizado cotizaciones para adquirir nuevos equipos. Existe un capital destinado para el mejoramiento ambiental.

IV. Cumplimiento

Legal 44 %

Se está recolectando información para comenzar el trámite del permiso de emisiones, por el momento no existen requerimientos importantes de la autoridad ambiental en materia de emisiones, se conocen las normas de aire que aplican para la actividad, en el monitoreo realizado no se estaba incumpliendo con la normatividad.

V. Aspecto Social 83 %

La industria se encuentra distante de la zona urbana del municipio, por lo que no existen comunidades sobre las que se pueda tener una influencia directa, no han existido quejas de la comunidad, de acuerdo con el concepto de uso del suelo de la industria, cumple con lo estipulado en el POT.


Con esta evaluación se obtuvo un panorama global de la situación de la empresa acerca

de su conocimiento e interés por trabajar en el mejoramiento ambiental. Se evidenció la

necesidad de dar cumplimiento a los requisitos legales ya que nunca se han realizado

actividades concretas para esto, lo cual se debe principalmente al desconocimiento del

verdadero impacto ambiental que se genera en el proceso.

46

2.2 DESCRIPCIÓN DE LAS FUENTES DE EMISIÓN

De acuerdo con las características del proceso productivo las fuentes generadoras de

emisión varían según las condiciones de operación, la tecnología de la maquinaria y los

insumos y materias primas utilizados en cada etapa.

En el Anexo C se encuentra el Diagrama de Flujo del Proceso con sus respectivas fuentes

de emisión en cada una de las etapas del proceso de fundición de Fundicom S.A.

2.2.1 Recepción y Descargue de Insumos. En esta etapa se presentan emisiones

difusas de PST (partículas suspendidas totales) durante la descarga a granel de la arena

sílice. Estas emisiones actualmente no cuentan con un sistema de control y no se

requiere del diseño de este dispositivo, pues se pueden mitigar mediante la

implementación de buenas prácticas operacionales.

Existen dos puntos de descargue de arena sílice, el principal es el que se utiliza para los

moldes de arena verde el cual se encuentra expuesto permanentemente a corrientes de

aire por su cercanía a la puerta este de la planta, y el segundo, en menor proporción, está

ubicado en el área donde se prepara la mezcla de los machos.

Imagen 7. Descargue de Insumos


ARENA SÍLICE A GRANEL

47

2.2.2 Preparación de Arena Verde. Una de las principales fuentes de emisión de

material particulado se presenta en la preparación de la arena para los moldes. La

composición de esta mezcla se observó en el Cuadro 1. El molino funciona durante los

tres turnos y por cada turno se preparan aproximadamente 30 molinadas de 850 Kg cada

una.

Las emisiones de material particulado en el molino se presentan al realizar la molienda y

se incrementan debido a que no existe una coordinación correcta en el encendido del

extractor y la adición de los componentes de la mezcla. Lo que desencadena una succión

directa de los materiales antes de mezclarse.

Para la preparación de la arena se cuenta con dos molinos de diferentes capacidades, el

que se encuentra en funcionamiento permanente tiene una capacidad de 850 Kg; el otro

permanece en stand by y tiene una capacidad de 200 Kg.

Las emisiones de estos molinos son conducidas a través de un sistema de conductos

hacia el filtro de mangas que se encuentra en la parte exterior de la planta; las

características de estos ductos se muestran en el Cuadro 3 y el diagrama de distribución

de cada tramo se observa en el Anexo E

Cuadro 3. Sistema de Conducción de Emisiones en Molinos

TRAMOS RECTOS ACCESORIOS IDENTIFICACIÓN DEL DUCTO No. Longitud (m) No. Tipo

CARACTERÍSTICAS

1 4.21 0 - 2 4.05 1 Codo 90° Molino de 200 Kg 3 5.02 1 Entrada 4 4.21 0 - 5 2.0 1 Codo 90° Molino de 850 Kg 6 3.02 1 Entrada

Salida al Filtro de Mangas 7 0.6 1 Codo 90°

Diámetro: 0.4 m

Material:

Lámina de Acero


48

2.2.3 Silos de Arena de Retorno. En este punto llega la arena de retorno a través de

una banda transportadora, que la descarga sobre un sistema de tamizado rotativo. Los

silos cuentan con ductos de captación como es muestra en las Imágenes 9, 10 y 11; en el

punto de llegada hay una campana que retiene el material particulado que se desprende

por la descarga de la arena (Imagen 12)

Imagen 8. Silos de Arena de Retorno

Fuente Los Autores 2004 Imagen 9. Captación en Silos Imagen 10. Ductos en Forma de “Y”

Fuente Los Autores 2004 Fuente Los Autores 2004

Imagen 11. Captación en Tamiz Imagen 12. Campana en Caída de Arena


49

En la Imagen 13 se puede observar que aunque existen ductos sobre los silos, se

presenta bastante dispersión de material particulado debido a la ausencia de una

campana que cubra la parte superior del tamiz y contribuya a la mayor retención de

material particulado.

Imagen 13. Conexión de Escape Directo


En este punto existe un gran número de tramos que finalmente se unen al ducto principal

que conduce las emisiones al filtro de mangas (Imagen 14 y 15)

Imagen 14. Ductos de Salida al filtro de Mangas Imagen 15. Ductos Salida


50

2.2.4 Hornos de Inducción. En la planta hay cuatro hornos de los cuales dos tienen

capacidad de 2 Toneladas (1250 Kw) y los otros dos una capacidad de 8 Toneladas

(2200 Kw). El horno es una bobina inductora de forma cilíndrica que se reviste

interiormente de material refractario dejando un espacio o crisol donde se funde la carga.

El conjunto de carga, revestimiento y bobina va dispuesto dentro de una estructura de

gran rigidez metálica. El horno en principio se carga con poca cantidad de chatarra hasta

alcanzar una temperatura de fusión (1300-1380°C) luego de esto se continúa el llenado

hasta alcanzar los 1500-1530°C.

La carga de material para fundir depende del tipo de fundición que se vaya a trabajar, por

ejemplo para fundición gris se carga únicamente con Chatarra y Ferroaleaciones. El hierro

nodular es un hierro con características especiales de ductilidad; la operación de

nodulizado se prepara en cucharas de 200 a 500 Kg mediante la adición de una liga a

base de Slilicio y Magnesio que se coloca al fondo de la cuchara bajo una pequeña

cantidad de acero y sobre el que se realiza el vaciado del hierro fundido, así, a medida

que se alcanza determinada temperatura se da la reacción que forma el hierro nodular.

El problema de emisiones en los hornos se presenta en primera instancia porque carecen

de un sistema de captación y las partículas que se generan están susceptibles a

dispersarse por su misma volatilidad y la acción de corrientes de aire en el área; existen

momentos en los que las emisiones aparentemente aumentan en volumen como es en el

momento de cargar el material a fundir y al vaciar el material fundido hacia los calderos.

2.2.5 Fabricación de Noyos. Las mayores emisiones que se presentan en esta

etapa proceden principalmente por la preparación de la arena para los machos y

su mezcla con aditivos (hexametiltetramina) que se realiza en un molino de 50 Kg,

también se generan durante la conformación propia de los machos, operación que

se realiza en equipos que funcionan con gas natural, los cuales por ser pequeños

y tener pocos requerimientos de combustible no generan emisiones

representativas.

51

2.2.6 Desmoldeo. Luego de transcurrido el tiempo de enfriamiento, las piezas se

conducen al punto de desmolde o shake out en el cual se separa las piezas fundidas del

molde de arena. En este momento se desarma el molde, cae la arena que será

recuperada y se presentan emisiones de material particulado.

2.2.7 Terminado. En la fase de terminado se llevan a cabo las operaciones de

granallado y esmerilado de las piezas. En la etapa de granallado lo que se busca es

retirar la arena de los moldes que se adhiere a las piezas en el momento de solidificación

del hierro y que no alcanza a ser retirada en el desmoldeo.

Existen dos sistemas para realizar la operación de Granallado, la Granalladora de Túnel y

Granalladora Tosca; ambos equipos con el mismo principio de funcionamiento.

Granalladora CM –Monorriel Automático- de Túnel: esta operación comienza colocando

las piezas en soportes que cuentan con un sistema eléctrico de riel que las conduce hacia

la estructura donde se lleva a cabo el granallado. En este punto se presenta una descarga

a gran velocidad de pequeñas esferas las cuales chocan con la pieza y se logra el

desprendimiento de la arena.

Estas esferas son impulsadas mediante turbinas a diferentes alturas las cuales logran que

se alcance el impacto necesario para retirar la arena.

Para evitar averías en los cubos de ascensión u obstrucción en el funcionamiento regular

del sistema de alimentación y de las turbinas, se realiza una separación o tamizado de la

granalla, con el fin retirarles el polvo y la arena y lograr que se recirculen dentro del

sistema libres de impurezas.

Durante este proceso de separación, se generan partículas de arena grandes que son

conducidas y depositadas por gravedad en un contenedor y partículas de menor tamaño

(PM10) que son succionadas por un extractor que las envía al sistema de control propio del

equipo para finalmente conducirlas al ducto de salida.

52

La Granalladora Marca Tosca, a diferencia de la de Túnel no cuenta con un ducto para el

desfogue del gas que sale del filtro de mangas, impidiendo de esta forma realizar

mediciones que permitan verificar la eficiencia del filtro.

2.3 IDENTIFICACIÓN DE CONTAMINANTES

Los contaminantes generados en cada una de las etapas del proceso de fundición varían

en composición y cantidad de acuerdo con el tipo de proceso, la frecuencia de

producción, los insumos y materias primas utilizadas, se presentan en el Cuadro 4 los

contaminantes emitidos a nivel general en un proceso de producción de hierro, sus

principales características y efectos en la salud o el ambiente.

Cuadro 4. Contaminantes Generales de un Proceso de Fundición

TIPO DE CONTAMINANTE CARACTERISTICAS EFECTOS

MATERIAL

PARTICULADO

Las partículas o material particulado pueden ser sólidos o líquidos, con diámetros entre 0,002 µ a 100 µ. Incluye Polvo Hollín, humo, metales y partículas suspendidas totales.

El material particulado respirable se ha clasificado de acuerdo a dos tamaños: PM10 y PM2.5.

El factor determinante en el efecto en salud es el tamaño de las partículas, debido al grado de penetración y permanencia que ellas tienen en el sistema respiratorio. Aumento en la frecuencia de cáncer pulmonar, síntomas respiratorios severos, Irritación de ojos y nariz, Agravamiento en casos de asma, Agravamiento en caso de enfermedades cardiovas-culares. Otros: Aceleramiento de la Corrosión de las láminas de acero y zinc.

COMPUESTOS DE AZUFRE

(SOx)

SO2 gas incoloro, no inflamable y no explosivo, se convierte parcialmente a SO3 o a ácido sulfúrico por procesos catalíticos o fotoquímicos en la atmósfera.

El principal efecto es por la formación de lluvia ácida, la cual disminuye el valor de PH en las fuentes de agua, lixivia los nutrientes del suelo, corroe piezas metálicas y deteriora materiales de caucho, pintura, etc.

53


COMPUESTOS DE NITRÓGENO

(NOx)

El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas pardo rojizo, no inflamable, tóxico. El óxido nítrico (NO) es un gas incoloro. Estos dos gases se representan conjuntamente como NOX.

Los niveles bajos de óxidos de nitrógeno en el aire pueden irritar los ojos, la nariz, la garganta, los pulmones, y causar tos y una sensación de falta de aliento, cansancio y náusea. Respirar altos niveles de óxidos de nitrógeno puede rápidamente producir quemaduras, espasmos y dilatación de los tejidos en la garganta y las vías respiratorias superiores

ÓXIDOS DE CARBONO

El CO y el CO2 son gases incoloros, inodoros, El CO2 se encuentra presente en la atmósfera de forma natural. No es tóxico. Dada su presencia natural en la atmósfera y su falta de toxicidad, no debería considerarse una sustancia que contamina, pero se dan dos circunstancias que lo hacen un contaminante de gran importancia en la actualidad.

CO Es tóxico; envenena la sangre impidiendo el transporte de oxígeno. Se combina fuertemente con la hemoglobina de la sangre y reduce drásticamente la capacidad de la sangre de transportar oxígeno. Es responsable de la muerte de muchas personas en minas de carbón, incendios y lugares cerrados (garajes, habitaciones con braseros, etc.) CO2 uno de los responsables del efecto invernadero. Es uno de los gases que más influye en el importante problema ambiental del calentamiento global del planeta y el consiguiente cambio climático.

COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES

COV’s

Son compuestos líquidos o sólidos que contienen carbono orgánico (carbono enlazado con hidrógeno, nitrógeno o azufre), los cuales se vaporizan a razones significativas. Constituyen la segunda clase mas extendida y diversa de emisiones, después de las partículas.

Los riesgos para la salud asociados a la emisión de COV's se derivan de sus propiedades volátiles, liposolubles, tóxicos e inflamables. Los riesgos mayores para el ser humano se producen por la absorción de estos a través de la piel y por inhalación.

54


HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

HAP’s

Los HAPs son un grupo de compuestos presentes en el petróleo y se consideran los más tóxicos de los hidrocarburos junto con los monoaromáticos.

Una vez que los HAPs son liberados al ambiente acuático, la degradación a través de microorganismos es a menudo lenta, lo que conduce a su acumulación en los sedimentos, suelos, plantas acuáticas y terrestres, peces e invertebrados expuestos. A través de la inhalación o el contacto dérmico por periodos prolongados, pueden desarrolar cáncer

Fuente DE NEVERS, NOEL. Ingeniería y control de la Contaminación del Aire

2.3.1 Proceso de Fusión y Tratamiento del Metal Fundido. Debido a que en el proceso,

la fusión se realiza en hornos de Inducción Eléctrica, la variedad de contaminantes es

mucho menor los emitidos, por ejemplo, en hornos de Carbón Coque. Por lo tanto, las

emisiones generadas son de PST y en menor proporción partículas que contienen óxidos

minerales y metálicos, compuestos orgánicos gaseosos y elementos traza (Ni, Cr6+, Pb,

Cd, As) 16

2.3.2 Producción de Moldes y Machos. Las mayores emisiones en las operaciones de

producción de moldes y machos son de PST, que proceden de la regeneración y

preparación de arena.

Las emisiones de compuestos orgánicos gaseosos y demás contaminantes gaseosos

(CO, CO2, HCN, H2S, NH3, Benceno, SOx, NOx) proceden del uso de los aglomerantes

orgánicos y catalizadores, y de proceso de calentamiento durante la fase de producción

de los moldes y los machos o durante la extracción de los machos de sus cajas

(desmoldeo).

1 LABEIN, Fundación. Guía Técnica para la Medición, Estimación y Cálculo de las emisiones al Aire, Sector Fundición Férrea. España : IHOBE Sociedad Pública de Gestión Ambiental Gobierno Vasco, 2003. 88 p

55

Cuadro 5. Emisiones Generadas en Arenería

Moldeo de Arena en Verde PST (Partículas Suspendidas Totales)

ARENERÍA Moldeo de Arena y

Machería

PST, Compuestos orgánicos: HAP (Hidrocarburos aromáticos policíclicos), COV’s, Benceno; Compuestos Inorgánicos: SOx, Amoníaco (NH3), HCN, Olores (H2S)


2.3.3 Colada en Moldes, Enfriamiento y Desmolde. Productos de combustión (CO, CO2,

SOx, NOx); Emisiones gaseosas (Benceno, COV’s, HAP) de volatilización y degradación

térmica, compuestos químicos de aglomerantes, vaporización de modelos, PST del

desmoldeo)

Finalmente, se estimaron como puntos representativos aquellos en los cuales por las

condiciones del proceso y las características de los equipos, requieren de un rediseño o

diseño de dispositivos de captura y control de las emisiones de acuerdo con la situación

actual de la empresa: Se presentan en el Anexo C todos los puntos donde se genera emisión de material

particulado, de acuerdo con la actividad que se realiza y el funcionamiento propio de los

equipos de la empresa.

2.4 DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL EXISTENTES

Algunas etapas del proceso cuentan con un sistema de captación y control de las

emisiones, los cuales se describen a continuación con sus características principales, su

distribución y condiciones actuales de funcionamiento.

56

2.4.1 Silos de Arena y Molinos. Para este punto el sistema de captación es por una

campana sobre los silos de arena y conexiones de escape directas (tuberías) que

conducen las emisiones hasta el filtro de mangas, el cual esta precedido por un ventilador.

Figura 3. Captación y Transporte de Emisiones Silos de Arena


Este filtro cuenta con un sistema de limpieza continuo, es decir se realiza sin que cese el

paso de aire; el material retenido llega a una tolva de recolección que conduce el material

a través de un ducto hacia un sistema de almacenamiento (Ver Anexo D). Sus

características principales se muestran en el Cuadro 6.

Cuadro 6. Características Filtro Silos de Arena

MODELO IFM-36V-1500 SERIE 36 V MANGAS TIPO PLANA 500x1500 ÀREA DE FILTRACIÒN 44 m2 CAPACIDAD CFM 5000


Imagen 16. Conducción y Salida de Gases


57

2.4.2 Desmoldeo. El Sistema 1 cuenta con un ducto conectado sobre el túnel de salida

de las piezas ya formadas, como se muestra en la imagen 17. Este ducto tiene una

conexión hacia una caja de acero (sin una función específica), por lo tanto no se genera

algún tratamiento de los gases emitidos.

Imagen 17. Conducto en Desmoldeo Sistema 1


2.4.3 Granalladoras. Las Granalladoras que generan emisiones atmosféricas de material

particulado, cuentan cada una con un filtro de mangas que retiene el material particulado

resultante de la remoción de arena de las piezas, estos pueden observarse en la Imagen

18 y 19

Imagen 18. Filtro Granalladora Tosca Imagen 19. Filtro Granalladora de Túnel


58

El sistema de extracción cumple la función de separar el material que viene adherido a la

granalla (recircula en el proceso), en este momento entra una corriente de aire que

impulsa las partículas mas pesadas que caen por gravedad hacia un ducto donde son

recolectadas, y las partículas mas livianas (PM10) pasan por el conducto hacia los filtros

de mangas. Figura 4 Filtros Granalladoras

Fuente Manual Operación Granalladoras

Las granalladoras tienen una tolva para la recolección de las partículas grandes retenidas

mecánicamente; el sistema de extracción de la Granalladora de Túnel se encuentra a la

salida del filtro de mangas como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Sistema de Control en Granalladoras


GRANALLA (RECIRCULA)

AL FILTRO DE MANGAS Entrada de Aire

59

Las demás fuentes de emisión descritas no cuentan con un sistema de control, por lo

tanto, de acuerdo con el diagnóstico realizado, algunas requerirán del diseño de un

sistema de captura, conducción y tratamiento de las emisiones, principalmente las que

generan un impacto considerable al ambiente y generan un incumplimiento de la

normatividad por las características del proceso y la emisión. De acuerdo con el

diagnóstico realizado en el Cuadro 7 se muestra el estado actual de los puntos de

emisión.

Cuadro 7. Estado Actual de los puntos de Emisión

FUENTE Existe S. de

Captación

Diseñar S. de

Captación

Existe S. de

Control

Diseñar S. de

Control

Recepción y descargue de insumos NO NO NO NO

Preparación de arena verde SI NO SI NO

Silos de arena de retorno SI SI SI NO

Hornos de inducción NO SI NO SI Desmoldeo Sistema 1 SI SI NO SI Desmoldeo Sistema 2 NO NO NO NO Fabricación de Noyos NO NO NO NO Terminado (Granalladoras) SI NO SI NO


60

3. DETERMINACIÓN DE LAS EMISIONES DEL PROCESO

Las emisiones generadas en el proceso de fundición, se estimarán a través de factores de

emisión en los puntos con emisiones representativas de acuerdo con las características

propias del proceso y con la situación propia de la empresa.

Se realizó el balance de masas correspondiente con el fin de determinar el porcentaje de

emisiones generado en los hornos de inducción, una de las fuentes mas importantes que

requiere de la captura y el tratamiento de las emisiones que se generan.

