UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTADDE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
“EMPLEO DE UN MODELO GAUSSIANO PARA ESTIMAR LAS
CONCENTRACIONES MÁXIMAS A NIVEL DEL SUELO DE CO,
NOX, PM10 Y SO2 EMITIDAS POR LAS CHIMENEAS DE LOS
CALDEROS 17 Y 20 DE LA EMPRESA CARTAVIO S.A.A. – 2014”
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
PARA OPTAR ELTÍTULO DE:
INGENIERO AMBIENTAL
AUTOR(ES):
Br. MAURICIO MELENDEZ, JORGE ELEODORO
Br. MURGA VALDEZ, LEIDY JULISSA
ASESOR:
Dr. MONCADA ALBITRES, LUIS
Trujillo 2015
Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/
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I
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTADDE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
“EMPLEO DE UN MODELO GAUSSIANO PARA ESTIMAR LAS
CONCENTRACIONES MÁXIMAS A NIVEL DEL SUELO CO, NOX,
PM10 Y SO2 EMITIDAS POR LAS CHIMENEAS DE LOS CALDEROS
17 Y 20 DE LA EMPRESA CARTAVIO S.A.A. – 2014”
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
PARA OPTAR ELTÍTULO DE:
INGENIERO AMBIENTAL
AUTOR(ES):
Br. MAURICIO MELENDEZ, JORGE ELEODORO
Br. MURGA VALDEZ, LEIDY JULISSA
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Dr. MONCADA ALBITRES, LUIS
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II
JURADO CALIFICADOR
Dr. Manuel Vera Herrera
Mg. Walter Moreno Eustaquio
Dr. Luis Moncada Albitres
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III
DEDICATORIA
A mi madre por siempre estar a mi lado y ser
mi impulso día a día de seguir adelante. A mis
hermanos por ser mis ejemplos a seguir y apoyarme
incondicionalmente. A mi padre que siempre confió en
mí y que ahora desde el cielo me guía.
Leidy Murga Valdez
A todos los amigos que brindaron su apoyo
incondicional para la culminación de este proyecto. A
mi familia por siempre confiar en mí y darme su apoyo
en cada momento. A mis padres por la confianza
depositada en mí, su apoyo incondicional y su a aliento
en cada momento de mi vida.
Jorge Mauricio Meléndez
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IV
AGRADECIMIENTOS
Expresamos nuestro agradecimiento a los docentes de la escuela académico
profesional de Ingeniería Ambiental por haber sido una guía y base en nuestra formación
como futuros ingenieros ambientales. A nuestra alma mater la Universidad Nacional de
Trujillo que nos vio crecer profesionalmente y de la cual siempre estaremos orgullosos de
pertenecer.
En especial a nuestro asesor Dr. Luis Moncada Albitres por su apoyo, conocimientos,
sugerencias y consejos brindados; que hicieron posible la culminación del presente trabajo.