3.1 FACTORES DE EMISIÓN

El cálculo de las emisiones para el diseño de los sistemas de control se realizará con el

método de Factores de Emisión de la EPA (Environmental Protection Agency) de los

Estados Unidos.

Un factor de emisión es una relación entre la cantidad de contaminantes emitidos a la

atmósfera con el nivel de actividad asociado con dicha emisión. El nivel de actividad

puede ser, por ejemplo, una tasa de producción o la cantidad de combustible consumido.

Si se conoce el factor de emisión y el nivel de actividad correspondiente, es posible hacer

una estimación de las emisiones. El uso de factores de emisión es directo cuando la

relación entre la información del proceso y las emisiones es directa y relativamente

simple. Debe mencionarse que el uso de factores de emisión específicos para un

establecimiento es preferible al uso de los factores promedio para todo un sector

industrial. 27

2 MANUALES DEL PROGRAMA DE INVENTARIOS DE EMISIONES DE MÉXICO. Desarrollo Del Inventario De Fuentes Puntuales Volumen IV

61

Una de las principales referencias sobre los factores de emisión para contaminantes

criterio es AP-42, que también contiene factores de emisión para un número limitado de

contaminantes tóxicos orgánicos e inorgánicos (U.S. EPA, 1995a). Una base de datos

electrónica de los factores de emisión puede encontrarse en el Sistema de Recuperación

de Información sobre Factores (Factor Information Retrieval System - FIRE), que contiene

los mismos factores de emisión para contaminantes criterio que el AP-42 (U.S. EPA,

1995b), así como algunos factores de emisión para contaminantes tóxicos para diversos

tipos de fuentes.

Para efectuar el cálculo de emisiones utilizando factores, el algoritmo de estimación se

requiere de varios componentes:

• Información de actividad para el proceso, tal y como se especifique en el factor de

emisión pertinente

• Factores de emisión para traducir la información de actividad en estimados de

emisiones controladas o no controladas

• Valor de la eficiencia de los equipos de captura y control cuando se aplica un factor de

emisiones no controladas (los factores de emisiones “controladas” lo incluyen por

definición).

El algoritmo básico para la estimación de emisiones aplicando un factor de emisiones no

controladas cuando un equipo de control está instalado es:

)100/1( ERAxEFxE −= (1)

Donde,

E = Estimado de emisión para la fuente

A = Nivel de actividad (por ejemplo, material producido)

EF = Factor de Emisiones no controladas

ER = Eficiencia general en la reducción de emisiones totales, expresada en %; que es

igual a la eficiencia del equipo de captura multiplicada por la eficiencia del equipo

de control. Si no hay un equipo de control, ER = 0

62

Se utilizarán los factores de emisión existentes de acuerdo con los contaminantes

generados dentro del proceso, para su obtención se consultaron los factores de la EPA

(Environmental Protection Agency) del IHOBE (Sociedad Pública de Gestión Ambiental

del Gobierno Vasco); en el Cuadro 8 se encuentran los factores de emisión propios del

proceso de fundición, la (X) significa la fuente de la cual se obtuvo el factor, lo cual

demuestra que en algunos casos el factor fue común para ambas fuentes de información,

como se muestra a continuación:

Cuadro 8. Factores de Emisión para PST y PM10

ETAPA DEL PROCESO PST*8 PM10* EPA IHOBESin control 0.5 X X Fusión – Horno de

Inducción Filtro de Mangas 0.1 X X 0.3 0.1 X Manipulación de la carga y chatarra/

calentamiento (Sin Control) 0.18 X Sin Control 1.8 X X Manipulación de Arena **Filtro de Mangas 0.1 X X

2.1 X Colada y enfriamiento Sin Control 1.03 X

1.6 X Desmoldeo Sin control 1.12 X

<8.5 X X Operaciones de Acabado (granallado, esmerilado)

Sin Control 0.69 X X


1.3.3 Cálculo de Emisión por Factores. Preparación de Arena: en la empresa no se

lleva un registro diario de las cantidades que consumen para la preparación de arena en

el molino, por lo consiguiente, este dato se calculó considerando el número de moldes

diarios que se preparan así:

Sistema 1 (Hunter)

Peso aproximado del molde (Kg) 60 No. de moldes por turno 450 Turnos de Trabajo 3 Toneladas de arena diarias 81

* Kg Contaminante / Ton Hierro Fundido ** Kg/ Ton de Arena Manipulada

63

Sistema 2 (Foronda) Peso aproximado del molde (Kg) 300 No. de moldes por turno 90 Turnos de Trabajo 2 Toneladas de arena diarias 54

Moldeo de Piso

Producción Total de Arena Toneladas de arena diarias 140 Toneladas de arena anual 48300

Emisión de Partículas Suspendidas Totales (PST)

Con filtro de Mangas (actualmente)

E = )100/1( ERAxEFx −

E = tonarena

Kg1.0 x )

100%961(48300 −x

añotonarena

E = 193.2 Kg PST /año

Manipulación-Cargue De Chatarra Emisión De Material Partículas Suspendidas Totales (PST)

Sin sistema de control (ER = 1)

EPST = )100/1( ERAxEFx −

E PST = tonFef

Kg3.0 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef

E PST = 4276.8 Kg PST /año

Toneladas de arena diarias 5

E = 0.56 Kg PST/día

E = 12.4 Kg PST/ día

64

Emisión de Material Particulado PM 10


EPM10 = )100/1( ERAxEFx −

E PM10 = tonFef

Kg18.0 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef

E PM10 = Kg PM10 /año

Fusión

Hornos de 2 Toneladas 6600 Ton / año Hornos de 8 Toneladas 7800 Ton /año Producción Total Anual 14400 Toneladas

Emisión de Partículas Suspendidas Totales (PST)


E = )100/1( ERAxEFx −

E = tonFef

Kg5.0 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef

(tonFef= Toneladas de Hierro Fundido ) E = 7128 Kg PST /año

Colada Emisión de Partículas Suspendidas Totales (PST)



E PST = tonFef

Kg1.2 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef

E = 7.51 Kg PM10/día


65

E PST = 30241 Kg PST /año

Emisión De Material Particulado PM 10



E PM10 = tonFef

Kg03.1 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef

E PM10 = 14684 Kg PM10 /año

Desmoldeo Emisión De Partículas Suspendidas Totales (PST)



E PST = tonFef

Kg6.1 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef


Emisión De Material Particulado PM 10



E PM10 = tonFef

Kg12.1 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef

E PM10 = 15966.72 Kg PM10 /año


E = 42.56 Kg PM10/día


E = 46.28 Kg PM10/día

66

Limpieza y Terminado Emisión De Partículas Suspendidas Totales (PST)



E PST = tonFef

Kg5.8 x )100

%11(14400 −xaño

tonFef


En la Tabla 1 se presenta el resumen de los factores de emisión obtenidos en cada etapa

del proceso de fundición.

Tabla 1. Emisión de Partículas en el Proceso de Fundición

EMISIÓN ETAPA Kg PST/día Kg PM10/día

Preparación de Arena 0.56 - Manipulación – Cargue de Chatarra 12.40 7.51 Fusión 20.66 - Colada 87.65 42.56 Desmoldeo 67.45 46.28 Limpieza y Terminado 351.23 -


1.4 BALANCE DE MASAS

Como medida alterna para determinar las emisiones del proceso de fundición, se utilizó el

método de balance de masas, en este caso puede aplicarse únicamente para los hornos

de fusión ya que no se cuenta con información de entradas y salidas de las otras fuentes

de emisión.


67

La información requerida para el balance de masas se obtuvo de los registros diarios de

producción (Hoja de Proceso de fusión y Reporte Diario de Producción) en los cuales se

especifica la cantidad y características del material que se carga en los hornos para la

producción del hierro con las especificaciones de la pieza a producir. Dicha Información

obtuvo de los siguientes formatos:

Hoja de Proceso De Fusión

En este formato se encuentran los parámetros a seguir para realizar el cargue del horno,

los más relevantes son:

- La proporción en porcentajes de cada uno de los materiales a cargar

- La composición Química permisible de cada material: Se controla realizando el

análisis a la entrada de la chatarra y todos los materiales que posteriormente se van a

fundir., los mas relevantes son

- Cantidad de Inoculante requerida en cada cargue del horno y a cada caldero.

Reporte Diario de Producción

En este reporte se encuentran las cantidades diarias de todos los materiales que se

cargaron en el horno, igualmente se genera un consolidado mensual de estos valores.

Como ya se conoce en la empresa hay dos hornos de dos toneladas y dos de ocho

Toneladas. Aparte de la capacidad, estos se diferencian en el tiempo que cada uno tarda

en fundir el hierro. Mientras del Horno de 2 Toneladas se obtienen 3.5 coladas diarias

aproximadamente, del horno de 8 Ton se obtiene una colada, sin embargo de este último

se obtiene hierro constantemente ya que se carga con 2 Ton de material diluyendo el

hierro fundido con el que se va a fundir; por esto el balance se realizó para un cargue de 2

Ton y se tomó como eferencia para los hornos de 8 Toneladas

68

Tabla 2. Cantidad y Composición de las Entradas del Proceso

ENTRADAS CANTIDAD (Kg) COMPOSICIÓN CANTIDAD (Kg)40 % Retorno 795.2 45 % Cold Roll 894.6 10 % Briqueta 198.8 CHATARRA 1988

5 % Hojalata 99.4 67 % Si 1.675 1.5% Ca 0.038 4 % Ba 0.1 8 % Mn 0.2 8 % Zr 0.2 3 % Al 0.075

INOCULANTE 2.5

8.5% ND 0.212 76.32 %Mn 3.816 1.03 %Si 0.051 0.28 %P 0.014 6.84 %C 0.342 0.02 %S 0.001

FERRO-ALEACIONES 5 Kg

15.51 Otros 0.776 Fuente Los Autores 2004

Para determinar la cantidad de escoria se realizó el pesaje durante una semana,

determinando así el porcentaje de escoria generado en el horno y el que se forma al

momento de vaciar el hierro en los calderos.

Tabla 3. Cantidad y Composición de las Salidas del Proceso

SALIDAS CANTIDAD (Kg) COMPOSICIÓN Piezas Fundidas 1942.2 234 Piezas

75.06 % Esc.Horno Escoria 37.3 24.93 % Esc. Cald

Pérdidas en Vaciado 14.4 Kg Hierro Fundido


De esta forma se establece la diferencia en masas por 2 Toneladas de hierro fundido:

Entradas = Kg Retorno + Kg Cold Roll + Kg Briqueta + Kg Hojalata +

Kg Ferroaleaciones + Kg Inoculante

69

Entradas = (795.2 + 894.6 + 198.8 + 99.4 + 2.5 + 5) Kg

Entradas = 1995.5 Kg

Salidas = Kg Piezas fundidas + Kg Escoria + Kg Pérdidas Hierro

Salidas = (1942.2 + 37.3 +14.4) Kg

Salidas = 1993.9 Kg

Las emisiones del proceso resultarán de la diferencia entre las entradas y salidas

calculadas. En este caso se estimarán como PST (Partículas Suspendidas Totales)

Emisiones = (1995.5 – 1993.9) Kg

Emisiones = 1.6 Kg

Este resultado está dado en Kg por cada 2 Toneladas de Hierro Fundido, por lo tanto, la

cantidad de partículas por tonelada es de 0.8 Kg.

En resumen, la composición de entradas y salidas para la producción de

1Tonelada hierro es:

Tabla 4. Resultados de Entradas y Salidas Fusión de Hierro

ENTRADAS** Kg %*9 SALIDAS**10 Kg % Chatarra 994 99.62 Piezas Fundidas 971.1 97.33

Inoculante 1.25 0.13 Escoria 18.65 1.87 Emisiones 0.8 0.08 FeMn 2.5 0.25

Pérdidas Fe 7.2 0.72 TOTAL 997.75 100% TOTAL 996.95 100%

Fuente Los Autores 2004 * Porcentaje en peso para 1000 Kg de Hierro Fundido. * Datos Calculados para una Tonelada de Hierro Fundido

70

1.5 ESTUDIO DE CALIDAD DE AIRE

Para determinar el efecto de las emisiones que se generan en el proceso de fundición, se

indagó con respecto a los estudios previos que se habían realizado en la empresa. Existe

un único reporte de Noviembre del año 2002 en el cual se realizó muestreo isocinético en

una sola fuente de emisión y un estudio de calidad de aire durante 7 días en tres puntos.

Este estudio fue utilizado para comparar aquellos lugares en los que la concentración de

partículas aumenta de acuerdo con los resultados obtenidos con los factores de emisión.

Puntos de Muestreo: El estudio se efectuó en los siguientes puntos de muestreo

Estación No. 1 Portería Estación No. 2 Patio Trasero Estación No. 3 Terminado

Resultados Obtenidos Los niveles de concentración de partículas en suspensión totales,

encontrados en las evaluaciones realizadas en los tres sitios considerados, presentan

promedios geométricos de 95.18 µg/m3 en la estación No. 1, 81.12 µg/m3 estación No. 2 y

91.72 µg/m3 en la estación No. 3.

Las máximas concentraciones encontradas durante el periodo de monitoreo y que pueden

ser comparadas con la norma diaria, fueron de 125.35 µg/m3en la estación No. 1, 96.36

µg/m3 estación No. 2 y 108.12 µg/m3 en la estación No. 3.

Comparando estos resultados con la norma de calidad de aire aplicada para

Fundicom, se encuentra que las estaciones monitoreadas arrojaron valores

aproximados a la situación actual de la empresa de acuerdo con los valores

obtenidos mediante el cálculo de factores de emisión.

71

4. ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES EN EL PROCESO

La evaluación y selección de las alternativas de control de emisiones se hizo de acuerdo

con el diagnóstico realizado en la empresa; se evidenció que existen fuentes críticas, en

las cuales, por ausencia de un dispositivo de captura se están generando emisiones

directas al ambiente sin algún tratamiento previo que están ocasionando un nivel alto de

polución e incumplimiento de la normatividad.

Las fuentes críticas que requieren del control de las emisiones son los hornos de fusión y

el desmoldeo en el Sistema 1(Hunter), ambos procesos de producción continua.

Las emisiones capturadas en los hornos y en el desmoldeo del Sistema 1 se conducirán

hacia un tratamiento preliminar que permita reducir la concentración de las partículas

grandes y posteriormente pasará al sistema escogido para remover partículas pequeñas

mejorando así la calidad del aire que se va a emitir.

En la Figura 6 se representa el sistema de captación y control seleccionado para las

emisiones del proceso de fundición.

Figura 6. Sistema de Captación y Control Seleccionado


72

4.1 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE EMISIONES

Los sistemas de captación tienen cuatro componentes principales:

• Un dispositivo de captación

• Conductos para transportar la emisión capturada

• Un colector para separar el polvo del aire (opcional)

• Un ventilador y un motor para proporcionar la depresión suficiente.411

Es importante diseñar teniendo en cuenta cada componente de todo el sistema de

captación ya que si uno de ellos funciona mal, el rendimiento de todo el sistema

disminuye, para evitar esto deben considerarse los siguientes principios:

- Instalación del dispositivo de aspiración lo mas cerca posible de la fuente emisora,

- Procurar que el sistema de captación envuelva completamente la fuente

generadora de polvo y siempre que se pueda, unir este recinto al dispositivo de

aspiración.

De acuerdo con la situación presentada en la empresa, en algunas de las fuentes en las

que existe captación de emisiones, se requiere de un rediseño ya que no se está logrando

un óptimo rendimiento del sistema de captura y se está generando polución en el

ambiente.

Hay dos categorías generales de dispositivos de captación5: 12

1. Conexiones de Escape Directo CED (Direct Exhaust Connections) y

2. Campanas

4 MUÑOZ, Miguel Aparicio. Guía para la Prevención y Control de Polvo en Canteras y Graveras. Madrid : Entorno Gráfico, 1999. 148p 5 EPA, Sección 2 “Equipo Genérico y Dispositivos. Capítulo 1 Campanas, Ductos y Chimeneas. Pag 1-4

73

Como el nombre lo implica, una CED es una sección de conducto, dentro del cual fluyen

directamente las emisiones. Estas conexiones son utilizadas con frecuencia cuando la

fuente de emisión es en sí misma un conducto o un desfogue.

Las campanas comprenden una categoría mucho más amplia que las CEDs. Son

utilizadas para capturar particulados (se refiere a partículas diminutas separadas), gases

y/o rocíos emitidos desde una variedad de fuentes, tales como los hornos básicos de

oxígeno para fabricación de acero, operaciones de soldadura y tanques de

electrodeposición. Los procesos encampanados son generalmente categorizados ya sea

como “calientes” o “fríos”, una delineación que, a su vez, influye la selección, colocación y

diseño de la campana. Las condiciones de la fuente también influyen en los materiales

con que se fabrica la campana.

Tipos de Campanas. En la Figura 7 se presentan los tipos de campanas existentes:

Figura 7. Sistemas de Captación de Emisiones

Fuente EPA CICA -Centro de Información sobre Calidad del Aire-

CAPTACIÓN DE EMISIONES

Conexión de Escape Directo (CED)

CAMPANAS

Campanas de Captura (Activas o externas)

Campanas Receptoras

Cabinas Envoltura

Totalmente cerradas al ambiente exterior

(Pasivas o de toldo). Una campana

receptora se localiza típicamente arriba o al

lado de una fuente, para recolectar las

emisiones, a las cuales se les da impulso por la

fuente

Con aberturas para entrada y

salida del material

Rodean a la fuente de emisión, excepto

una pared (o porción de ésta), que se omite para

permitir el acceso a operadores y a

equipo.

high-velocity, low-volume (HVLV) hoods

downdraft (de tiro hacia abajo

Sidedraft/backdraft (de tiro lateral/tiro posterior)

slot (de ranura)

74

4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CAPTACIÓN

De acuerdo con las condiciones del proceso, en las emisiones generadas en los hornos,

el Sistema 1 requirió del diseño del sistema de captación, transporte y control de las

emisiones, debido a su significancia ambiental, por las características de los

contaminantes emitidos y las condiciones operacionales del proceso; según se observó

en la Tabla 4 los resultados obtenidos en el cálculo de factores de emisión, indican que la

mayor cantidad de partículas se generan en las etapas de fusión y colada, desmoldeo y

terminado.

Actualmente en el lugar donde se genera la emisión por la fusión y colada del hierro no

existe un sistema de captación y por lo consiguiente de control por lo cual es

indispensable diseñarlos.

El desmoldeo se presenta en los Sistemas 1 y 2; en el Sistema 2 las emisiones son

menores ya que la zaranda tiene una parte cubierta que permite que el área de emisión

sea pequeña y poco significativa, en cambio, en el Sistema 1 actualmente el ducto que

existe no cubre el área de desmoldeo generando alta polución en el ambiente y alterando

la calidad del aire, tal como se muestra en la Imagen 20:

Imagen 20. Desmoldeo Sistema 1


75

El área de terminado es una de las que genera mayor cantidad de partículas 351.23

Kg/día, sin embargo las granalladoras cuentan con su respectivo filtro de mangas por lo

que no requiere de su diseño, sin embargo debe realizarse el mantenimiento periódico y

la revisión en su funcionamiento para evitar el aumento en los niveles de emisión. A

continuación se identifican cada uno de las fuentes de emisión seleccionadas de acuerdo

con sus características; también se encuentran las recomendaciones a seguir en caso de

no requerirse sistema de control:

Recepción y Descargue de Insumos. En este punto la emisión se genera por dispersión

de partículas de arena tal como se explicó en el numeral 4.1 y no requiere de un sistema

captación y de control ya que es material útil para el proceso. Para minimizar las

emisiones generadas por las corrientes de aire se recomienda:

- Controlar que los vehículos de transporte de arena tengan cubierta la carga y se

mantenga durante la descarga del material.

- Construir un almacenamiento para confinar lo mejor posible el material que se va a

mezclar.

- Cubrir la arena en el lugar de almacenamiento con un material plástico para evitar

su dispersión por las corrientes de viento.