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V
ÍNDICE
DEDICATORIA………………………………………………………………………. III
AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………...IV
RESUMEN……………………………………………………………………………..VI
ABSTRACT…………………………………………………………………………...VII
I. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………. 1
1.1 Antecedentes………………………………………………………………... 2
1.2 Formulación del problema………………………………………………….. 5
1.3 Hipótesis…………………………………………………………………….. 5
1.4 Objetivos………………………………………………………………......... 5
1.4.1 Objetivo General……………………………………………………… 5
1.4.2 Objetivos Específicos……………………………………………........ 6
1.5 Importancia…………………………………………………………………. 6
II. REVISIÓN DE LA LITERATURA…………………………………………….. 8
2.1 Caracterización de la contaminación atmosférica en la zona de estudio........ 8
2.1.1 Fuentes fijas…………………………………………………………… 8
2.1.2 Fuentes móviles……………………………………………………….. 8
2.2 Descripción de los principales contaminantes del aire en la zona de estudio.. 9
2.2.1 Dióxido de azufre……………………………………………………... 9
2.2.2 Óxidos de nitrógeno…………………………………………………. 11
2.2.3 Monóxido de carbono……………………………………………….. 12
2.2.4 Material particulado (PM10) …………………………………….…... 13
2.3 Contaminación…………………………………………………………….. 15
2.3.1 Contaminación atmosférica…………………………………………. 15
2.3.2 Clases de contaminantes atmosféricas………………………………. 16
2.3.3 Contaminantes gaseosos…………………………………………….. 17
2.3.4 Efectos de los gases de la atmósfera en el clima……………………. 18
2.3.5 Efectos nocivos para la salud……………………………………….. 19
2.4 Dispersión atmosférica……………………………………………………. 20
2.4.1 Escalas de contaminación atmosférica……………………………… 20
2.4.2 Sistema de modelación de la dispersión atmosférica……………….. 21
2.4.3 Modelos de difusión y/o dispersión atmosférica……………………. 22
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VI
2.4.4 Modelo de dispersión gaussiano……………………………………. 24
2.4.5 Tipos de plumas contaminantes…………………………………….. 30
2.5 Graficación espacial de la contaminación atmosférica…………………… 36
2.5.1 Técnica de la interpolación espacial………………………………… 36
2.5.2 Técnica de los modelos de dispersión atmosférica…………………. 38
2.5.3 SCREEN3…………………………………………………………… 39
2.6 Evaluación de cumplimiento de ECAs……………………………………. 41
2.6.1 Normas de calidad del aire………………………………………….. 41
III. METODOLOGÍA DE TRABAJO……………………………………………... 42
3.1 Materiales………………………………………………………………….. 42
3.1.1 Descripción del área de estudio……………………………………... 42
3.1.2 Medio geofísico……………………………………………………... 43
3.1.3 Información ambiental y cartográfica de la zona de estudio………... 44
3.1.4 Programas, protocolos, guías y equipos…………………………...…. 45
3.2 Metodología……………………………………………………………….. 46
3.2.1 Identificación de los factores de dispersión atmosférica……………. 46
3.2.2 Determinación de la dispersión atmosférica para los contaminantes... 51
a. Etapa de implementación de la base de datos……………………. 52
b. Etapa de procesamiento de los datos de entrada…………………. 57
c. Etapa de post procesamiento……………………………………... 60
3.2.3 Ingreso de datos al SCREEN3……………………………………… 61
a. Inputs………………………………………………………….... 61
b. Options…………………………………………………………. 63
c. Run……………………………………………………………... 70
d. Output………………………………………………………….. 70
IV. RESULTADOS…………………..……………………………………………. 71
4.1 Máximas concentraciones a nivel del suelo……………………………….. 71
4.1.1 Máxima concentración del CO……………………………………... 71
4.1.2 Máxima concentración del NOX……………………………………. 72
4.1.3 Máxima concentración del PM10…………………………………… 73
4.1.4 Máxima concentración del SO2…………………………………….. 74
4.2 Perfiles de concentración máxima a nivel del suelo………………………. 75
4.2.1 Perfil de concentración del contaminante CO……………………… 76
4.2.2 Perfil de concentración del contaminante NOX……………………. 77
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VII
4.2.3 Perfil de concentración del contaminante PM10…………………… 78
4.2.4 Perfil de concentración del contaminante SO2……………………... 79
4.3 Mapas de isolíneas de máxima concentración a nivel del suelo…………… 80
4.3.1 Isolíneas de máxima concentración a nivel del suelo de CO………… 80
4.3.2 Isolíneas de máxima concentración a nivel del suelo de NOX……… 83
4.3.3 Isolíneas de máxima concentración a nivel del suelo de PM10……….86
4.3.4 Isolíneas de máxima concentración a nivel del suelo de SO2……….. 89
4.4 Influencia en la calidad del aire de los colindantes a la empresa Cartavio
S.A.A…………………………………………………………………….... 90
V. DISCUSIONES …………………………………………………………….…... 92
VI. CONCLUSIONES……………………………………………………………... 94
VII. RECOMENDACIONES………………………………………………………. 95
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………… 96
IX. ANEXOS……………………………………………………………………….. 99
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VIII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla N°1. Escalas de movimiento atmosférico……………………………………. 21
Tabla N°2. Direcciones de la rosa de vientos ………………………………………. 47
Tabla N°3. Información de las fuentes de emisión………………………………….. 53
Tabla N°4. Información adicional de las fuentes de emisión……………………….. 54
Tabla N°5. Escalas de la contaminación atmosférica……………………………….. 54
Tabla N°6. Elevación del terreno respecto a distancias discretas…………………………..55
Tabla N°7. Elevación del terreno respecto a distancias automáticas……………… 56
Tabla N°8. Perfil de concentración del CO…………………………………………. 71
Tabla N°9. Perfil de concentración del NOX………………………………...…………72
Tabla N°10. Perfil de concentración del PM10......……………………………………...73
Tabla N°11. Perfil de concentración del SO2………………………………………......74
Tabla Nº12.Factor para obtener la concentración máxima para un tiempo dado...75
Tabla N°13.Resultados de monitoreos para el caldero 17…………………...………. 102
Tabla N°14.Resultados de monitoreos para el caldero 20…………………...………. 103
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IX
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura N°01. Tamaño típico de partículas…………………………………………………… 14
Figura N°02. Distribución típica del tamaño de partículas por masa en calderas bagaceras… 15
Figura N°03. Sistema de modelación simple de la calidad del aire…………………. 21
Figura N°04: Sistema de modelación detallado de la dispersión atmosférica………. 22
Figura N°05. Representación espacial de la dispersión atmosférica………………… 25
Figura N°06. Reflexión de la pluma contaminante en el suelo……………………… 27
Figura N°07. Comportamiento de las plumas contaminantes……………………………….. 33
Figura N°08. Plano de ubicación de la empresa Cartavio S.A.A……………………………. 43
Figura N°09. Rosa de viento del 1° monitoreo……………………………………………… 48
Figura N°10. Rosa de viento del 2° monitoreo……………………………………………… 49
Figura N°11. Rosa de viento del 3° monitoreo……………………………………………… 49
Figura N°12. Rosa de viento del 4° monitoreo……………………………………………… 50
Figura N°13. Rosa de viento del 5° monitoreo……………………………………………… 50
Figura N°14. Rosa de viento del 6° monitoreo……………………………………………… 51
Figura N°15. Esquema de las clases de terreno en la modelación de la dispersión atmosférica
gaussiana, según SCREEN3…………………………………………………………………. 57
Figura N°16. Esquema de las clases de terreno simple en la modelación de la dispersión
atmosférica gaussiana, según SCREEN3……………………………………………………. 58
Figura N°17. Selección e ingreso de parámetros (inputs) para el estudio…………………… 61
Figura N°18. Selección e ingreso de parámetros (options) para el estudio…………………. 63
Figura N°19. Efecto downwash de la pluma de una chimenea……………………………… 64
Figura N°20. Pestaña de meteorología, selección de opciones……………………………… 65
Figura N°21. Pestaña de Terreno Complejo, ingreso de datos……………………………… 67
Figura N°22. Pestaña de distancias automáticas, ingreso de datos………………………….. 68
Figura N°23. Pestaña de distancias discretas, ingreso de datos……………………………... 68
Figura N°24. Pestaña Downwash…………………………………………………………… 69
Figura N°25. Pestaña Fumigation…………………………………………………………… 69
Figura N°26. Puesta en marcha de la simulación y verificación del correcto ingreso de datos 70
Figura N°27. Reporte con todos los resultados proporcionados el SCREEN3……………… 70
Figura N°28. Perfil de concentración de CO comparado con ECA a 1 hora………….....… 75
Figura N°29. Perfil de concentración de CO comparado con ECA a 8 horas……………… 75
Figura N°30. Perfil de concentración de NOX comparado con ECA a 1 hora………………. 76
Figura N°31. Perfil de concentración de NOX comparado con ECA anual…………………. 76
Figura N°32. Perfil de concentración de PM10 comparado con ECA a 24 horas……………… 78