Figura 8. Confinamiento de Arena Sílice


76

Molinos de Preparación de Arena Verde. Los molinos de arena cuentan con un

desfogue directo de las partículas que se liberan durante la mezcla. El conducto se

encuentra conectado directamente al molino, por lo tanto se garantiza la captura de las

partículas evitando su dispersión directa al ambiente. La conducción se realiza hasta el

filtro de mangas, el cual, según lo evaluado, es un mecanismo funcional para retener el

material particulado, sin embargo su buen rendimiento está sujeto a la revisión periódica

del funcionamiento de las válvulas y el control del tiempo en los disparos para evitar

colmatación de los filtros.

Silos de Arena de Retorno. Como se explicó en el numeral 4.3 la captación actual en

este punto no es suficiente para la cantidad y difusión de partículas que se genera. Entre

las opciones consideradas de acuerdo con las características de la fuente se encontraban

las campanas de envoltura parcial y campanas receptoras; se seleccionó diseñar una

campana receptora de acuerdo con los siguientes criterios:

Criterios de Selección del Dispositivo de Captura para los Silos de Arena

Se busca que el sistema de captura seleccionado cumpla con los siguientes criterios:

• No obstaculice las actividades de mantenimiento de las bandas de llegada de arena y

el tamiz rotativo, así como el retiro de arena retenida en el tamiz.

• Pueda aprovecharse la conexión de escape directo existente para conducir las

emisiones capturadas en la campana.

• Sirva para optimizar la captura de partículas generadas durante el tamizado de la

arena.

• Permita capturar las partículas que se dispersan y no sirven para ser integradas

nuevamente al proceso.

• No obstaculice la adición de nuevos aditamentos a los silos.

• Evite capturar parte del material que es útil para la preparación de la arena (1.5 - 3 x

10 –3 m)

• Logre capturar las partículas menores a 1.06 x 10 –3 m; las partículas mayores a 3 x

10 –3 m serán retenidas por el tamiz.

77

• Pueda ubicarse lo más lejos de la fuente sobre el punto donde se genera la inducción

de aire.

• Conduzca el material retenido hacia el filtro de mangas existentes para el molino de

arena.

Parámetros de Diseño del Sistema de Captura en los Silos de Arena

Para el diseño de una campana receptora debe calcularse el caudal de aire aspirado,

teniendo en cuenta el perímetro de la fuente, la distancia de la fuente a la campana y

velocidad de captura estimada como se muestra a continuación:

Caudal de Aire Aspirado: Este se determina según el tipo de campana que se va a utilizar,

para campanas receptoras el caudal de aire aspirado es:

Q = 1,4. P.X.Uc ∗ (5)

Donde:

P = Perímetro de la fuente: La forma de la campana depende de las características de

la fuente, en este caso se busca reducir la emisión de las partículas pequeñas generadas

en la caída de arena al tamiz rotativo. Sus dimensiones son: 2.3 m Largo x 1m ancho

X = Distancia de la campana a la fuente: Para no obstaculizar actividades de

mantenimiento y buscando aproximarse lo mayor posible a la fuente, se seleccionó una

distancia de 0.8 m

Uc = La velocidad de captura se seleccionó de acuerdo con los criterios encontrados en

rango está entre 1 – 2.5 m/s (Ver Anexo F, Velocidades de Captura según características

de la Emisión). Se tuvo en cuenta las condiciones de la fuente, la baja toxicidad de la

arena y la ausencia de corrientes de aire para seleccionar el valor mínimo que es de 1

m/s.

∗ Ecuaciones de Diseño para Tipos de Campanas Seleccionadas

78

Pérdidas: Para campana con ángulo de 45º y de forma rectangular, las pérdidas de

acuerdo con el coeficiente de estrada son de 0.93 PV.

En el Cuadro 9 se muestran los valores tenidos en cuenta para el diseño de la campana

receptora que se ubicará sobre el tamiz de los silos de arena.

Cuadro 9. Sistema de Captación Silos de Arena

Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4 P.X.Uc Perímetro de la fuente P 6.6 m

Velocidad de captura de la campana Uc 1 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 0.8 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 7.392 m3/s


Hornos De Inducción. Este es uno de los procesos mas importantes del proceso ya que

actualmente no cuenta con algún sistema de control y se están generando emisiones

directas al ambiente.

Es usual encontrar recomendaciones acerca de capturar las emisiones de hornos

eléctricos de fundición de metales a través de campanas de envoltura total, sin embargo,

su selección depende en gran parte de las condiciones propias de cada empresa y la

facilidad para su instalación.

Criterios de Selección del Dispositivo de Captura para los Hornos

Para los hornos, se opta diseñar una campana receptora circular de acuerdo con los

siguientes criterios:

• El sistema de captura no debe obstaculizar la operación de cargue del horno ya que

se realiza conduciendo con un polipasto desde la parte superior, las canecas que

contienen el material a fundir.

• Se requiere que el área alrededor del horno se encuentre despejada debido a que su

sistema de vaciado es basculante; además para facilitar la adición de los inoculantes y

la operación del equipo con lo controles correspondientes.

79

• No se deben obstaculizar las actividades de mantenimiento, ya que durante éstas los

hornos permanecen inclinados un ángulo de 90° y se levantan las compuertas de la

plataforma donde se encuentra instalado.

• Debe procurarse aprovechar la tendencia de las emisiones a ascender por las mismas

condiciones de temperatura de la fuente.

Parámetros de Diseño Sistema de Captura en Hornos de 8 Toneladas

En el cuadro 10 se presentan los parámetros considerados para el diseño del sistema de

captura seleccionado:

Cuadro 10. Sistema de Captación Hornos 8 Toneladas

Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4. P.X.Uc Perímetro de la fuente * P 1.6 m

Velocidad de captura de la campana Uc 1.02 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 3 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 6.854 m3/s



la Tabla 2 del Anexo F rango entre 1.02 – 2.54 m/s. Fue escogido el valor menor debido a

que la fuente es de operación continua y se originan emisiones turbulentas durante la

carga del material.

Pérdidas: Para campana con ángulo de 45º y de forma circular, el factor por perdidas a la

entrada es de 0.97 PV in.

Parámetros de Diseño Sistema de Captura en Hornos de 2 Toneladas

Los parámetros de diseño para la campana receptora seleccionada para los hornos de 2

Toneladas en encuentran en el cuadro 11.

80

Cuadro 11. Sistema de Captación Hornos 2 Toneladas

Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4. P.X.Uc Perímetro de la fuente a P 1.2 m

Velocidad de captura de la campana Uc 1.02 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 3 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 5.141 m3/s


Pérdidas: Para campana con ángulo de 45º y de forma circular, el factor por perdidas a la

entrada es de 0.97 PV in.

Las campanas de los hornos deberán tener una leve inclinación de 30º sobre la horizontal,

con el fin de no obstaculizar el paso del polipasto y capturar directamente las emisiones

de fusión y colada.

Desmoldeo. Este es el único sistema de moldeo seleccionado para diseñar el dispositivo

de captura y conducción de las emisiones con el fin de optimizar y aprovechar los

conductos existentes.

En el sistema 2 la zaranda de desmoldeo está cubierta en un 45% contribuyendo a mitigar

la emisión en la caída de las piezas, momento en el cual se puede llegar a generar mayor

dispersión de partículas.

Criterios de Selección del Dispositivo de Captura para Desmoldeo del Sistema 1

Para el Sistema 1 se seleccionó una campana receptora, única opción viable según los

criterios mostrados a continuación.

• La fuente se encuentra en movimiento por la vibración de la zaranda para el desmolde

de las piezas, por lo que el sistema seleccionado no puede adaptarse directamente a

la fuente.

81

• Las partículas tienden a ascender por efecto de la temperatura de las piezas que

fueron vaciadas en los moldes.

• El sistema actual de captación no es suficiente para el área donde se genera la

emisión

• No debe capturarse material útil para el proceso como lo es la arena de los moldes

que sirve como retorno para una nueva mezcla.

Parámetros de Diseño para Desmoldeo del Sistema 1

Como en los casos anteriores debe calcularse inicialmente de mediciones realizadas por

el isocinético.

Caudal de Aire Aspirado Q = 1,4. P.X.Uc

Donde:

P = Perímetro de la fuente; se obtuvo según las dimensiones de la zaranda (6.7 m)

X = Distancia de la campana a la fuente: Para no obstaculizar actividades de

mantenimiento y buscando aproximarse lo mayor posible a la fuente, se seleccionó una

distancia de 0.8 m


rango está entre 1.02 – 2.54 m/s (Ver Anexo F Tabla 2 Velocidades de Diseño de las

Campanas).

Pérdidas: para campanas con ángulo de 45º y de forma rectangular, las pérdidas de

acuerdo con el coeficiente de estrada son de 0.93 PV .

En el cuadro 12 se encuentran los datos requeridos para el cálculo del dispositivo de

captura:

82

Cuadro 12. Sistema de Captación Desmoldeo Sistema 1

Caudal de Aire Aspirado para Campanas Receptoras Q 1,4. P.X.Uc Perímetro de la fuente a P 7.7 m

Velocidad de captura de la campana Uc 1.02 m/s Distancia desde la campana a la fuente X 0.8 m Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Q 8.624. m3/s


4.3 DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCIÓN

El sistema de conducción diseñado partirá de la captación en los hornos y en la zaranda

del Sistema 1, conducirá las emisiones al sistema preliminar y posteriormente al sistema

de control final.

Existen cuatro puntos de captación inicial en línea sobre los hornos conectados todos a

un sistema de captación central que se une con el conducto del área de desmoldeo del

Sistema 1, estos llegan al sistema de tratamiento preliminar.

En el diseño de los conductos debe tenerse en cuenta una velocidad de trasporte mínima

para prevenir la sedimentación y la posterior obstrucción de las tuberías. En la Tabla del

Anexo F, podemos ver las velocidades mínimas recomendadas para los conductos según

las características de la emisión.

Las emisiones del proceso en su mayoría se generan por preparación de los moldes o

desmolde de las piezas, para los cuales como fue mencionado en el numeral 1.2.3

requiere de Arena Sílice para su preparación. Por otra parte existe otro valor de

referencia para Polvos Industriales que es de 17.78 m/s (EPA-CICA Centro de

Información de Calidad del Aire). El Material seleccionado para resistir las condiciones de

abrasividad y concentración de las emisiones es Acero Inoxidable, el tipo de sistema

seleccionado es de clase IV al cual le corresponde un espesor de 2 mm según las

longitudes de los ductos. (Ver Anexo F Sistemas de Conducción)

83

Los conductos serán de forma Circular ya que se genera menores pérdidas en la presión

de los gases y menos áreas muertas dentro del ducto.

Para el diseño del ducto se tomo como referencia el método de presión dinámica o de

presión de velocidad; se calcularon las pérdidas por accesorios y por longitud de la

tubería, se realizaron las correcciones de caudal requeridas para mantener las estabilidad

en el sistema y garantizar la velocidad mínima de transporte dentro del ducto.

En los cuadros 13, 14 y 15 el cálculo de las pérdidas en los sistemas de captación y

conducción seleccionados para los puntos representativos de emisiones. En el esquema

del anexo G se encuentran numerados los ductos para cada tramo del sistema.

TRAMO 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-91 Caudal m3/s 6,854 6,854 6,854 13,709 5,141 18,850 5,141 23,990 23,990

2 Velocidad minina de transporte m/s 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000 22,000

3 Área teórica del ducto m2 0,312 0,312 0,312 0,623 0,234 0,857 0,234 1,090 1,0905 Diámetro de diseño m 0,630 0,630 0,630 0,891 0,545 1,044 0,545 1,178 1,1786 Diametro de real diseño 0,630 0,630 0,630 0,900 0,550 1,000 0,550 1,180 1,1807 Área diseño del ducto m2 0,312 0,312 0,312 0,636 0,238 0,785 0,238 1,094 1,094

Presión de velocidad en el ducto (PV) ft/min 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169 1,169

Presión de velocidad en el ducto (PV) mmcda 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047 0,047

9 Factor de Pérdida a la Entrada del ducto 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970 0,970

10 Factor de aceleración 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000

11 Pérdida a la entrada del ducto (PV) 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970 1,970

12 Pérdida de la entrada del ducto mmcda 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093 0,093

13 Otras Pérdidas 0,000 0,000 0,000 0,000 0,090 0,090 0,090 0,090 0,090

14 Presión Estática en la campana mmcda 0,093 0,093 0,093 0,093 0,183 0,183 0,183 0,183 0,183

Longitud del Tramo Recto (m) 5,500 6,000 5,500 14,000 5,500 3,300 5,500 25,500 19,000Q en ft3/min 14523,651 14523,651 14523,651 29047,302 10892,738 39940,041 10892,738 50832,779 50832,779V en ft/min 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709 4330,709Factor de perdida Hf pulg H2O* 100pies 0,009 0,009 0,009 0,006 0,011 0,005 0,011 0,004 0,004

Factor de perdida Hf en mmcda * 30m 0,008 0,008 0,008 0,005 0,009 0,004 0,009 0,004 0,004

17 Pérdidas por fricción en el ducto en PV 0,042 0,046 0,042 0,070 0,050 0,014 0,050 0,090 0,067

Pérdidas por Codos 90º 0,000 8,382 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 8,382Pérdidas por Codos 45º 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000Pérdidas por Codos 30º 2,794 0,000 2,794 0,000 2,794 0,000 2,794 0,000 0,000

19 Número de Entradas 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 2,000 0,000 3,000 0,000

20 Perdida a la entrada en el ramal PV 0,000 0,000 0,000 0,060 0,000 0,120 0,000 0,180 0,000

21 Factor de Pérdida por accesorios especiales 0,000 0,000 0,000 15,000 0,000 0,000 27,000 0,000 0,000

22 Pérdida en el ducto en PV 2,836 8,428 2,836 15,130 2,844 0,134 29,844 0,270 8,44923 Pérdida en el ducto en mmcda 0,134 0,397 0,134 0,713 0,134 0,006 1,407 0,013 0,398

24 Pérdida de presión estática en el Tramo 0,227 0,490 0,227 0,806 0,317 0,189 1,590 0,196 0,581

25 Presión Estática que Gobierna 0,134 0,397 0,134 0,713 0,183 0,183 1,407 0,183 0,39826 Presión Estática Acumulada 0,134 0,531 0,665 1,378 1,561 2,939 4,346 4,529 4,928

Cuadro 13. Diseño de Conductos para Hornos de Fusión

TRAMO

CAMPANA

DUCTO

8

15

16

18

Cuadro 14. Diseño de Conductos para Desmoldeo Sistema 1TRAMO 1-1 1-2

1 Caudal m3/s 8,624 8,6242 Velocidad minina de transporte m/s 22,000 22,0003 Área teórica del ducto m2 0,392 0,3925 Diámetro de diseño m 0,706 0,7066 Diametro de real diseño 0,700 0,7007 Área diseño del ducto m2 0,385 0,385

Presión de velocidad en el ducto (PV) ft/min 1,175 1,175Presión de velocidad en el ducto (PV) mmcda 0,047 0,047

9 Factor de Pérdida a la Entrada del ducto 0,930 0,93010 Factor de aceleración 1,000 1,00011 Pérdida a la entrada del ducto (PV) 1,930 1,93012 Pérdida de la entrada del ducto mmcda 0,091 0,09113 Otras Pérdidas 0,000 0,00014 Presión Estática en la campana mmcda 0,091 0,091

Longitud del Tramo Recto (m) 8,000 6,800Q en ft3/min 18273,221 18273,221V en ft/min 4330,709 4330,709Factor de perdida Hf pulg H2O* 100pies 0,008 0,008Factor de perdida Hf en mmcda * 30m 0,007 0,007

17 Pérdidas por fricción en el ducto en PV 0,053 0,045Pérdidas por Codos 90º 0,000 8,382Pérdidas por Codos 45º 0,000 0,000Pérdidas por Codos 30º 0,000 0,000

19 Número de Entradas 0,000 0,00020 Perdida a la entrada en el ramal PV 0,000 0,00021 Factor de Pérdida por accesorios especiales 0,000 0,00022 Pérdida en el ducto en PV 0,053 8,42723 Pérdida en el ducto en mmcda 0,003 0,39924 Pérdida de presión estática en el Tramo 0,094 0,49125 Presión Estática que Gobierna 0,091 0,39926 Presión Estática Acumulada 0,091 0,491

Fuente Los Autores

DUCTO

CAMPANA

TRAMO

15

16

18

8

Cuadro 15. Diseño de Conductos para Silos de ArenaTRAMO 1-1

1 Caudal m3/s 7,3922 Velocidad minina de transporte m/s 17,7803 Área teórica del ducto m2 0,4165 Diámetro de diseño m 0,7286 Diametro de real diseño 0,7007 Área diseño del ducto m2 0,3858 Presión de velocidad en el ducto (PV) ft/min 0,768

Presión de velocidad en el ducto (PV) mmcda 0,0319 Factor de Pérdida a la Entrada del ducto 0,93010 Factor de aceleración 1,00011 Pérdida a la entrada del ducto (PV) 1,93012 Pérdida de la entrada del ducto mmcda 0,06013 Otras Pérdidas 0,00014 Presión Estática en la campana mmcda 0,06015 Longitud del Tramo Recto (m) 5,500

Q en ft3/min 15662,761V en ft/min 3500,000

16 Factor de perdida Hf pulg H2O* 100pies 0,008Factor de perdida Hf en mmcda * 30m 0,006

17 Pérdidas por fricción en el ducto en PV 0,03618 Pérdidas por Codos 90º 0,000

Pérdidas por Codos 45º 0,000Pérdidas por Codos 30º 9,900

19 Número de Entradas 0,00020 Perdida a la entrada en el ramal PV 0,00021 Factor de Pérdida por accesorios especiales 0,00022 Pérdida en el ducto en PV 9,93623 Pérdida en el ducto en mmcda 0,30824 Pérdida de presión estática en el Tramo 0,36725 Presión Estática que Gobierna 0,30826 Presión Estática Acumulada 0,308

Fuente Los Autores

DUCTO

CAMPANA

TRAMO

88

En el Anexo G se presentan en los esquemas de diseño de los sistemas de captación y

conducción seleccionados.

4.4 SISTEMAS DE CONTROL DE EMISIONES

En la actualidad existe una gran variedad de dispositivos para el control de emisiones

atmosféricas, los cuales a criterio del Ingeniero, pueden utilizarse como un sistema único

de tratamiento o como un sistema compuesto en el que se realice un control previo de los

gases seguido por un control primario.

Entre las ventajas de realizar un tratamiento previo al sistema de control primario son:

- Permite reducir las partículas grandes

- Mejora el rendimiento y eficiencia del dispositivo de control primario seleccionado

- Minimiza los costos de operación de ambos dispositivos

- Contribuye a remover la concentración de los gases para dar cumplimiento a las

normas ambientales.

Generalmente los dispositivos para el tratamiento previo de los gases son recolectores de

tipo mecánico cuyo funcionamiento depende de la gravedad y la inercia del flujo de gas

que les permite realizar una óptima recolección de partículas grandes.

A nivel general las ventajas de estos sistemas de control se reflejan en los bajos costos

de capital y los requisitos bajos de mantenimiento debido a la ausencia de partes móviles

Las principales desventajas, en caso de ser utilizados como sistemas de tratamiento

primario, son las bajas eficiencias de recolección para las partículas pequeñas ya que en

casos en los que se logra alcanzar altas eficiencias de recolección, generan altos costos

de operación debido a las grandes caídas de presión.

89

Los principales dispositivos para el tratamiento de previo de un efluente gaseoso son:

Cámaras de Sedimentación, Purificadores, Separadores Inerciales y Separadores con

Ayuda Mecánica

Cámaras de Sedimentación. Estos dispositivos son cámaras largas instaladas en los

conductos de aire, que dependen únicamente de la sedimentación gravitacional como

mecanismo de recolección. Su funcionamiento consiste en dirigir el flujo de aire

contaminado que viene de los conductos hacia una cámara, en la cual, por existir un

aumento en el área, se generará una disminución en la velocidad del aire, generando que

las partículas más pesadas que se encuentran en suspensión se depositen hasta el

fondo.