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X
Figura N°33. Perfil de concentración de PM10 comparado con ECA anual…………………… 78
Figura N°34. Perfil de concentración de SO2 comparado con ECA a 24 horas……………… 78
Figura N°35. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo, del 1º Monitoreo a 1
hora…………………………………………………………………………………………… 80
Figura N°36. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo, del 1º Monitoreo a 8
horas………………………………………………………………………………………….. 81
Figura N°37. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo, del 4º Monitoreo a 1
hora…………………………………………………………………………………………… 81
Figura N°38. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo, del 4º Monitoreo a 8
horas…………………………………………………………………………………………. 82
Figura N°39. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones a 1 hora………………………………………………………………………… 82
Figura N°40. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones a 8 horas……………………………………………………………………….. 83
Figura N°41. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo, del 1º Monitoreo a 1
hora………………………………………………………………………………………….. 83
Figura N°42. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo, del 1º Monitoreo
anual………………………………………………………………………………………… 84
Figura N°43. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo, del 4º Monitoreo a 1
hora………………………………………………………………………………………….. 84
Figura N°44. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo, del 4º Monitoreo
anual…………………………………………………………………………………………. 85
Figura N°45. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones a 1 hora………………………………………………………………………… 85
Figura N°46. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones a anual…………………………………………………………………………. 86
Figura N°47. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo, del 1º Monitoreo a 24
horas…………………………………………………………………………………………. 86
Figura N°48. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo, del 1º Monitoreo
anual…………………………………………………………………………………………. 87
Figura N°49. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo, del 4º Monitoreo a 24
horas…………………………………………………………………………………………. 87
Figura N°50. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo, del 4º Monitoreo
anual…………………………………………………………………………………………. 88
Figura N°51. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones a 24 horas………………………………………………………………………. 88
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XI
Figura N°52. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones anual…………………………………………………………………………… 89
Figura N°53. Isolíneas de máxima concentración de SO2 a nivel del suelo, del 1º Monitoreo a 24
horas…………………………………………………………………………………………. 89
Figura N°54. Isolíneas de máxima concentración de SO2 a nivel del suelo, de las Peores
Condiciones a 24 horas……………………………………………………………………… 90
Figura N°55. Sector El Ingenio……………………………………………………………... 99
Figura N°56. Sector Santa Rosa…………………………………………………………….. 99
Figura N°57. Sector Santa Elena…………………………………………………………....... 100
Figura N°58. Sector Cartavio Antiguo……………………………………………………….. 100
Figura N°59. Sector Techo Propio………………………………………………………….… 101
Figura N°60. Sector Señor de los Milagros…………………………………………………… 101
Figura N°61. Sector Portada de Chiquitoy………………………………………………….. 102
Figura N°62. Sector Leoncio Prado…………………………………………………………… 102
Figura N°63. Perfil de suelo del área de estudio……………………………………………... 103
Figura N°64. Plano topográfico de campos de Cartavio S.A.A………………………..…….. 108
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XII
RESUMEN
En la presente investigación se utilizó el modelo gaussiano SCREEN3 para
simular la dispersión atmosférica de los contaminantes CO, NOX, PM10 y SO2 emitidos
por las chimeneas de los Calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A. durante los años
2013, 2014 y 2015; se emplearon los programas y metodologías avaladas por la USEPA.
La modelación gaussiana se realizó usando los datos obtenidos en los Monitoreos
Ambientales de la empresa Cartavio S.A.A., obtenidos directamente en las fuentes
puntales. Los resultados fueron obtenidos siguiendo los protocolos avalados por la
USEPA para los monitoreos de emisiones de fuentes puntuales, Método isocinético y
USEPA 5.