Equipos como éste tienen cierta aplicación en industrias donde se generan gases secos,

como pueden ser los procesos metalúrgicos y de fundición. 613Son los recolectores de tipo

mecánico mas sencillos de diseñar, requieren poco mantenimiento y su rendimiento es

función únicamente de la superficie e independiente de su altura.

Previenen la abrasión y la carga de partículas en los dispositivos primarios al remover a

las partículas grandes del flujo de gas; también suelen ser útiles para las industrias que

necesitan enfriar la corriente de gas previo al tratamiento en un filtro de tela.

Existen dos tipos principales de cámaras de sedimentación: la cámara de expansión y la

cámara de placas múltiples.

En las cámaras de expansión, la velocidad de la corriente de gas es reducida

significativamente a medida que el gas se expande hacia el interior de una gran cámara.

Al reducirse la velocidad, las partículas grandes se asientan separándose de la corriente

de gas.

En la Figura 9 se muestra una cámara sencilla con tolvas para recolección de las

partículas sedimentadas.

6 NOEL DE NEVERS. Ingeniería de Control de la Contaminación del Aire. México Mc Graw-Hill 1997. 546p.

90

Figura 9. Cámara de Expansión


El rendimiento de estos sistemas puede aumentarse disminuyendo la velocidad del fluido

ayudando a que sedimenten la mayoría de partículas incluyendo las de mayor tamaño, o

instalando en la entrada del sedimentador orificios de admisión progresiva.

Las cámaras de sedimentación con placas múltiples, son cámaras de expansión, con un

número de placas delgadas colocadas a corta distancia entre sí dentro de la cámara, las

cuales impulsan al gas a fluir horizontalmente en medio de ellas (Ver Figura 10). A medida

que la velocidad del gas se incrementa ligeramente en una cámara con placas múltiples,

la eficiencia de recolección generalmente mejora debido a que las partículas tienen que

recorrer una distancia menor de caída antes de ser recolectadas. Las cámaras de

expansión deben ser muy grandes para recolectar cualquier partícula pequeña, pero las

cámaras con placas múltiples tienen menores requisitos de volumen para la recolección

de partículas pequeñas.

Figura 9. Cámara de Placas Múltiples


91

Purificadores. Estos sistemas dependen también de la sedimentación gravitacional para

recolectar partículas. Está compuestos de uno o más tubos verticales o torres en series,

por donde la corriente de gas asciende a través de los tubos. Las partículas mayores cuya

velocidad de sedimentación terminal es mayor que la velocidad ascendente del gas, son

recolectadas en el fondo del tubo, mientras que las partículas menores son impulsadas

hacia afuera por la parte superior del tubo. Ser puede lograr clasificar por tamaño las

partículas recolectadas utilizando una serie de tubos con diámetros en aumento.

Figura 11. Purificador


Separadores Inerciales. Se conocen también como separadores por momento, estos

dispositivos utilizan la gravedad y la inercia para separar las partículas de la corriente de

gas. El principio de funcionamiento de estos equipos se basa en la disminución de la

velocidad de las partículas cuando se somete el flujo de aire a cambios bruscos de

dirección. Dichos cambios generalmente se realizan mediante rejillas o pantallas fijas, al

existir un obstáculo, se produce un choque contra la pared generando la sedimentación

de las partículas, después el gas es forzado por los deflectores para fluir hacia arriba

repentinamente.

Los separadores por momento son capaces de recolectar partículas tan pequeñas como

de 10 micras a baja eficiencia (10-20 por ciento). Estos dispositivos requieren menos

espacio que los asentadores por gravedad, pero poseen caídas de presión más altas.

92

Figura 12. Separador Inercial


Separadores con Ayuda Mecánica. Los separadores con ayuda mecánica dependen de

la inercia como el mecanismo de separación. La corriente de gas se acelera

mecánicamente; pueden recolectar partículas más pequeñas que los separadores

inerciales. Sin embargo, tienen costos de operación más altos como resultado de caídas

de presión más altas. Un tipo común de recolector con ayuda mecánica es el ventilador

con aspas radiales modificadas, en este sistema, la corriente de gas entra al centro del

ventilador, perpendicular a la rotación de las aspas. Éstas impulsan a las partículas a

través de las líneas del flujo del gas, donde son concentradas sobre la superficie interior

del contenedor. De ahí, las partículas son desviadas hacia una tolva de recolección

mientras el gas continúa hacia afuera del separador. Los separadores con ayuda

mecánica están sujetos al desgaste abrasivo por las partículas grandes y a la obstrucción

por ls partículas que se incrustan o acumulan sobre las aspas. En consecuencia, estos

dispositivos tienen mayores requisitos de mantenimiento que otros separadores.

Ciclones. El principio de funcionamiento de estos sistemas consiste en utilizar la inercia

para remover partículas de una corriente de gas giratoria. En el ciclón convencional, los

gases contaminados entran en una cámara cilíndrica a la cual se le ha adaptado una

sección inferior cónica. Los gases giran hacia abajo y en el fondo del cono, donde se ha

fijado como accesorio una tolva, invierten su dirección mientras permanecen girando y al

final salen a través de un conducto colocado al centro del ciclón.

93

Las partículas de polvo que han girado hacia abajo y hacia fuera debido al movimiento de

la capa exterior de gases, terminan por depositarse en la tolva de abajo. Respecto a la

limpieza industrial del gas, los ciclones son más útiles para partículas que miden más de

10 µm de diámetro; por debajo de este diámetro la eficiencia para un rendimiento

razonable decae considerablemente

También pueden clasificarse como de alta eficiencia o de alto rendimiento. Los ciclones

de alta eficiencia tienen más probabilidad de experimentar caídas de presión más altas;

los ciclones de alto rendimiento pueden tratar grandes volúmenes de gas con caídas de

presión bajas. 714

Figura 13. Ciclón Fuente Proyectos de Investigación Diquima

De acuerdo a su disposición geométrica se distinguen los siguientes tipos de separadores

ciclónicos:

Entrada tangencial y descarga axial: Representan el ciclón tradicional y, aunque se

pueden construir con diámetros más grandes, lo más frecuente es que éstos se

encuentren entre los 600 y los 915 mm.

Entrada tangencial y descarga periférica: El gas sufre un retroceso en el interior del

equipo al igual que ocurre en un ciclón convencional. Sin embargo, presenta el

7 WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. North Carolina : EPA, 1998. 5.1 –14p

94

inconveniente de que el polvo no es eliminado en su totalidad de la corriente gaseosa,

aunque sí se produce una concentración del mismo

Entrada y descarga axiales: La diferencia fundamental se encuentra en que los

diámetros son de menores dimensiones (entre 25 y 305 mm), con lo que gracias a esta

característica su eficiencia es mayor aunque su capacidad es menor.

Entrada axial y descarga periférica: proporcionan un flujo directo que es muy

adecuado para conectarlos a fuentes de gran volumen, donde los cambios en la dirección

del gas podrían ser un inconveniente.

Eficiencia. Cada uno de los sistemas mencionados anteriormente posee un amplio rango

de eficiencias de recolección. Se generan menores eficiencias de recolección en los

sistemas que dependen únicamente de la recolección por gravedad, siendo lo ciclones los

mas eficientes.

Cuadro 16. Eficiencia de Dispositivos Preliminares para Control de Partículas

DISPOSITIVO EFICIENCIA Cámaras de Sedimentación

Son más efectivas para partículas grandes y/o densas. La eficiencia de recolección para la PM10 es muy baja, típicamente menor del diez por ciento (10%). La eficiencia aumenta con el tiempo de residencia del gas en la cámara, por esta razón son operadas con frecuencia a las menores velocidades de gas posibles.

Separadores Inerciales

Alcanza eficiencias cercanas al 20 por ciento para MP10. La eficiencia de recolección aumenta a medida que la velocidad del gas aumente. (Aumentando también la caída de presión y los costos de operación)

Separadores con Ayuda Mecánica

Son capaces de alcanzar eficiencias de recolección cercanas al 30 por ciento para la MP10. Por lo general producen más fuerza centrífuga que los ciclones, pero poseen tiempos de residencia más cortos y un menor reencarrilamiento como resultado de la turbulencia. Una ventaja principal es su tamaño compacto.

Ciclones

Existen muchos factores que afectan la eficiencia de recolección de los ciclones. Por lo general aumenta con: el tamaño y/o densidad, la velocidad en el ducto de entrada, la longitud del cuerpo del ciclón el número de revoluciones del gas en el ciclón, la relación del diámetro del cuerpo del ciclón al diámetro de la salida del gas, la carga de polvo y la uniformidad de la pared interior del ciclón. Y disminuye con aumentos en: la viscosidad del gas, el diámetro del cuerpo del ciclón, el diámetro de la salida del gas, la superficie del ducto de entrada del gas y la densidad del gas, también por las fugas de aire hacia la salida del polvo.

Fuente WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de

Fuentes Estacionarias. Estados Unidos : EPA, Octubre 1998.

95

Para realizar el tratamiento primario de los gases existen dispositivos con mayor

tecnología que logran la retención de partículas mas pequeñas, entre los principales y

mas comunes sistemas de tratamiento primario para material particulado se encuentran

los Filtros de Mangas, los Precipitadotes Electrostáticos y las Torres de Limpieza

Húmeda.

Filtro De Mangas. Los filtros de mangas son considerados como los equipos más

representativos de la separación sólido-gas mediante un medio poroso, debido a su

eficiencia relativamente alta y versatilidad. Su función consiste en recoger las partículas

sólidas que arrastra una corriente gaseosa haciendo pasar dicha corriente a través de un

material filtrante, generalmente telas tejidas o afelpadas y que pueden estar en forma de

hojas, cartuchos o bolsas.

El tamaño de las partículas que pueden llegar a retener los filtros de mangas está entre 2

y 30 µm. Sin embargo, no es usual disponer de medios filtrantes con poros tan pequeños

como para retener las partículas que transporta el gas, por tanto, la filtración no comienza

a efectuarse de manera efectiva hasta que no se han acumulado una cierta cantidad de

partículas sobre la superficie de la bolsa en forma de torta filtrante.

Estos sistemas constan de una serie de bolsas con forma de mangas, colocadas en unos

soportes para darles consistencia y encerrados en una estructura de acero.

Contienen además una serie de paneles para redireccionar el aire, dispositivos para la

limpieza de las mangas y una tolva para recoger las partículas captadas.

Las concentraciones típicas de entrada a los filtros de mangas son de1 a 23 gramos por

metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3), pero en casos extremos, las

condiciones de entrada pueden variar entre 0.1 a más de 230 g/m3 (de 0.05 a más de 100

gr/ft3)

En general, los filtros de mangas proporcionan altas eficiencias de filtración tanto para

Material Particulado grueso como de tamaño fino (sub-micras). Un filtro de tela bien

diseñado, mantenido y operado correctamente, debe recolectar por encima del 99% de

las partículas desde sub-micras a cientos de sub-micras. Son relativamente insensibles a

96

las fluctuaciones en las condiciones de la corriente de gas. El aire de salida del filtro es

bastante limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la

conservación de energía).

El uso de ayudas selectas de filtración fibrosas o granuladas (preimpregnadas), permite la

recolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y humos de tamaños menores

de una micra.

Para temperaturas muy por encima de los 290º C (550 º F) se requiere el uso de telas

metálicas o de mineral refractario especial, las cuales pueden ser costosas. Para ciertos

tipos de polvo se pueden requerir telas tratadas para reducir la percolación de los polvos

o, en otros casos, para facilitar la remoción de los polvos recolectados. Las telas pueden

arder si se recolecta polvo rápidamente oxidable. Los filtros de tela tienen requerimientos

altos de mantenimiento (por ejemplo, reemplazo periódico de las bolsas). La vida de la

tela puede ser acortada a temperaturas elevadas y en presencia de constituyentes

gaseosos o particulados ácidos o alcalinos. No pueden ser operados en ambientes

húmedos; los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los materiales

adhesivos espesos pueden causar costras o tapar la tela o requerir aditivos especiales.

Figura 14. Filtro de Mangas

Fuente WOODARD, Kenneth. Técnicas de

Control de Materia Particulada

97

Entre las ventajas principales de estos sistemas se encuentran las altas eficiencias de

recolección, flexibilidad para tratar muchos tipos de polvos y un amplio rango de flujos

volumétricos de gas, también pueden ser operados con caídas de presión bajas. Por otras

parte, son limitados para filtrar corrientes secas, las temperaturas altas y ciertas

sustancias químicas pueden dañar la tela de los filtros y además pueden requerir una

gran superficie para su instalación.

Se clasifican con frecuencia según su método de limpieza. Los tres mecanismos

principales de limpieza de los filtros de tela son; por agitación mecánica, aire invertido y

pulse jet.

Precipitador Electrostatico (Pes). Es un dispositivo de control de partículas que utiliza

fuerzas eléctricas para mover las partículas fuera de la corriente de gas y sobre las placas

del colector. A las partículas se les da una carga eléctrica forzándolas a que pasen a

través de una corona, una región en la cual fluyen iones gaseosos. El campo eléctrico que

fuerza a las partículas cargadas hacia las paredes, proviene de electrodos que se

mantienen a un alto voltaje en el centro de la línea de flujo. Una vez que las partículas son

recolectadas sobre las placas, deben ser removidas de las placas sin que se re-encaucen

en la corriente de gas. Esto se logra usualmente desprendiéndolas de las placas,

permitiendo que la capa de partículas recolectada se deslice hacia una tolva desde la cual

son evacuadas. Algunos precipitadores remueven las partículas con lavados con agua

intermitente o continua.

El PES es básicamente una máquina eléctrica. Las principales acciones son cargar

eléctricamente las partículas y forzarlas hacia las placas recolectoras. La cantidad de

materia particulada cargada afecta al punto de operación eléctrico del PES. El transporte

de las partículas se afecta por el nivel de turbulencia en el gas. Las pérdidas, el

escabullimiento y el reencauzamiento por el golpeteo, son las principales influencias en el

comportamiento total del sistema. Las propiedades de partícula también causan un efecto

importante en la operación de la unidad.

El punto de operación eléctrico de una sección de PES es el valor del voltaje y la corriente

al cual opera la sección. Tal y como podría ser, la mejor recolección ocurre cuando está

98

presente el mayor campo eléctrico, lo cual corresponde aproximadamente con el voltaje

más alto en los electrodos.

Los PE pueden controlan Materia Particulada (PM), que incluye materia particulada menor

o igual a 10 micras (µm) de diámetro aerodinámico (PM10), materia particulada menor o

igual a 2,5 micras de diámetro aerodinámico (PM2,5), y contaminantes peligrosos del aire

(CPA), en forma particulada, tales como la mayoría de los metales (el mercurio es la

excepción notable, ya que una porción importante de las emisiones se hallan en forma de

vapor elemental). Los PEH (Precipitadores Electrostáticos Húmedos) se utilizan

frecuentemente para controlar neblinas de ácido y pueden proporcionar un control

incidental para los compuestos orgánicos volátiles.

Las eficiencias típicas de equipos nuevos varían entre 99 y 99.9%. Los equipos existentes

más antiguos tienen un rango de eficiencia de operación de 90 a 99.9%. Aunque son

varios los factores que determinan la eficiencia de recolección de los precipitadores

electrostáticos, el tamaño es el más importante. El tamaño determina el tiempo de

tratamiento; entre más tiempo permanezca una partícula en el PES, es más probable que

ésta sea atrapada. Al maximizar la fuerza del campo eléctrico, se maximiza la eficiencia

de recolección del equipo.

La eficiencia de recolección también se ve afectada en cierto grado por la resistividad del

polvo, la temperatura del gas, la composición química (del polvo y del gas) y por la

distribución del tamaño de las partículas.

La resistividad del polvo no es un factor para los PEH, debido a la alta humedad de la

atmósfera que reduce la resistividad de la mayoría de los materiales. El tamaño de las

partículas es un factor de menor importancia para los PEH que para los PES. Se pueden

recolectar eficientemente partículas mucho más pequeñas con los PEH debido a que la

resistividad no importa, así como a la reducción en la pérdida por el reencauzamiento de

las partículas ya atrapadas.

En general, las partículas más difíciles de recolectar son aquéllas con diámetros

aerodinámicos entre 0,1 y 1,0 mm. Las partículas entre 0,2 y 0,4 µ m por lo general

99

presentan la mayor penetración. Esto es probablemente el resultado de la región de

transición entre las cargas de campo y de difusión.

Torres De Limpieza Húmedas Para Material Particulado. Una torre de limpieza

húmeda es un dispositivo de control de la contaminación del aire que remueve MP y

gases ácidos de las corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Los contaminantes

son removidos principalmente a través del impacto, difusión, intercepción y/o absorción

del contaminante sobre pequeñas gotas de líquido. El líquido conteniendo al

contaminante, es a su vez recolectado para su disposición. Hay numerosos tipos de torres

de limpieza húmedas las cuales remueven tanto el gas ácido como la MP.

Las eficiencias de recolección de las torres de limpieza húmedas varían con la distribución

del tamaño de partícula de la corriente del gas residual. En general, la eficiencia de

control disminuye a medida que el tamaño de la MP disminuye. Las eficiencias de

recolección también varían con el tipo de torre de limpieza utilizada. Las eficiencias de

control varían desde más del 99% en torres de limpieza por venturi hasta 40-60% (o

menores) en torres de aspersión sencillas.

Los sistemas de torres de limpieza húmedas tienen ciertas ventajas sobre los

precipitadores electrostáticos (PESs) y las casas de bolsas. Las torres de limpieza

húmedas son mas pequeñas y compactas que las casas de bolsas o los PESs. Tienen

costos de capital más bajo y costos equiparables de operación y mantenimiento.

La desventaja principal de las torres de limpieza húmedas es que la mayor eficiencia de

control se logra a expensas de una mayor caída de presión a través del sistema de

control. Otra desventaja es que están limitadas a temperaturas y razones de flujo de gas

residual más bajas que en los PESs o en las casas de bolsas. Los diseños actuales de las

torres de limpieza húmedas aceptan razones de flujo de aire de más de 47 metros cúbicos

por segundo (m3/s) (100,000 pies cúbicos reales por minuto -actual cubic feet per minute

(acfm)) y temperaturas de hasta 400°C (750°F). Otra desventaja es que generan residuos

en forma de lodo, el cual requiere tratamiento y/o disposición. Por último, pueden resultar

problemas de corrosión corriente abajo o de visibilidad de pluma, a menos que la

humedad añadida sea removida de la corriente de gas.

100

Figura 15. Torre Húmeda

Fuente WOODARD, Kenneth. Técnicas de

Control de Materia Particulada

4.5 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MECANISMOS DE CONTROL

Luego de realizar la identificación de los principales contaminantes atmosféricos que se

generan en cada una de las etapas del proceso, debe determinarse el mecanismo de

control óptimo para retenerlos. Para esto se realizó una selección de los tipos de control

existentes para material particulado y algunos gases, teniendo en cuenta sus condiciones

y características de diseño, eficiencia, recomendaciones, costos de operación,

requerimientos para su instalación y funcionamiento, un costo aproximado de los equipos

y las ventajas y desventajas que tiene cada uno.

Por las características del proceso y para garantizar la remoción de las partículas grandes

>PM10 se diseñará un tratamiento previo al sistema de control primario, entre los

mecanismos nombrados anteriormente se descartaron el Separador con Ayuda Mecánica

y el Purificador, por ser sistemas poco eficientes y costosos en su instalación y operación,

por lo tanto, se hizo una evaluación de las ventajas y desventajas de las cámaras de

sedimentación, los separadores inerciales y los ciclones como muestra a continuación:

101

Cuadro 17 Ventajas y Desventajas Separador Gravitatorio

SEPARADOR GRAVITATORIO VENTAJAS DESVENTAJAS

− Es un sistema de fácil diseño y construcción

− Bajo costo de capital − Bajos costos de Operación − Requiere poco mantenimiento − Baja pérdida de Carga

− Requieren gran espacio comparadas con el rendimiento a obtener.

− Presentan problemas en la limpieza ya que generalmente se hace manual.

− Son limitantes para trabajar a temperaturas elevadas

Fuente Los Autores 2004 Aunque no es una desventaja propia del equipo, este sistema es de tecnología antigua,

para ser diseñada actualmente comparada con otros mecanismos que pueden actuar

también como tratamiento preliminar.

Cuadro 18 Ventajas y Desventajas Ciclón

CICLÓN VENTAJAS DESVENTAJAS

− No tienen partes móviles − Pueden usarse como prelimpiadores

y aumentar el rendimiento de otros colectores

− Pueden diseñarse para eliminar un tamaño específico

− La eficiencia varía en función del tamaño y la densidad de las partículas.

− No tiene limitaciones por temperatura− Bajos costos de Instalación. − Fácil Mantenimiento

− Tienen una eficiencia pequeña para partículas de polvo respirable (< PM10)

− El rendimiento de la separación disminuye si la viscosidad o densidad del polvo aumenta

− Son susceptibles a erosión y desgaste

− Tienen una drástica disminución en su rendimiento cuando se reduce el flujo de aire

− No puede separar polvo adherente. Fuente Los Autores 2004

102

Cuadro 19 Ventajas y Desventajas Separador Inercial

SEPARADOR INERCIAL VENTAJAS DESVENTAJAS

− Es de fácil construcción − Bajos costos de Operación − Bajos costos de Mantenimiento − Pequeñas pérdidas de carga − Pueden usarse como prelimpiadores

reteniendo partículas

− Tiene limitaciones importantes de la temperatura y presión

− Se genera acumulación de partículas cerca de los obstáculos

− Dificultad en la limpieza − Problemas de abrasión cuando la

velocidad de las partículas es muy alta

Fuente Los Autores 2004 El mecanismo óptimo que controle en forma preliminar las emisiones en el proceso, debe

cumplir con aspectos como:

Resistencia a las condiciones de temperatura y abrasividad de los gases:

temperaturas hasta de 150°C lo gases contienen partículas que generan desgaste

permanente de las tuberías.

Sea de fácil mantenimiento: se busca que el mecanismo utilizado no requiera de

mucho tiempo para realización de mantenimiento ya que es un proceso continuo y

existen varios equipos a los cuales se les debe hacer mantenimiento semanal.

Retenga partículas grandes (>50µm): Las partículas emitidas en el desmoldeo pueden

ser hasta de 100 µm teniendo en cuenta que se va a diseñar un sistema de control

después del ciclón, la eficiencia del ciclón debe recoger partículas mayores a 10µm

evitando que éstas generen fallas en el sistema siguiente.

Se adapte a las condiciones de espacio de la empresa: El sistema de bandas

transportadoras existente en la empresa es una limitante en cuanto a la instalación de

ductos para la captación, el separador inercial y el gravitatorio por sus condiciones de

diseño requerirían de gran espacio el cual no existe en la empresa, por otra parte la

tubería de llegada es de 1.3 m por lo que no sería viable aumentar esta área en el

sistema de conducción.

103

De acuerdo con los aspectos mencionados, el mecanismo seleccionado para actuar como

tratamiento preliminar de los gases es el ciclón.

Para el diseño del sistema de control que optimice la remoción de partículas menores a

10µm se evaluó la funcionalidad de los precipitadotes electrostáticos y los filtros de

mangas teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

Características de la Emisión

- Flujo de Aire

- Temperatura

- Carga Contaminante

Costos

- Capital

- Operación y Mantenimiento

- Anualizado

- Eficiencia

Ventajas y Desventajas de operación y mantenimiento

En los Cuadros 20 al 23 se presenta la información recolectada para la selección del

mecanismo de control.

Cuadro 20. Comparación de Sistemas de Control según Características de la Emisión

Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)

CARACTERÍSTICAS DE LAS EMISIONES TECNOLOGÌA Flujo de Aire Temperatura Carga del Contaminante

Bajas de Aproximadamente 80 a 90°C (170 a 190°F)

2 a 110 gramos (g)/sm3 (1 a 50 granos (gr)/scf).

Menores de aproximadamente 80 a 90°C (170 a 190°F)

1 a 10 gramos (g)/sm3 (0,5 a 5 granos (gr)/scf.

muy altas, hasta los 700°C (1300°F)

2 a 110 gramos (g)/sm3 (1 a 50 granos (gr)/scf).

Precipitador Electrostático

Varían de 50 a 500 metros cúbicos estándares por segundo (sm3/s) (100.000 a 1.000.000 pies cúbicos estándares por minuto (scfm)).

Muy altas, hasta los 700°C (1300°F)

1 a 10 gramos (g)/sm3 (0,5 a 5 granos (gr)/scf).

Filtros de Papel/Material No Tejido – Colector Tipo Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante

Pueden manejar flujos de aire de menos de 0.10 a más de 5 metros cúbicos estándar por segundo (sm3/sec)(“cientos” a más de 10,000 pies cúbicos estándar por minuto (scfm)).

Cerca de 95°C (200°F) (medios filtrantes de papel) Cerca de 200°C (400°F) con selladores de material apropiado (filtros de cartucho utilizando un medio de material sintético, no tejido)

1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3)) (Ref. EPA, 1998b). Los filtros de cartucho, los cuales utilizan medios de material sintético no tejido, capaces de manejar concentraciones de entrada hasta de 57 g/m3 (25 gr/ft3)

Filtro de Tela – Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante

Pueden manejar desde menos de 0.10 a más de 50 metros cúbicos estándares por segundo (m3/s) (de “cientos” a más de 100,000 pies cúbicos estándares por minuto (scfm)) para estándar. Desde 50 hasta más de 500 m3/s (de 100,000 a más de 1,000,000 scfm)

En forma rutinaria temperaturas de gases hasta cerca de aproximadamente 260 ºC (500 ºF), con picos hasta cerca de aproximadamente 290 ºC (550 ºF), con tela del material apropiado.

1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3), pero en casos extremos, las condiciones de entrada pueden variar entre 0.1 a más de 230 g/m3 (de 0.05 a más de 100 gr/ft3)

Filtro de Tela - Tipo Limpieza con Sacudimiento Mecánico. - Mejorada con Bocina Sónica

Menos de 0.10 a más de 50 metros cúbicos estándares por segundo (m3/s) (de “cientos” a más de 100,000 pies cúbicos estándares por minuto (scfm)) para estandar. Desde 50 hasta más de 500 m3/s (de 100,000 a más de 1,000,000 scfm)

Aproximadamente 260 ºC (500 ºF), con picos hasta cerca de aproximadamente 290 ºC (550 ºF), con tela del material apropiado. de temperatura de la tela.

1 a 23 gramos por metro cúbico (g/m3) (0.5 a 10 granos por pie cúbico (gr/ft3), pero en casos extremos, las condiciones de entrada pueden variar entre 0.1 a más de 230 g/m3 (de 0.05 a más de 100 gr/ft3)

Cuadro 21. Comparación de Sistemas de Control según sus Costos


* Valores Cuantificados según la proyección del valor del dolar para el 2002

COSTOS* TECNOLOGIA Capital

Operación y

Mantenimiento Anualizado

Eficiencia

Precipitador Electrostático Seco (PES) - Tipo Placa-Alambre.

$21,000 a $70,000 por sm3/s ($10 a $33 por scfm)

$6,400 a $74,000 por sm3/s ($3 a $35 por scfm),

$9,100 a $81,000 por sm3/s ($4 a $38 por scfm), anualmente

$38 a $260 por tonelada métrica ($35 a $236 por tonelada corta)

Filtros de Papel/Material No Tejido – Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante.

$15,000 a $28,000 por m3/s ($7 a $19 por scfm)

$20,000 a $52,000 por m3/s ($9 a $265por scfm), anualmente

$26,000 a $80,000 por m3/s ($13 a $38 por scfm), anualmente

$94 a $280 por ton. métrica ($85 a $286 por ton. corta)

Filtro de Tela – Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante

$13,000 a $55,000 por m3/s ($6 a $26 por scfm)

11,000 a $50,000 por m3/s ($5 a $24 por scfm), anualmente.

$13,000 a $83,000 por m3/s ($6 a $39 por scfm), anualmente.

$46 a $293 por tonelada métrica ($42 a $266 por ton. corta).

Filtro de Tela - Tipo Limpieza con Aire-Invertido - Mejorada con Bocina Sónica.

$19,000 a $180,000 por m3/s ($9 a $85 por scfm) $1,000 a $1,300 por m3/s ($0.51 a $0.61 por scfm), costo adicional por mejoramiento con bocinas sónicas $2,000 a $4,200 m3/s ($1 a $2 por scfm), costo de equipo comprado de chorro a la inversa



58 a $372 por tonelada métrica ($53 a $337 por tonelada corta).

Cuadro 22. Ventajas y Desventajas Precipitador Electrostático Y Filtros de Mangas


TECNOLOGIA VENTAJAS DESVENTAJAS

• Precipitador

Electrostático

Son capaces de alcanzar eficiencias muy altas, aún con partículas muy pequeñas. - Los costos de operación son relativamente bajos. Los PE son capaces de operar bajo presiones altas (hasta 1,030 kPa (150 psi)) o condiciones de vacío, y razones de flujo relativamente grandes se pueden manejar de manera efectiva. - Los PEH pueden recolectar partículas pegajosas y neblinas, así como polvos explosivos o con alta resistividad. - El enjuague continuo o intermitente con un líquido, elimina el reencauzamiento de partículas al flujo de gas, que se ocasiona con el martilleo al cual están sujetos los PE. - Las partículas líquidas o aerosoles presentes en la corriente de gas son recolectadas con las partículas y proporcionan otro método para enjuagar los electrodos de colección. - Las velocidades de flujo relativamente grandes se pueden manejar de manera efectiva, aunque son poco comunes en los PE tubulares

- Los electrodos de descarga fabricados de alambre (aproximadamente 2,5 mm (0,01 in.) de diámetro), requieren altos niveles de mantenimiento. - Puede presentarse corrosión cerca de la parte superior de los alambres por el efecto de fugas de gas y la condensación ácida. Además, los alambres largos sujetos con pesas tienden a oscilar; la parte media del alambre puede acercarse al tubo, causando más chispas y desgaste. - Los PE son difíciles de instalar en sitios con espacio limitado puesto que los PE deben ser relativamente grandes para obtener las bajas velocidades de gas necesarias para la recolección eficiente de PM - Se requiere personal de mantenimiento relativamente sofisticado, así como precauciones especiales para proteger al personal del alto voltaje.

• Filltros de Papel/Material No Tejido – Colector Tipo Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante (también referido como Medio Extendido) Filtro de Tela: • Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante (Referido como Casa de Bolsas). • Tipo Limpieza con Sacudimiento Mecánico y Mejorada con Bocina Sónica • Tipo Limpieza con Aire-Invertido y Mejorada con Bocina Sónica.

- Proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para materia particulada gruesa como para la de tamaño fino (submicras). - En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presión permanecen relativamente invariables con fuertes cambios en la carga de entrada de polvo. - El aire de salida del filtro está muy limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la conservación de energía). - A diferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de cartucho no requieren de altos voltajes, por lo que su mantenimiento se simplifica y puede recolectarse polvo inflamable con el cuidado apropiado. - El uso de ayudas selectas de filtración granulares o fibrosas, (pre-impregnado), permite la recolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y de humos de tamaños submicrométricos. - Los colectores de cartucho están disponibles en un gran número de configuraciones, resultando en un rango de dimensiones y de localizaciones de las bridas de entrada y salida, para cumplir con los requisitos de instalación.

- Para ciertos tipos de polvos se pueden requerir medios filtrantes tratados para reducir la percolación de los polvos, o en otros casos, para ayudar a la remoción del polvo recolectado. - La concentración de algunos polvos en el colector, aproximadamente 50 g/m3 (22 gr/ft3), puede representar un peligro de fuego o explosión, si se admite accidentalmente una chispa o flama. - - La vida de los filtros puede ser acortada a altas temperaturas y en presencia de constituyentes ácidos o alcalinos que puedan estar presentes como gases o particulados. - No pueden operarse en ambientes húmedos; los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los componentes adhesivos espesos, pueden causar una plasta quebradiza, taponamiento del medio o requerir del uso de aditivos especiales.

TECNOLOGÍA VENTAJAS DESVENTAJAS

• Filltros de Papel/Material No Tejido – Colector Tipo Cartucho con Limpieza por Chorro Pulsante (también referido como Medio Extendido) Filtro de Tela: • Tipo de Limpieza por Chorro Pulsante (Referido como Casa de Bolsas). • Tipo Limpieza con Sacudimiento Mecánico y Mejorada con Bocina Sónica • Tipo Limpieza con Aire-Invertido y Mejorada con Bocina Sónica.

- Proporcionan altas eficiencias de recolección tanto para materia particulada gruesa como para la de tamaño fino (submicras). - Son relativamente insensibles a las fluctuaciones en las condiciones de la corriente de gas. - En los filtros con limpieza continua, la eficiencia y la caída de presión permanecen relativamente invariables con fuertes cambios en la carga de entrada de polvo. - El aire de salida del filtro está muy limpio y en muchos casos puede ser recirculado a la planta (para la conservación de energía). - La MP se recolecta seca para su procesamiento o disposición subsecuentes. - Normalmente, no son problemas la corrosión ni la oxidación de los componentes. - La operación es relativamente simple. - A diferencia de los precipitadores electrostáticos, los sistemas de filtros de cartucho no requieren de altos voltajes, por lo que su mantenimiento se simplifica y puede recolectarse polvo inflamable con el cuidado apropiado. - El uso de ayudas selectas de filtración granulares o fibrosas, (pre-impregnado), permite la recolección con alta eficiencia de contaminantes gaseosos y de humos de tamaños submicrométricos. - Los colectores de cartucho están disponibles en un gran número de configuraciones, resultando en un rango de dimensiones y de localizaciones de las bridas de entrada y salida, para cumplir con los requisitos de instalación.

- Para temperaturas muy altas en los filtros de papel (de los 95°C (200°F)), o filtros de tela ( muy por encima de los 290 o C (550 o F)), se requieren medios filtrantes especiales, los cuales pueden ser caros. - Para ciertos tipos de polvos se pueden requerir medios filtrantes tratados para reducir la percolación de los polvos, o en otros casos, para ayudar a la remoción del polvo recolectado. - La concentración de algunos polvos en el colector, aproximadamente 50 g/m3 (22 gr/ft3), puede representar un peligro de fuego o explosión, si se admite accidentalmente una chispa o flama. - Pueden arder si se recolecta polvo rápidamente oxidable. - Tienen requisitos de mantenimiento relativamente altos (v.g., cambio frecuente de los cartuchos o tela). - La vida de los filtros puede ser acortada a altas temperaturas y en presencia de constituyentes ácidos o alcalinos que puedan estar presentes como gases o particulados. - No pueden operarse en ambientes húmedos; los materiales higroscópicos, la condensación de humedad o los componentes adhesivos espesos, pueden causar una plasta quebradiza, taponamiento del medio o requerir del uso de aditivos especiales. - Se requieren una caída de presión mediana, típicamente en el rango de 100 a 250 mm de columna de agua (4 a 10 in. de columna de agua) - Se pudiera requerir protección respiratoria para el personal de mantenimiento al reemplazar la tela.


107

El sistema de control seleccionado de acuerdo con las características mostradas

anteriormente fue el Filtro de Mangas tipo Pulse Jet teniendo que éstas se adaptan a las

condiciones del proceso como se muestra a continuación:

• Pueden tratar cargas altas de polvo, operar a una caída de presión constante y ocupar

menos espacio que otros filtros de mangas

• No requieren interrumpir el flujo de gas ya que son cortos los impulsos de la limpieza.

• No se presentan caídas en el rendimiento.

• La limpieza es intensa y ocurre con mayor frecuencia que los otros métodos existentes

• Generalmente trabajan con telas afelpadas por lo que no se requiere de la formación

de la capa de polvo para mejorar la eficiencia de retención de partículas pequeñas.

• No necesitan compartimientos adicionales para mantener la filtración el gas durante la

limpieza.

• Pueden tratar altas velocidades de flujo a una mayor carga de partículas

• Permite relaciones más altas de gas a tela

4.6 DISEÑO DE MECANISMOS DE CONTROL

De acuerdo con la evaluación de las ventajas y desventajas de la diversidad de

dispositivos existentes para el control preliminar y primario de las emisiones, se presenta

a continuación el diseño del Ciclón y el filtro de Mangas tipo Pulse Jet, mecanismos que

tratarán la corriente de gas capturada en los hornos y en el desmoldeo del Sistema 1.

4.6.1 Ciclón. Los parámetros principales que se requieren determinar para el diseño de

los ciclones son su eficiencia y su pérdida de carga. La eficiencia del ciclón aumenta

generalmente con el tamaño o densidad de las partículas, la velocidad en el ducto de

entrada, la longitud del cuerpo del ciclón, la relación del diámetro del cuerpo del ciclón al

108

diámetro de la salida del gas, la carga de polvo y la uniformidad de la pared al interior del

ciclón. 815

Por otra parte dicha eficiencia puede reducirse al aumentar la viscosidad del gas, el

diámetro del cuerpo del ciclón, el diámetro de las salida del gas o la superficie del ducto

de entrada del gas.

Existen varios métodos para determinar la eficiencia de un ciclón, generalmente se basan

en utilizar un término para el tamaño de las partículas que se denominará tamaño o

diámetro de corte, el cual define el tamaño de las partículas para una eficiencia de

recolección específica. Las partículas más grandes que las del tamaño de corte serán

recolectadas con una eficiencia mayor que la especificada y las partículas pequeñas se

recolectarán con menor eficiencia. El tamaño de corte generalmente corresponde al 50

por ciento de la eficiencia de recolección y se denomina D50.

Lapple816desarrolló un modelo relativamente sencillo para determinar la eficiencia de un

ciclón derivado de la teoría del movimiento de las partículas aplicando la siguiente

fórmula.

2/1

50 ).(...29

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂−∂

=gpVcN

xWixDπ

µ (6)

Donde,

Wi 1.18 m Diámetro de la Tubería N 5 Numero de vueltas (estimado) Vc 22 m/s Velocidad de entrada Gas µ 1.8 x 10-6 Kg/m.s Viscosidad del Gas9

δp 2000 Kg/m3 Densidad de la partícula δg 1.2 Kg/m3 Densidad del gas

8 WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. North Carolina : EPA, 1998. 5.1 –14p 9 NOEL DE NEVERS. Ingeniería de controld e la Contaminación del Aire. México Mc Graw-Hill 1997. 546p

109

2/16

50 )2.12000.(22.5..2108.118.19

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=−

πxxxD

µµ 471.31071.3 6

50 ≈== − mxD

Para determinar la eficiencia del ciclón se aplica la siguiente fórmula, utilizando el

diámetro promedio de las partículas que se busca remover y el diámetro de corte obtenido

previamente.

η = (D/Dcorte)2 = (9/4) 2 = 83%. 1 + (D/Dcorte) 2 1+ (9/4) 2 La pérdida de presión generada dentro del ciclón se calcula con la siguiente ecuación:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∂=∆

2

2gasxVcKP

PaP 2.2323=∆

La obtención de las dimensiones del ciclón se calculan a partir de la relación del Diámetro

del cuerpo con cada una de las dimensiones que lo componen:

gasxDcortegaspartxVcxDc

µδδ 2)(96.3 −

=

δgas 1.20 Kg/m-3 K 8 constante Vc 22 m/s

110

6

26

108.11072.3)2.12000(2296.3

−

−−=

xxxxxDc

mDc 40.1=

Para establecer las dimensiones del ciclón existen unas relaciones estándares que se

calculan con valor del Dc obtenido.

Cálculo de las Dimensiones del Ciclón Figura 16. Dimensiones del Ciclón

Fuente www.diquima.upm,es

Dc Dc 1.32 m Bc Dc/4 0.33 m De Dc/2 0.66 m Hc Dc/2 0.66 m Lc 2Dc 2.64 m Sc Dc/8 0.165 m Zx 2Dc 2.64 m Jc Dc/4 0.33 m

111

4.6.2 Filtro de Mangas. Para el diseño del Filtro de mangas se estableció la relación gas

a tela (G/T) que será compatible con el tipo de limpieza (Pulse Jet), la caída de presión y

la tela de las mangas.

El tipo de polvo es lo más importante en la determinación de dicha relación. Cuado la

relación G/T es muy alta puede conducir a caídas de presión más altas y mayor

penetración de partículas disminuyendo su eficiencia de recolección, además de requerir

una limpieza mas frecuente que acelere el deterioro de la tela. Si la relación G/T es muy

baja, aumenta el tamaño y el costo del filtro de mangas.

La relación (G/T) o velocidad de filtración se puede determinar utilizando tablas en las que

se clasifica el tipo del tela y el tipo de polvo; también puede hallarse con ecuaciones en

las que se consideran parámetros como la temperatura, tamaño de partículas y carga de

polvo, para este caso se aplicó la siguiente ecuación:

)0853.07471.0(878.2 06021.02335.0 LnDxLxAxBxTV += −− 1017 (7)

Donde:

V = Relación gas a tela (ft/min)

A = Factor del Material

B = Factor de Aplicación

T = Temperatura

L = Concentración de entrada (gr/ft3)

D = Diámetro promedio en masa de la partícula (µm)

Factores para las relaciones de gas a tela para filtros tipo Pulse Jet: se obtiene según la

Tabla de Factores par las Relaciones de Gas a Tela en Jet Pulse del Anexo I, en este

caso para el polvo de residuos de agitado en fundiciones el factor de Material A es igual a

12 y el Factor de Aplicación B es igual a 0.8.

10 EPA, Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas p 1-23

112

Temperatura (T): la temperatura alcanzada en la emisión de los hornos es de 500°C, sin

embargo por la dilución con el aire y su trayectoria a través de los conductos hacia el filtro

de mangas, se estimó una temperatura máxima de llegada de 100°C (212°F), tomando

como referencia las condiciones de este tipo de procesos.

Concentración de Entrada (L): esta concentración se obtiene de relacionar la cantidad de

partículas emitidas con el caudal del flujo de gas, restándole la eficiencia de remoción de

partículas que tiene el ciclón, como el rango debe estar entre 0.05 y 100 se selecciona

0.05 gr/ft3 (Ver Anexo I).

Diámetro de Partícula (D): es el diámetro promedio de partículas que se pretende retener

con el filtro se en este caso corresponde a 10µ.

Entonces

)10ln0853.07471.0(05.02128.012878.2 06021.02335.0 += −− xxxxV

2323 min/72.2min/94.8 xmmxftfTGV ===

Caudal Requerido (Q): es el caudal capturado en cada una de las fuentes el cual será

impulsado por un sistema de ventilación hacia el filtro de mangas = 32.6 m3/s

Área Neta (An): el área neta fe filtración se obtiene de la división entre el caudal (m3/min)

y la relación de filtración obtenida.

23

11.719min/72.2min/1956 m

mmAn == (8)

Área de las Mangas (P): esta se obtiene del diámetro y la longitud de las mangas. Como

la longitud de las mangas estimada fue de 1500 mm y la relación entre el diámetro y la

113

longitud debe ser menor a 25 (Ver Anexo I); se asumió una relación de 5 para la cual

corresponde un diámetro de 300 mm.

demmamconversiónxasmangaongituddeldiámetroxlP π)(

= (9)

22 41.1

1000)1500300( mxxP ==

π

Número de Mangas (N): se obtiene de relacionar el área total de tela con el área de cada

manga.

mangasmmN 510

41.111.719

2

2

== (10)

Tipo de Tela: generalmente se selecciona teniendo en cuenta la resistencia física y

química de las mangas hacia la corriente de gas que pasará por el filtro. El material

seleccionado para el filtro fue el Dacrón el cual alcanza una temperatura máxima de

operación de 135°C; sus características de resistencia físicas y químicas se muestran en

la Tabla 5

Tabla 5. Resistencia Física y Química del Dacrón 1118

RESISTENCIA FÍSICA RESISTENCIA QUÍMICA Calor Seco Buena Ácidos Minerales Buena Calor Húmedo Suficiente Ácidos Orgánicos Buena Abrasión Buena Álcalis Suficiente Agitación Excelente Oxidantes Buena Flexión Excelente Solventes Excelente Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)

11 WOODARD, Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. North Carolina : EPA, 1998. 5.1 –14p

114

Es importante instalar las bolsas correctamente para obtener la mayor duración posible.

Se recomienda que en los filtros Pulse Jet las costuras de todas las bolsas se coloquen

en una misma dirección (en dirección opuesta a la entrada del flujo de aire) con el fil de

proporcionar un punto de referencia que ayuda a identificar los problemas de abrasión a la

entrada.1219

Caída de Presión: la caída de presión dentro del filtro debe calcularse desde el flujo a

través de las mangas y desde el flujo a través de las regiones de la tolva; adicionalmente

deberá considerarse la caída generada en el ciclón. El valor total será calculado

teóricamente para su diseño inicial, sin embargo deben hacerse las correcciones

necesarias de acuerdo con las pruebas de filtración realizadas al filtro después de

construido con el fin de determinar los datos exactos de funcionamiento

Para filtros tipo Pulse Jet se aplicó la siguiente ecuación para determinar la caída de

presión a través de las mangas:

fOW VWKPEP 2)( +=∆ ∆ (11)

Donde:

∆P = Caída de Presión (in de H2O)

Vf = Velocidad de filtración (ft/minuto)

K2 = Resistencia específica del polvo

La resistencia específica del polvo seleccionada es de10 min. ft. in H2O / lb. Wo es la

densidad superficial del polvo recién depositado, se calcula con la siguiente ecuación:

θfi VCW =0 (12)

Ci = Concentración de entrada al filtro (lb/ft3)

Vf = Velocidad de filtración (ft/min)

θ = Tiempo de Filtración (minutos)

12Seminario de BHA Internacional, Inc. mantenimiento de equipo de control de contaminación ambiental

115

Para un tiempo de filtración de 10 minutos y los datos de diseño calculados previamente

el valor obtenido de W0 es:

min10min

94.8101.1 34

0 xftxftlbxW −=

20 0098.0ftlbW =

El cálculo de (PE)∆W se realiza aplicando la siguiente ecuación:

65.008.6)( −

∆ = PVPE fW (13)

P = Presión de pulso de las válvulas generalmente está entre 60 y 100 lb/in2. En este

caso se seleccionó un valor de 80 psig.

65.0)80)(94.8(08.6)( −

∆ =WPE

OHinPE W 215.3)( =∆

Por lo tanto:

)94.80098.010(15.3 xxP +=∆

OHinP 203.4=∆

Estimando una caída por la estructura del filtro de mangas de 2 in H2O y adicionando la

caída dentro del ciclón de 9.29 in de H2O, la presión total obtenida es de 15.32 in H2O =

3830 Pa. La potencia requerida para el ventilador que impulsará el gas hasta la salida del

filtro de mangas se obtiene con el producto de la fuerza con la velocidad de llegada del

gas (22 m/s):

Potencia = 1723.5 N x 22 m/s = 37917 Watts = 50.82 Hp

116

Selección del Ventilador. El ventilador se ubicará después del filtro de mangas, quedando

este a presión negativa (al vacío), cualquier escape quedará dentro de la unidad, evitando

que las emisiones vayan a la atmósfera, además tendrá poco desgaste ya que solo estará

en contacto con el aire limpio; esto es un punto importante teniendo en cuenta cualquier

daño en el ventilador, impedirá el funcionamiento de todo el sistema.

Para la potencia calculada de 51 Hp, se consideró un factor de seguridad del 20%

teniendo en cuenta que algunos motores no tienen una eficiencia del 100% y debe

garantizarse mantener la potencia de diseño para contrarrestar las pérdidas presentes a

lo largo del sistema. De esta forma el Ventilador requerido para el sistema tendrá las

siguientes características:

• Potencia 60 Hp ,

• Tipo centrifugo por las facilidades de instalación (Anexo J)

• Con aspas curvadas hacia atrás

Otras Características: dentro del filtro se distribuirán 30 x 17 mangas para un total de 510;

estarán ubicadas en un portafiltros fabricado en lámina de acero de ¼” perforada en frío

con agujeros correspondientes al diámetro de las mangas (300mm) con espacio de 5 cm

entre cada agujero.

Las perforaciones se realizan con una precisión de 0.001” para que la manga haga un

sello perfecto y se evite la fuga de material particulado a la atmósfera. Los filtros están

cerrados en el fondo, abiertos en la parte superior, el gas contaminado fluye de afuera

hacia adentro de las bolsas y luego hacia fuera por el escape de gas, las partículas son

retenidas en el exterior de las bolsas y al activarse el sistema de limpieza caen hacia la

tolva ubicada en la parte inferior del filtro.

117

Número de Válvulas: las válvulas serán las encargadas de suministrar el aire de los

disparos para realizar la limpieza del filtro, el número de válvulas requeridas se obtiene de

la ecuación:

válvulasngasNúmerodemaNválvulas 206.1926

51026

==== (14)

Sistema de aire comprimido. Este sistema consta de un portaválvulas, válvulas de alto

flujo y cajas multiválvulas de control, tubos de pulsión o flautas (Bowpipe) y pasamuros,

unidad de mantenimiento para aire comprimido con: transmisor de presión, filtro con

purga automática, llave de paso, acople rápido para aire, manómetro y válvula de

seguridad, conectores de acople rápido y mangueras en poliamida, tubería con diámetro

de 1” para la entrada principal del aire y para la conexión entre tanques, separador de

aceites y humedad para corregir los posibles remanentes de estos en el aire de limpieza.

El tiempo de propulsión será de 0.05 segundos y una a una presión de 80 psig. En el

Anexo H se encuentran los esquemas del diseño del Filtro de Mangas seleccionado.

Chimenea. Para el desfogue de las emisiones del Filtro de Mangas se requiere de un

conducto que cumpla con los parámetros exigidos en el Decreto 02/82, de acuerdo con la

norma de emisión calculada, la altura mínima de descarga debe ser de 20 m.

Cálculo del Diámetro de la Chimenea: se diseñó una chimenea con sección transversal

circular, aplicando la fórmula del diámetro del conducto:

2/1

128.1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

c

cS u

QD 1320 (15)

13 EPA, Sección 2 “Equipo Genérico y Dispositivos. Capítulo 1 Campanas, Ductos y Chimeneas. Pag 1-39

118

Donde: uc = Velocidad de salida de la chimenea (m/s)

Qc = Caudal de salida

Para optimizar el diseño de la chimenea, la velocidad de salida del gas tratado debe ser

1.5 veces la velocidad del viento, suponiendo esta de 10 m/s a una altura de 15 metros,

entonces:

smuc /10*5.1= (13) smuc /15=

Sustituyendo este valor

2/13

/15/6.32128.1 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

smsmDs

mDs 66.1=

Altura de la Chimenea: el filtro de mangas diseñado se encuentra sobre una plataforma

que está a 12 m del nivel del piso, para esto la altura para ducto de la chimenea es de 8

metros.

Eficiencia: las eficiencias típicas de diseño en equipo nuevos están del 99 al 99.9%. Sin

embargo estos valores dependen de factores como la velocidad de filtración del gas, las

características de las partículas, las características de la tela y el mecanismo de limpieza.

La eficiencia de recolección aumenta al incrementar las velocidades de filtración y el

tamaño de las partículas. A diferencia de otros sistemas de control la eficiencia de

recolección del filtro de mantas a un tiempo determinado siempre está cambiando. Cada

ciclo de limpieza remueve al menos parte de la plasta de polvo y afloja las partículas que

permanecen en el filtro. Cuando se reinicia la filtración, la capacidad de filtrado ha sido

disminuida, porque se ha perdido parte de la capa de polvo y las partículas sueltas son

forzadas a través del filtro por el flujo del gas.

119

A medida que se capturan más partículas, la eficiencia aumenta hasta el siguiente ciclo de

limpieza. Las eficiencias promedio de recolección de los filtros de tela, se determinan

usualmente por pruebas que abarcan un número de ciclos de limpieza a carga de entrada

constante. Cuando se diseñan sistemas como este, al realizar su montaje se debe

verificar la eficiencia de recolección real; para este diseño se asumió una eficiencia de

96% tendiendo en cuenta que en proceso de fundición la eficiencia de los filtros para

remoción de partículas menores a 10 micras varía entre el 91% – 98 %.

4.7 COMPARACIÓN CON LA NORMA DE EMISIÓN DE PARTÍCULAS

Como se mostró en el cálculo del numeral 3.6, la norma de emisión que debe cumplirse

para el proceso es de 0.54 Kg partículas / Tonelada es decir, 0.945 Kg/hora. Con la

eficiencia obtenida para el ciclón se logra una emisión de partículas de 2.156 Kg/h, sin

embargo la remoción de partículas que ocurre dentro del filtro de mangas permite

garantizar el cumplimiento de la norma de emisión con un valor de 0.0862 Kg/h.

Se observa de esta forma que la implementación del Sistema de Control seleccionado

representa aspectos favorables para la empresa, ya que se garantiza el cumplimiento de

la normatividad facilitando la obtención del permiso de emisión.

120

5. EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE

CONTROL DE EMISIONES DE PARTÍCULAS

Para el cálculo de los costos de implementación del sistema diseñado para el control de

las emisiones se tomó como referencia el Manual de Costos de Control de la

contaminación (EPA, 1996), cuyos costos y metodología de estimaciones están dirigidos

hacia la estimación con un ± 30% de exactitud.

Se estimaron las dos clases generales de costos, que son :

• Inversión de capital total (ICT)

• Costo total anual (CTA), que se compone de tres elementos: costos directos (direct

costs - DC), costos indirectos (indirect costs - IC), y créditos de recuperación (recovery

credits - RC), los cuales están relacionados por la siguiente ecuación:

TAC = DC + IC - RC 1421 (14)

Para nuestro caso el RC es de cero ya que el material que se recupera no será reutilizado

en el proceso como materia prima o vendido a terceros.

5.1 CAMPANAS Para determinar el precio de las campanas se hizo la correlación con diseño el del

tamaño, a través de regresión de mínimos cuadrados.

14MANUAL DE COSTOS. Seccion 1 Capitulo 2 Estimación de Costos: Conceptos y Metodología Ecuacion 2.1

121

Cuadro 21. Características de los Sistemas de Captación

ESPECIFICACIONES Tipo de Campana Cantidad Características de la Campana Toldo Circular 2 D = 1.6 m Toldo Circular 2 D = 1.2 m Toldo Rectangular 1 2.5*1.5 m


El material de fabricación es Acero Inoxidable, su costo se calcula con la siguiente fórmula

baAfCh = (15)

donde:

C h = costo de la campana ($)

a,b = parámetros de la ecuación de regresión

Tabla 6. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Campana

Parámetro de la Ecuación Tipo de Campana

Material de Fabricación a b

Rango de la Ecuación ft2

Succión Trasera (Ranurada)

Acero Galvanizado

688 0.687 0.5-1.3


Debido a que no se encuentra campana tipo toldo circular o toldo rectangular elaboradas

en acero inoxidable se tomaran como referencia los datos como si fuera de succión

trasera (ranurada), en acero galvanizado como se muestra en la Tabla 6.

Entonces:

a= 688 , b= 0.687

687.0688AfCh =

122

De acuerdo con la ecuación anterior, para cada una de las áreas de las campanas

diseñadas, existe su respectivo costo el cual se encuentra en la Tabla 7.

Tabla 7. Costos de las Campanas


El Costo Total de las 5 campanas construidas en acero inoxidable es de $27638.25 (este

valor no incluye fletes ni impuestos).

5.2 SISTEMA DE CONDUCTOS

5.2.1 Sistema de Conductos Rectos. De la información mostrada en la Tabla 6, se

seleccionaron los parámetros de la ecuación para conductos circulares en hoja de acero

inoxidable ensamblado longitudinalmente

Tabla 8. Parámetros para la Ecuación de Costos de un Conducto Recto

Parámetro de Ecuación

Tipo de Conducto

Material del

Aislante

Espesor Aislante

Tipo de Ecuación

A B

Rango de la

Ecuación Circular

Longitudinal SHEET-304SS

NINGUNO FUNCIÓN 2.98 0.930 6 - 84


AREA DE LA CARA DE LA CAMPANA (Af,ft2)

COSTO DE LA CAMPANA (Ch )

21.65 5689.16 21.65 5689.16 12.19 3834.18 12.19 3834.18 39.45 8591.57

TOTAL 27638.25

123

Por lo tanto: a= 2.98 y b= 0.930

93.098.2$Re Diin

ctonductoCostodelCo =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ (16)

Tabla 9. Costos de los Conductos Rectos

Diámetro interno de tubería (in)

Costo del Conducto recto

($/ft) Longitud

(ft) Costo del Conducto Recto

($) (longitud * costo del conducto recto)

24,84 59,11 18,04 1066,34 35,4 82,18 45,93 3774,53

23,64 56,45 18,04 1018,36 39,36 90,70 10,83 982,28 21,6 51,91 18,04 936,46

46,44 105,78 83,66 8849,55 46,44 105,78 62,34 6594,33 25,56 60,70 19,69 1195,18 25,56 60,70 18,04 1095,03 27,6 65,20 18,04 1176,21 27,6 65,20 22,31 1454,61

Total 28142,88 Fuente Los Autores 2004

El costo Total de la Tubería recta construida en lámina de Acero Inoxidable es de

$28142.88

5.2.2 Codos. Para establecer el costo de los codos y demás accesorios de la tubería se

tomaron como referencia los valores encontrados en la Tabla 10, seleccionando los

parámetros de la ecuación para codos de acero galvanizado.

Tabla 10. Parámetros para la ecuación de Costo de Codos

Parámetro de la Ecuación Accesorios de Instalación de

Conductos Material Tipo de

Ecuación a b Rango de la

Ecuación

Codos Al 304 Exponencial 74.2 0.0668 6-60 Fuente EPA CICA (Centro de Información de la Calidad del Aire)

124

Entonces: a= 30.4 y b= 0.0594

xDiedoCostodelCo 0594.04.30($) = (17)

Tabla 11. Costo de Codos

Diámetro (in) Costo codo ($)

24,84 132,94 25,56 138,75 25,56 138,75 35,4 248,93

23,64 123,79 21,6 109,67 27,6 156,63 27,6 156,63

46,44 473,61 Total 1679,7


El Costo Total de los nueve codos existentes en el sistema de Conductos, construidos en

Acero Inoxidable es de $1679,7; de esta forma el costo total del sistema de conductos

será igual a la suma del costo del conducto recto mas el costo total de codos.

Costo Total = $28142,88 + $1679,7 = $29.822,58

5.3 CHIMENEA

Para calcular el costo de la chimenea se trabajó con las ecuaciones de la Tabla 12.

Teniendo en cuenta que al gas que sale del filtro de mangas se le han retirado las

partículas contaminantes, se puede utilizar como material de construcción para la

chimenea el Acero al Carbón ya que es mas económico que el acero inoxidable.

125

Tabla 12. Parámetros para la Ecuación de Costos de la Chimenea

Parámetros de la Ecuación Rango de la Ecuación Material a b Ds (in) Hs (ft)

Placa de Acero Recubierta 3.74 1.16 6-84 20-100


Su cálculo se presenta con la siguiente ecuación:

sb

s HinDaChimeneaCosto *),(*= (18)

a = 3.74

b = 1.16

Ds = 65.35 in

Hs = 0.3048 ft

Reemplazando:

ftft

ChimeneaCosto 3048.0*$)35.65(*74.3 16.1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

40.145$=ChimeneaCosto 5.4 COSTO TOTAL DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN

El costo del equipo comprado es la suma de los costos las campanas, sistemas de

conductos y chimeneas, impuestos y fletes.

( ) ( )TTTT ECECECPEC 05.003.0 ++= (19)

126

Donde,

ECT = Costo total de las campanas, sistema(s) de conductos y chimenea(s)

40.145$58.29822$25.27638$ ++=TEC

23.57606$=TEC

Reemplazando tenemos:

( ) ( )23.5760605.023.5760603.023.57606 ++=TPEC

73.62214$=TPEC

5.5 FILTRO DE MANGAS

En principio debe utilizarse el área neta obtenida en el cálculo de filtro de mangas, en pies

cuadrados:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 22

22

3048.01*11.719

mftmAn (20)

244.7740 ftAn =

Con este valor, la ecuación correspondiente para el cálculo del costo de la estructura del

Filtro de Mangas es

)(163.7307.2 AnCosto += 1522 (21)

15 EPA, Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas p 1-51

127

Reemplazando tenemos:

07.55447$)44.7740(*163.7307.2 2

=+=

CostoftCosto

Debido a que se requiere que el filtro sea construido en Acero Inoxidable, se calculó el

Costo Adicional (corregido) con la siguiente ecuación

6.22760$)44.7740(*94.2696.3

)(904.2969.32

=+=

+=

CostoftCosto

AnCosto (22)

5.5.1 Costo de la Tela. El costo de la tela seleccionada para la elaboración de las

mangas se obtuvo a partir de los datos encontrados en el Cuadro 26 el cual presenta los

costos de los diferentes tipos de tela por ft2 para el segundo trimestre de 1998; se calculó

que el costo de la bolsa de 16 onzas de Poliéster es de $0.75 por pie cuadrado (para

bolsas removidas por la parte superior)

Tabla 13. Costo de Materiales de Mangas

Forma de Limpieza Diámetro de Mangas (in) Tipo de Material (PE) Jet Pulse 4.5 – 5 1/8 0.75


El Costo Total de las Mangas es:

33.5805$/$75.0*44.7740

)/($cos*22

2

==

=

CostoftftCosto

ftbolsaladetoAnCosto (23)

En la Tabla 14, se encuentran contemplados los costos totales del sistema de control

diseñado

128

Tabla 14. Resultados de los Costos obtenidos para el Sistema de Control

ARTICULO DE COSTO COSTO

Costos Directos – DC Costos del Equipo Adquirido

Filtro de Tela (en acero inoxidable) Bolsas Equipo Auxiliar (sin impuestos, fletes)

Suma = A

Instrumentación, 0.1A Impuesto Sobre la Venta,003A Transporte, 005A

Costos del Equipo Adquirido, B

Costos de la Instalación Directa Cimientos y Soportes, 0.04B Manejo y Erección, 0.50B Sistema Eléctrico, 0.08B Tubería, 0.01B Pintura, 0.04B

Costo de Instalación Directa

Costo Directo Total - DC Costos Indirectos (Instalación)

Ingeniería, 0.10B Gatos de Construcción y de Campo, 0.20B Inicio de la Obra, 0.01B Prueba de Rendimiento, 0.01B Contingencias, 0.03B

Costo Indirecto Total – IC

Inversión de Capital Total TCI

$78207.67 $5805.33

$57606.23 $141619.23

$14161.92 $4248.58 $7080.96

$25491.46

$1019.66 $12745.73 $2039.32 $254.91

$1019.66 $17079.28 ________

$184189.97

$2549.15 $5098.29 $254.91 $254.91 $764.74 $8922

-

-------------- $193112


129

CONCLUSIONES

Entre las fuentes de emisión existentes en la empresa, se identificaron como

representativas y objeto principal de control ambiental aquellas en donde se generan

grandes cantidades de partículas y que además no cuentan con algún sistema de control,

como ocurre en los hornos de inducción y el área de desmoldeo en el Sistema 1.

El resultado de la emisión calculada para el área de terminado indicó una cantidad de

351.23 Kg PST/día, mayor a las demás fuentes de emisión, sin embargo, debe tenerse en

cuenta que el único factor encontrado para estimar las emisiones en esta etapa del

proceso fue para casos en los que no existe sistema de control, diferente a lo que ocurre

en Fundicom S.A. ya que ambas granalladoras cuentan con su filtro de mangas

independiente que contribuyen a reducir la cantidad de partículas emitidas al ambiente.

Según el diagnóstico realizado se evidenció que el sistema de captación existente para

los silos de arena y el ducto en desmoldeo no fueron instalados teniendo en cuenta las

características y cantidad de emisiones generadas ya que no logran capturar las

partículas que se generan en cada una de las fuentes, se presenta frecuente desgaste por

la abrasión del material transportado ocasionando fugas en algunos tramos y reduciendo

la cantidad de polvo que llega a retenerse en el filtro de mangas.

La identificación del sistema de control óptimo para las emisiones de partículas en el

proceso, compuesto por un ciclón y un filtro de mangas, se realizó evaluando los equipos

que pueden tratar el tipo de emisiones generadas identificando sus eficiencias,

condiciones de operación y requerimientos técnicos, con el fin de garantizar su

rendimiento y posibilidades de instalación en la empresa.

130

Entre la variedad de sistemas de control existentes se seleccionó diseñar un sistema con

tratamiento preliminar y primario, constituido por un ciclón y un filtro de mangas,

garantizando de esta forma una remoción de partículas superior al 99% y el cumplimiento

de la norma de emisión establecida por el Decreto 02 de 1982; de esta manera la

empresa Fundicom S.A. podrá una vez montado el sistema de control, solicitar ante la

Corporación Autónoma Regional CAR, la expedición del permiso de emisiones

atmosféricas.

Los costos estimados del Sistema de Control de Emisiones escogido, es del orden de los

$192.000 dólares, valor considerable para el presupuesto de la empresa, pero que le evita

intervenciones, sanciones y multas por parte de la autoridad ambiental.

Debido a que no siempre los sistemas de captación encontrados en el mercado se

adaptan a las condiciones operativas de cada proceso, debe considerarse variar un poco

las alternativas existentes para lograr una captura eficiente de las partículas sin

obstaculizar actividades del proceso y requerir cambios significativos en las instalaciones

de la empresa.

Es importante garantizar que se mantenga la velocidad mínima dentro de los conductos

para evitar que se presente colmatación de las partículas y garantizar la llegada del gas a

limpiar al sistema de control

131

RECOMENDACIONES

• Una vez instalado el sistema de control, debe evaluarse la posibilidad de un

cerramiento parcial de las puertas laterales a los hornos, con el fin de evitar al

máximo las corrientes de aire y lograr mayor retención de partículas por los

dispositivos de captura.

• Realizar inspección periódica del sistema de conductos existente para los silos de

arena con el fin de evitar la colmatación de partículas por periodos en los que se

suspenda el sistema de succión.

• Verificar la correcta instalación del filtro de Mangas diseñado, la cual debe

realizarse por personal especializado para cumplir con las especificaciones

planteadas en el diseño.

• Realizar inspección quincenal del funcionamiento de los sistemas de control y

programar un mantenimiento preventivo semestral verificando el funcionamiento

de las válvulas, el temporizador de los disparos de aire y el sistema de ventilación

con el fin de garantizar su rendimiento.

• Debe programarse y ejecutarse la reparación de las bandas transportadoras que

por su vibración y/o desgaste generan dispersión de material particulado por la

caída de arena en algunos puntos de la planta.

• Se recomienda realizar un mantenimiento general a los filtros de las granalladoras

y construir los ductos de desfogue a cada una. Por otra parte debe evitarse saturar

las granalladoras con largas jornadas de trabajo y sobrepasando la capacidad de

cada una con el fin de evitar el deterioro de sus componentes.

132

• Los sistemas de recolección del polvo retenido en las tolvas de los filtros deben

desocuparse para evitar el paso de partículas grandes hacia el filtro de mangas y

la saturación de los sistemas con el material recolectado.

• Una vez construido el filtro de mangas, es conveniente realizar un muestreo

isocinético en el ducto de salida para verificar y estandarizar la eficiencia de

recolección de partículas del filtro y corroborar el cumplimiento de la norma de

emisión.

• Es indispensable establecer procedimientos internos con el fin de implementar

buenas prácticas operacionales para el control en la recepción y la inspección de

materia prima y evitar el cargue de material contaminado a los hornos de fusión.

• Debe evaluarse la posibilidad de aprovechar el residuo generado en el filtro de

mangas como abono orgánico o materia prima en otro proceso productivo.

• Garantizar el tiempo de escurrimiento de la viruta que se compacta para forma

briquetas de hierro, ya que es uno de los materiales que genera más emisiones

durante la fusión.

133

BIBLIOGRAFÍA

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del Aire por procesos Industriales. Colombia, 1982. 56-66p

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Canteras y Graveras. Madrid : Entrono Gráfico, 1999. 148 p.

• ASOCIACIÓNCOLOMBIAN DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL,

Seminario internacional Sobre Control de Contaminación Atmosférica. Cali,

Colombia 1989. 502p.

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1976. 647 p.

• DE NEVERS, Noel. Ingeniería de Controlde la Contaminaciónd el Aire. México :

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Contaminación del Aire. (On Line). 6 Ed. [EEUU] : EPA, Junio de 2002. Disponible

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• INSTITUTO COLOMBIANO D ENORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN

ICONTEC. Normas Técnicas Colombianas Sobre Documentación. Tesis y Otros

Trabajos de Grado. 2004 . 34p.

• INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTÍN CODAZZI. Estudios Meteorológicos.

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134

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• MNISTERIO DE SALUD. Decreto 02 de 11 Enero de 1982. 60 p.

• QUINCHÍA, Roberto. Ventilación Industrial. Medellín, INGEAIRE, 1995. 314 p.

• SERWAY, Raymond. Física. Tomo I México. 4° Edición. Mc Graw-Hill. 1997. 645p.

• VIVIES ESCUDERO, José. Instalaciones de Acondicionamiento de Aire. Madrid :

Ed Reverté. 1983. 615 p.

• WOODARD, Mr Kenneth. Documento de Técnicas de Control de Material

Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias. Octubre de 1998.

• w.w.w. epa.gov

• www.diquima.upm.es/investigación/proyectos/chevic/catalogo/CICLONES/PAG8.ht

m

136

ANEXO A FICHAS TECNICAS: PRINCIPALES MATERIAS

PRIMAS E INSUMOS DEL PROCESO DE FUNDICIÓN

137

ANEXO B LISTA DE CHEQUEO

METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN

138

FORMATO PARA RECOLECCIÓN PRELIMINAR DE INFORMACIÓN OBJETIVO Realizar la recolección preliminar de información para identificar el nivel de conocimiento

de la empresa sobre las emisiones atmosféricas que se generan en el proceso, sus

características y sus principales fuentes generación.

INFORMACIÓN GENERAL DE LA EMPRESA

Nombre o Razón Social Actividad industrial: CIIU: Productos principales: Numero de Empleados: Número de Turnos / día: Responsable de la Gestión Ambiental:

LOCALIZACIÓN Municipio: Departamento Coordenadas de Localización: Longitud (GMS): Latitud (GMS): Altura Sobre el Nivel del mar: Dirección: Área del Predio: Área de la Edificación Dedicada a la Actividad Productiva: Indicar la Zona donce se ubica la Empresa: __ Residencial __ Industrial __ Semi-Industrial __ Parque Industrial

__ Zona Franca __ Comercial __ Sub-Urbana __ Rural

Describir Que Rodea a su Empresa: __ Casas Residenciales __ Zonas Agropecuarias __ Monumentos Históricos __ Ríos, Lagunas, Lagos, otros Cuerpos de Agua

__ Empresas de Actividad Industrial o de Servicios __ Reservas Naturales __ Vías de Comunicación __ Otros Especifique:_______________

Observaciones:

139

RECOLECCIÒN DE INFORMACIÓN PRELIMINAR EMISIONES ATMOSFÉRICAS EMPRESA ACTIVIDAD

I. IDENTIFICACIÓN DE FUENTES DE EMISION Pregunta No Mi Pa Su To Observaciones

1. ¿Tiene identificadas en el proceso las fuentes de emisión a la atmósfera?

2. ¿Se han realizado monitoreos a las fuentes de emisión presentes en el proceso?

3. ¿Tienen registros de los monitoreos realizados?

4. ¿Permanecen las mismas operaciones del proceso desde la realización del último monitoreo?

5. ¿Se han realizado mediciones con los cambios que se le han hecho a las operaciones del proceso?

6. ¿Existe algún periodo establecido para realizar muestreos de aire?

7. ¿Cuenta con información del funcionamiento de los hornos de inducción?

8. ¿Se lleva control de la entrada de materias primas e insumos para cada proceso?

II. EQUIPOS DE CONTROL 1. ¿Existen equipos de control para las emisiones del proceso?

2. ¿Existen ductos y/o campanas para la conducción de las emisiones generadas?

3. ¿Se realizan revisiones periódicas del funcionamiento de los equipos de control?

4. ¿Tiene información de las características de los dispositivos de control existentes?

5. ¿Cuentan con información de los ductos existentes?

6. ¿Están funcionando los equipos de control?

7. ¿Se registran las fallas presentadas en el funcionamiento de los equipos de control?

8. ¿La empresa cuenta con personal capacitado para inspeccionar el

140

funcionamiento de ductos y equipos de control? 9. ¿Se supervisa la eficiencia de los sistemas de control existentes?

10. ¿Se consideró algún parámetro de diseño para la selección de los equipos de control existentes?

11. ¿Se realizan mediciones para seleccionar los equipos de control?

III. MEJORAMIENTO AMBIENTAL 1. ¿Se tiene planeado realizar algún estudio de emisiones para este año?

2. ¿La empresa planea cambiar e incluir maquinaria al proceso?

3.¿ Se tiene destinado algún capital para el mejoramiento ambiental de la empresa?

4. ¿Identifica nombres de equipos y/o proveedores para equipos de control de emisiones?

5. ¿Ha hecho cotizaciones para la adquisición de equipos de control?

6. ¿Se ha considerado adquirir nuevos equipos de control?

IV. CUMPLIMIENTO LEGAL 1. ¿La empresa cuenta con permiso de emisiones vigente?

2. ¿Existen requerimientos de la autoridad ambiental para el control de emisiones?

3. ¿Conocen los parámetros que deben cumplir en materia de emisiones?

4. ¿Se han comparado los resultados de los monitoreos con las normas ambientales?

V. ASPECTO SOCIAL 1. ¿Registra posibles quejas o reclamos por parte de la comunidad por culpa de las emisiones del proceso? Se han presentado?

2. ¿Cuenta con concepto de uso del suelo de la localización del predio?

3. ¿Identifica la existencia de enfermedades profesionales de algún funcionario por causa de las emisiones atmosféricas?

141

Criterios de Calificación

• Existen cinco (5) posibles respuestas para cada pregunta. Se elegirá la respuesta que más corresponda a la información disponible en la empresa y al conocimiento actual de los procesos que generan emisiones.

No La empresa no ha considerado el tema o no

tiene información al respecto. Mínimamente Muy pocas características del tema han sido

establecidas e implementadas en la planta. Parcialmente Algunas características del tema han sido

establecidas e implementadas en la planta Sustancialmente Se ha considerado o instalado la mayoría de las

características del tema Totalmente Se considera que la planta aplica a cabalidad

todas las características del tema. Tema: Hace alusión al asunto de que trata la pregunta del cuestionario.

• El cuestionario utiliza un total de 32 preguntas, cada una con un puntaje máximo de 12 puntos. Por cada aspecto a evaluar se tendrá un puntaje máximo de calificación.

No 0 Mínimamente 3 Parcialmente 6 Sustancialmente 9 Totalmente 12

• Se determinará una calificación porcentual con base en los resultados obtenidos al diligenciar la lista de chequeo, para esto se sumará el total de puntos obtenidos en cada aspecto, se divide sobre el puntaje máximo y se multiplica por 100.

ASPECTO PUNTAJE MÁXIMO

I. Identificación de Fuentes de Emisión 96 II. Equipos de Control 132 III. Mejoramiento Ambiental 72 III. Cumplimiento Legal 48 IV. Aspecto Social 36

142

ANEXO C DIAGRAMAS DE FLUJO DEL PROCESO DE

FUNDICIÓN

VACIADO

VACIADO

ZARANDA

ZARANDA

SISTEMA 2

SISTEMA 1PIEZAS

FUNDIDAS

PIEZAS FUNDIDAS


Piezas Terminadas

ESMERILES

MOLINO

SILOS DE ARENA

SHELL


PST

PST

PST

PSTPST

PST PST

PST

HORNO DE INDUCCIÓN

2 TON

HORNO DE INDUCCIÓN

8 TON


180 GAL/MIN


130 GAL/MIN

Vapor de Agua

Vapor de Agua

PST Humos Metálicos


VACIADO

VACIADO

ZARANDA

ZARANDA

SISTEMA 2

SISTEMA 1

PIEZAS FUNDIDAS


Piezas Terminadas

ESMERILES

MOLINO

SILOS DE ARENA

SHELL


PST

PST

PST

PSTPST

PST PST

PST

PIEZAS FUNDIDAS

HORNO DE INDUCCIÓN

2 TON

HORNO DE INDUCCIÓN

8 TON


180 GAL/MIN


130 GAL/MIN

Vapor de Agua

Vapor de Agua



SISTEMAS DE CONTROL EXISTENTES EN EL PROCESO

143

ANEXO D FILTRO DE MANGAS SILOS DE ARENA

0.8 m

0.89m

0.69 m

1.10 m

2.23 m

0.15 m

Angulo de 45ª

0.13 m

ø =1 ½ “

0.11 m

0.06 m

VISTA SUPERIOR

SALIDA DE AIRE FILTRADO

ENTRADA DE AIRE CONTAMINADO

SALIDA DE AIRE FILTRADO

ø =1 ½ “

MANGAS

MODELO IFM-36V-1500SERIE 36 VMANGAS TIPO PLANA 500X1500ÁREA DE FILTRACIÓN 44 m2

CAPACIDAD CFM 5000

144

ANEXO E CARACTERÍSTICAS DE CONDUCTOS EN

SILOS DE ARENA

145

CARACTERÍSTICAS DE CONDUCTOS EN SILOS DE ARENA

Figura Sistema de Conductos Molino de 850 Kg

2.0 m

FILTRO DE MANGAS

4.21 m

3.02 m

MOLINO 850 Kg

0.6 m

Diámetro: 36 cm Longitud Total: 9.83 m Material: Lámina de Acero

146

Figura Sistema de Conductos Molino de 200 Kg p

4.21 m

4.05 m

5.02 m

MOLINO 200 Kg

FILTRO DE MANGAS

0.6 m

Diámetro: 36 cm Longitud Total: 13.88 m Material: Lámina de Acero

147

ANEXO F DISEÑO SISTEMAS DE CAPTACIÓN

148

DISEÑO DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN CAMPANAS DE ASPIRACIÓN Para el diseño del sistema de captación es indispensable tener un conocimiento mínimo

del proceso o de la operación a controlar, ya que de acuerdo con esto, se determinará el

volumen mínimo que debe ser aspirado para que la captación sea efectiva.

De acuerdo con lo anterior la forma de la campana está sujeta al a forma de la fuente y a

las facilidades de su instalación. Para el diseño de la campana se debe calcular en

primera instancia el caudal de aspiración el cual esta dado por las siguientes ecuaciones

de acuerdo con los diferentes tipos de campana existentes:

Tabla Ecuaciones de Diseño para Tipos de Campanas Seleccionadas

TIPO DE CAMPANA ECUACIÓN DE DISEÑO Extremo de conducto (redondo) Q = 4 x2 Uc Extremo de conducto con brida (redondo) Q = 2 x2Uc Campa de ranura sin soporte Q = 2 x L Uc Campana Ahusada Q = 2 x Uc Campa a de cabina conducto de salida ahusado Q = Uf Ah Campa de Toldo (receptoras o pasivas) Q = 1.4 P x Uc Campana de toldo c/inserto Q = 1.4 P x Uc Campana de Tanque hondo Q = 125 At Campana de Cabina de Pintura Q = 100 Ab

Fuente : EPA-CICA (Centro de Información de Calidad del Aire) Q = Razón de flujo aspirado hacia dentro de la campana Uc = Velocidad de Captura de la campana x = Distancia de la Campana a la Fuente L = Ancho de la ranura de la campana Ah = Área de la cara de la campana Uf = Velocidad en la cara de la campana P = Perímetro de la fuente At = Área superficial del tanque Ab = Área de la sección transversal de la cabina

En general Q es función de la Velocidad de Captura (Uc), sin embargo en campanas de

cabina, la velocidad de diseño es la velocidad en la cara de la campana (Uf), en el caso

149

de campanas ranuradas con tiro lateral y con tiro posterior la velocidad de ranura es la

velocidad de diseño.

Luego de determinar la ecuación correspondiente para el tipo de campana selecionado,

debe estimarse la velocidad de captura requerida en el sistema la cual esta determinada

por las caracteristicas de la fuente y la forma de la campana. Según el tipo de campana la

velocidad de diseño será la de captura, de cara o facial y de ranura:

Velocidad de Captura: Es la velocidad del aire inducida por la campana para capturar

los contaminantes emitidos a alguna distancia de la entrada de la campana.

Velocidad de Cara o Facial: Es la velocidad promedio del aire pasanto a traves de la

entrada de la campana (cara).

Velocidad de Ranura: el la velocidad promedo a través de las aberturas de las

ranuras.

Los valores de velocidad de captura seleccionados en los diseños se obtuvieron de las

siguientes tablas:

Tabla Velocidades de Diseño de las Campanas OPERACIÓN/ TIPO DE

CAMPANA TIPO DE

VELOCIDAD RANGO DE VELOCIDAD

(M/S) Tanques, Desengradado Captura 0.25 – 0.50 Horno de Secado Facial 0.38 – 0.64 Cabina de Aspersión Captura 0.51 – 1.02 Cabina de Toldo Captura 1.02 – 2.54 Esmerilado, limpieza Abrasiva Captura 2.54 – 10.16 Campana de Ranura Fanura 10.16

Fuente EPA-CICA (Centro de Información de Calidad del Aire)

Por otra parte, cuando se cuenta con mayor información de la fuente y la dispersión de los

contaminantes, la velocidad se puede estimar según la siguiente Tabla:

150

Tabla Valores Recomendados para Velocidades de Captura CONDICIONES DE DISPERSIÓN DEL CONTAMINANTE

EJEMPLO VELOCIDAD DE CAPTURA (m/s)

Liberación con valocida nula y aire quieto

Evaporaciónde tanques, desengrase

0.25 – 0.5

Liberación con baja velocidad en aire con movimiento moderado

Soldadura, baños electrolíticos decapado, cabinas de pintura, transferencia entre cintas transportadoras a baja velocidad.

0.5 – 1

Generación activa en una zona de rápido movimiento de aire

Cabinas de pintura poco profundas, llenado de barriles, carga de cintas trasnportadoras, trituradoras

1 – 2.5

Liberación a alta velociad dinicial en zona de movimiento de aire muy rápido

Desmoldado en fundidoras, Esmerilado 2.5 – 10

Fuente Ventilación Industrial, Quinchía Roberto 1995.

En este caso para seleccionar el intervalo mayor o menor se deben tener en cuenta los

siguientes criterios:

INTERVALO MAYOR: Si existen corrientes de aire en el local, contaminación de baja

toxicidad, operaciones intermitentes, campanas grandes y caudales altos.

INTERVALO MENOR: Corrientes Turbulentas en el local, contaminantes de alta toxicidad,

operaciones continuas, campanas de pequeño tamaño.

En el momento que el gas es capturado por la campana, se genera una pérdida de

energía mecánica debido a la fricción. Este factor de pérdida de la campana varía según

la forma de la campana; su variación puede ser desde 0.04 para campanas receptoras

hasta 1.78 para campanas ranuradas.

Las pérdidas de carga a las entrada se obtuvieron como se muestra a continuación según

el ángulo seleccionado para la campana.

151

Tabla Pérdidas de Carga a la Entrada de las Campanas

PERDIDAS A LA ENTRADA COEFICIENTE DE ENTRADA ANGULO CIRCULAR RECTANGULAR CIRCULAR RECTANGULAR

15° 0.15 PV 0.25 PV 0.93 PV 0.89 PV 30° 0.08 PV 0.16 PV 0.96 PV 0.93 PV 45° 0.06 PV 0.15 PV 0.97 PV 0.93 PV 60° 0.08 PV 0.17 PV 0.96 PV 0.93 PV 90° 0.15 PV 0.25 PV 0.93 PV 0.89 PV

120° 0.26 PV 0.35 PV 0.89 PV 0.86 PV 150° 0.4 PV 0.48 PV 0.84 PV 0.82 PV

Fuente Ventilación, Quinchía Roberto 1995

152

DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCIÓN

SISTEMAS DE CONDUCCIÓN Uno de los parámetros importantes en el diseño de los conductos es la velocidad mínima

de transporte la cual se obtuvo de acuerdo con el tipo de emisión que se genera. Los

valores recomendados se muestran en la siguiente Tabla:

Tabla Velocidad Mínima en el Conducto para Materiales Selectos.

MATERIAL VELOCIDAD DE TRANSPORTE MÍNIMA (m/s)

Polvo de Aluminio 20.32 Polvo de Taladrar Hierro Fundido 20.32 Polvo de Arcilla 17.78 Polvo de Carbón (Pulverizado) 20.32 Polvo de granos 12.7 – 15.24 Polvo de Plomo 20.32 Polvo de Caliza 17.78 Polvo de Magnesio (grueso) 20.32 Rebabas de Metal 20.32-25.4 Polvo de Sílice 17.78-22.86 Polvo de almidón 15.24 Polvo de Piedra 17.78 Fuente : EPA-CICA (Centro de Información de Calidad del Aire)

Para determinar el tipo de conducto que transportará las emisiones hasta el sistema de

tratamiento, debe tenerse en cuenta el tipo de sustancia como se muestra a continuación:

Tabla Clasificación del Sistema de Extracción

CLASE PRESTACIÓN CARACTERÍSTICAS I Baja Aplicaciones no Abrasivas II Media Partículas moderadamente Abrasivas a bajas

concentraciones III Alta Partículas altamente abrasivas a bajas concentraciones IV Muy Alta Partículas altamente abrasivas a concentraciones

elevadas. Fuente: Ventilación Industrial, Quinchía Roberto 1995

153

CALCULOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE CONDUCCIÓN

Las conducciones de aire no siempre se componen de tramos rectilíneos sino que a

menudo se presentan accidentes en su trayectoria que obligan al uso de codos,

desviaciones, entradas, salidas, obstáculos, etc. Elementos que ofrecen resistencia al

paso del aire provocando pérdidas de carga. Para conocer la resistencia total de un

sistema de conductos es necesario calcular las pérdidas de cada uno de tales accidentes

y sumarlas a las de los tramos rectos. Estas perdidas de energía pueden calcularse como

fracciones de la Presión de Velocidad VP utilizando el método de Presión Dinámica como

se muestra a continuación.

PARÁMETROS DE DISEÑO SISTEMA DE CONDUCCIÓN

1. Determinación del Caudal de Aire

El caudal de diseño será el calculado para el sistema de captación, depende de la forma de la fuente, la velocidad de captura seleccionada y la distancia del sistema de captura a la fuente.

2. Velocidad Mínima de Transporte.

Es la velocidad mas baja que puede estimarse para el transporte de los gases residuales dentro del conducto, esta varia según el tipo de emisión que se va a conducir.

3. Área Teórica del Ducto Es el resultado obtenido de dividir el caudal y la velocidad mínima de transporte

4. Diámetro del Ducto Es el valor obtenido con el área teórica y la formula matemática correspondiente con la forma del conducto

5. Diámetro Real de Diseño Es la aproximación del diámetro teórico a medidas de construcción.

6. Área de Diseño Es el área calculada con el diámetro real de diseño

7. Presión de Velocidad en el Ducto

Se determina a través de las siguiente fórmula:

2

4005⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

VPV (Velocidad en ft/min)

8. Factor de pérdida a la Entrada del Ducto

Se obtiene a partir de la perdida de carga según el tipo de campana

9. Factor de Aceleración Permite garantizar el empuje del contaminante al interior de la campana (1 PV)

10 Pérdida a la entrada del ducto en PV

Es el resultado de sumar las perdidas a la entrada del ducto y el factor de aceleración

154

11 Perdida a la Entrada del Ducto en mmcda

Es el producto de las perdidas a la entrada del ducto (10) y la presión de velocidad calculada (7)

12 Otras pérdidas Son las perdidas generadas por accesorios ubicados en las campanas

13 Presión Estática en la campanaEs la sumatoria de las perdidas en la entrada del ducto y los accesorios de la campana

14 Longitud del Tramo Recto Es la longitud de los tramos de acuerdo con el sistema de conducción seleccionado.

15 Factor de Pérdida Hf

Es el calculo de las perdidas por fricción dado cada 100 ft de tubería recta. Se obtiene con la formula:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 612.0

533.0

037.0QVHf

16 Pérdidas por fricción en el ducto

Se obtienen del producto entre la longitud del tramo y el factor de perdida obtenido (15)

17 Pérdidas por Codos Es la sumatoria de las perdidas ocasionadas por lo codos presentes en el ramal.

18 Número de Entradas Es el numero de tramos que entran al ramal evaluado

19 Pérdidas a la entrada en PV Es el valor obtenido de acuerdo con el ángulo del sistema de captación seleccionado

20 Factor de Pérdida por accesorios especiales

Es el valor de las perdidas generadas por contracc +iones o expansiones en el sistema de conducción.

21 Pérdidas en el ducto en PV

Es la sumatoria de las perdidas por fricción en el ducto (16), las perdidas por codos (17), las perdidas a la entrada (19) y las perdidas por accesorios especiales (21)

22 Pérdida en el ducto en mm cdaEs el producto de la sumatoria de las perdidas y la presión de velocidad en el ducto (7)

23 Presión Estática en el Tramo Es la sumatoria de la presión estática en la campana (13) y la presión estatica en los ductos (22)

24 Presión Estática que Gobierna Es la presión estática obtenida en el ducto que posee las mayores pérdidas

25 Presión Estática acumulada (mmcda)

Es el valor correspondiente a cada uno de los tramos.

155

Correcciones

De acuerdo con los cálculos de las perdidas obtenidos, debe establecerse el porcentaje

de diferencia entre las presiones estáticas de los ramales que se unen aplicando la

siguiente fórmula:

100% xPEmayor

PEmenorPEmayorDiferencia −=

este valor debe identificarse en el cuadro que corresponde al conducto con mayores

pérdidas, el valor del porcentaje define la alternativa seleccionada para hacer la

corrección del Caudal requerida:

CORRECCIONES % Diferencia ≥ 5% No requiere corrección

% Diferencia > 5% hasta 20%

Corregir el Flujo en el ducto con menores perdidas par incrementar le velocidad de transporte y por lo tanto las pérdidas en el tramo. El Nuevo Caudal se obtiene con la fórmula:

PEmenorPEmayorrdidasQMenorespeQcorregio =

% Diferencia > 20%

Se requiere disminuir el diámetro del tramo que posee las menores perdidas par disminuir el área del ducto e incrementar la velocidad aumentando las pérdidas. Debe utilizarse la siguiente ecuación:

2.0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

PEmayorPEmenorrdidasDMenorespeDcorregido

Corrección de la Velocidad de Transporte

Al realizar variaciones en el caudal o el diámetro en algún tramo, debe calcularse la nueva velocidad resultante

156

Corrección de la Presión Estática Debe calcularse para el tramo que tuvo la variación del caudal o del diámetro

Presión de Velocidad Resultante (PVr)

Si la presión de velocidad en el tramo rectos es mayor que la presión de velocidad en los tramos balanceados, se requiere una presión estática adicional para producir un aumento en la velocidad de transporte con la siguiente ecuación:

2

21

21

)(043.4 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=

AAQQPVr

157

ANEXO G ESQUEMAS DE DISEÑO DE LOS

SISTEMAS DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN SELECCIONADOS

SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN DE EMISIONES DE DESMOLDEO

DISEÑO DE ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS PARA EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA

EMPRESA FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA

MONICA HERNÁNDEZ LOZANOARNOLDO A. MESTRE T.

CICLON

FILTRO DE MANGAS

SISTEMA DE CONTROL DE EMISIONES DE HORNOS DE FUSION Y DESMOLDEO

SELECCIÓN Y DISEÑO DE MECANISMOS DE ONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS PARA EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE

LA EMPRESA FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA


1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.7

1.6

HORNOS 8 TON

HORNOS 2 TON

1.8

1.9 CICLON

FILTRO DE MANGAS

SISTEMA DE CAPTACIÓN Y CONDUCCIÓN DE EMISIONES DE DESMOLDEO

DISEÑO DE ALTERNATIVAS DE CONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS PARA EL PROCESO DE FUNDICIÓN DE LA

EMPRESA FUNDICOM S.A. MOSQUERA-CUNDINAMARCA


HORNO 8 TONELADAS

2.5 m

2.5 m

HORNO DE INDUCCIÓN

2 TON

VACIADO

VACIADO

HORNO DE INDUCCIÓN

8 TON


180 GAL/MIN

ZARANDA

ZARANDA

SISTEMA 2

SISTEMA 1

PIEZAS FUNDIDAS


Piezas Terminadas

ESMERILES

MOLINO

SHELL



130 GAL/MIN

PSTPST

PST PST

PST

Vapor de Agua

Vapor de Agua

PIEZAS FUNDIDAS

MOLINO

SILOS DE ARENAPST

PST

PST

FILTRO DE MANGASCICLÓN

SISTEMAS DE CONTROL PROPUESTOS PARA EL PROCESO

158

ANEXO H ESQUEMAS DE DISEÑO FILTRO DE

MANGAS

FILTRO DE MANGAS


10.56 m

3.52 m

1.6 m

No. Mangas 510 Potencia: 60 HP Área de Filtración 719 m2

VENTILADOR

AIRE LIMPIO

PRETRATEMIENTO

SALIDA DEL GAS

TORNILLO SIN FIN RECOLECCION DE POLVO

SISTEMA DISEÑADO PARA FUNDICOM S.A.


159

ANEXO I DISEÑO DE FILTRO DE MANGAS

160

DISEÑO DE FILTRO DE MANGAS

Relación Gas a Tela (G/T)

La relación gas a tela (G/T) es una consideración de diseño importante para los

mecanismos de recolección de partículas por filtración. Determina la relación de la

velocidad de flujo volumétrico del gas por unidad de superficie filtrante, también se le

refiere como la velocidad del frente. En general, a medida que la velocidad del frente

aumenta, la eficiencia de la recolección por impacción aumenta y la eficiencia de

recolección difusional disminuye. Las velocidades de superficie más altas permiten el uso

de filtro de telas más pequeños, siempre que todo lo demás permanezca constante. Sin

embargo, a medida que la velocidad del frente aumenta, hay un aumento de caída de

presión, un aumento de la penetración de las partículas, una mayor cobertura de la tela,

una limpieza más frecuente y una vida reducida de las bolsas. 23

Para filtros de mangas tipo Pulse Jet, existe un método de cálculo de la relación Gas a

Tela, a través de una ecuación integral que representa temperatura, el tamaño de las

partículas, y la carga de polvo:

)0853.07471.0(878.2 06021.02335.0 LnDxLxAxBxTV += −− 24

Los factores seleccionados corresponden a residuos del agitado en fundiciones y Arena

para el Factor del Material y Secadoras por Aspersión, hornos para el Factor de

Aplicación como se muestra a continuación en la Tabla 1:

23 Documento de Técnicas de Control de Materia Particulada Fina Proveniente de Fuentes Estacionarias 24 EPA, Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas p 1-23

161

Tabla Factores para las Relaciones de Gas a Tela en Jet Pulse

A Factor del Material 15 12 10 90 60

Mezcla para Pastel

Asbesto Carbón Negro fertilizando Carbon Activado

Polvo de Cartón Polvo para pulido

Cemento Pastel Carbón Negro

Cacao Material fibroso u celulósico

Pigmentos de Cerámica

Petroquímicos Secos

Detergentes

Alimentos Residuo del agitado en fundiciones

Polvos de Arcilla y de ladrillo

Tintas Humos y otros productos dispersados directos de las reacciones

Harina Yeso Carbón Polvo Metálico Leche en Polvo Grano Cal (hidratada) Caolina Óxidos

Metálicos Jabón

Polvo de Piel Perlita Piedra Caliza Pigmentos Metálicos y Sintéticos

Aserrín Químicos de hule

Sílice Resinas

Tabaco Arena Polvo de Roca y minerales

Plásticos

Carbonato de Sodio

Azúcar

B Factor de Aplicación Ventilación de Emisiones Molestas (insidiosas) Alivio de los puntos de transferencia, transportadores, estaciones de embalaje.

1.0

Recolección de Producto fgTransporte Ventilación del aire, molinos, secadores relámpago

0.9

Filtración de Gas de Proceso Secadoras por aspersión, hornos, reactores 0.8 Fuente EPA – CICA Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas

La Concentración de Entrada (L) se obtuvo con el siguiente cálculo:

Emisión de partículas para Desmoldeo y Hornos = 147.97 Kg PST/dia

Caudal de salida del gas = 32.6 m3/s

Concentración Total (Sin control) = 0.052 g/ m3

Concentración de partículas después del ciclón = 0.009 gr/m3

162

En este caso el valor obtenido es menor de 0.05 gramos por pie cúbicos, debe usarse L =

0.05; si la carga de polvo es mayor de 100 gramos por pie cúbico, debe usarse L = 100. 25

Relación Diámetro / Longitud de Mangas: esta relación define la mayor longitud

aceptable para una manga, con el fin de asegurar que la limpieza sea efectiva. Se

obtiene dividiendo la longitud por el diámetro y en ningún caso debe exceder el

valor de 25.

25 EPA – CICA Sección 6 “Controles de Material Particulado” Capítulo 1 Filtros y casas de Bolsas

163

ANEXO J CARACTERISTICAS DEL VENTILADOR

164

CÁLCULO DE POTENCIA PARA EL VENTILADOR

Se presentan a continuación los datos de cálculo de la potencia del ventilador

requerida para el Sistema de Control diseñado:

• ∆P Ciclón = 9.29 in de H2O

• ∆P Estructura de Filtro de Mangas = 2 in de H2O

• ∆P Filtro de Mangas = 4.03 in de H2O

• ∆P Total =15.32 in de H2O = 3830 Pa

Fuerza requerida en el Sistema: se obtiene multiplicando la presión total por el

área efectiva de las mangas como se muestra a continuación:

F = 3830 Pa x 0.45 m2

F = 1723.5 Newton

Potencia requerida: se obtiene del producto de la fuerza total con la velocidad de

entrada del flujo de gas:

P = 1723.5 N x 22 m/s

P =37917 Watts = 50.82 HP ≈ 51 HP

Finalmente, con un factor de seguridad de un 20% aproximadamente, se define

como potencia requerida para el ventilador de 60 Hp.

165

VENTILADOR CENTRÍFUGO

El ventilador centrífugo es una máquina de flujo radial que produce la presión necesaria

para desplazar un gas por la fuerza centrífuga acumulada dentro de la carcasa del

ventilador. El diseño de la pala tiene una influencia primordial sobre el rendimiento.

Este tipo de ventilador se utiliza normalmente para trabajos de ventilación que requieren

una presión de suministro algo mayor que la que pueden dar los ventiladores axiales.

Dentro del Sistema diseñado, el ventilador es una bomba de aire, su selección se debe

basar en al diseño de la presión y volumen requerido para el proceso. Cuando el sistema

de ventilación a cambio para ajustarse a una mayor producción, se requieren diferentes

necesidades de ventilación o cambios en el flujo de aire.

Recomendaciones 26

• Verificar la condición mecánica del ventilador

• Programar el mantenimiento necesario para garantizar el flujo de aire

• Verificar que las bandas de transmisión no estén sueltas ni fuera de

alineamiento.

• Mantener el ventilador limpio ya que una pequeña capa de grasa o polvo en

la superficie puede reducir su eficiencia

• Verificar el funcionamiento de otras partes del sistema como controles o

compuertas.

26 Seminario de BHA Internacional, Inc. Mantenimiento de equipo de control de Contaminación Ambiental

selección y diseño de un sistema de control para las

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