Los resultados de la modelación gaussiana muestran la incidencia de las emisiones
de las chimeneas de los Calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A. en sus
colindantes, sectores de la ciudad de Cartavio, sector El Ingenio y campos agrícolas al
Norte. Se concluye que la empresa Cartavio S.A.A. ha mejorado su desempeño ambiental,
al disminuir sus emisiones y por ende su impacto sobre la Calidad del Aire de sus
colindantes, cabe resaltar que actualmente sus emisiones no sobrepasarían los ECAs,
según los escasos datos analizados. Asimismo, cabe indicar que siempre existe la
probabilidad de un escenario adverso de condiciones meteorológicas y operaciones, por
lo cual se sugiere establecer un monitoreo continuo de sus emisiones para poder garantizar
su buen desempeño ambiental y controlar oportunamente cualquier incidente que pudiese
sobrevenir.
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XIII
ABSTRACT
SCREEN3 the Gaussian model was used in this research to simulate the
atmospheric dispersion of pollutants: CO, NOX, PM10 and SO2, emitted from the boiler´s
chimneys 17 and 20 of Cartavio S.A.A. Company since 2013 to 2015. We used programs
and methodologies supported by the USEPA.
The Gaussian modeling used data from Cartavio S.A.A. Company’s
environmental monitors, obtained directly from the point sources. The results were
obtained following the protocols supported by the USEPA for monitoring emissions from
point sources, isokinetic and USEPA Method 5.
The results of the Gaussian modeling show the impact of emissions from boiler’s
chimneys 17 and 20 of Cartavio S.A.A. Company in adjacent sectors from Cartavio’s city,
El Ingenio sector and farmland to the north. We concluded that Cartavio S.A.A. Company
has improved its environmental performance by reducing their emissions and thus their
impact on air quality of its surrounding, it should be noted that currently emissions would
not exceed the AQS (Air Quality Standard), according to the few data analyzed. It is also
important to note that there is always the chance of an adverse scenario of weather
conditions and operations, so it is suggested a continuous emissions monitoring to ensure
good environmental performance and to control any incident that might occur.
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1
I. INTRODUCCIÓN
La dispersión atmosférica es el proceso de transporte de gases o partículas por el
viento y la turbulencia atmosférica (NEVERS, 2000). La cual está directamente
relacionada con la contaminación del aire.
La contaminación del aire es el cambio en las características físicas, químicas o
biológicas del aire ocasionado por la presencia de sustancias, que cuando están presentes
en ella afectan de manera adversa a los humanos y demás seres vivos; dañan materiales o
interfieren con el disfrute de la vida y el uso de propiedades (BENRY, 1999). Dichas
sustancias contaminantes del aire son originados principalmente por actividades
antrópicas, tales como los ingenios azucareros, cuyas chimeneas emiten a la atmósfera
continuamente gases y partículas.
En la ciudad de Cartavio ubicada en la margen izquierda del río Chicama, en el
distrito de Santiago de Cao, provincia de Ascope, departamento de La Libertad,
aproximadamente a 33 km al norte de la ciudad de Trujillo, se encuentran las chimeneas
de la empresa agroindustrial Cartavio S.A.A., que pertenece al Grupo Gloria, las cuales
emiten contaminantes como CO, NOX y PM10, y SO2.
El uso de modelos de contaminación del aire a escala atmosférica local que
emplean la dispersión atmosférica gaussiana para simular niveles de inmisión
provenientes de fuentes de emisión puntuales, es la forma más común y aceptada de
representar el problema de contaminación atmosférica a escala local, acompañados de la
evaluación respectiva.
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2
1.1 ANTECEDENTES
La caña de azúcar, Saccharum officinarum L., es una antigua fuente de
energía para los seres humanos. Alrededor del año 327 A.C. la caña de azúcar era un
cultivo importante en la India. Fue introducida en Egipto aproximadamente en 647
D.C. y, casi un siglo más tarde, sería introducida en España (755 D.C.).Desde
entonces, el cultivo de la caña de azúcar se extendió a casi todas las regiones
tropicales y subtropicales. Los portugueses y los españoles la llevaron al Nuevo
Mundo a comienzos del siglo XVI. (POLO, 2008).
Su aprovechamiento como materia prima para la elaboración de un
edulcorante de elevado contenido energético, el azúcar, se ha realizado de manera
ininterrumpida y cubriendo grandes espacios a lo largo y ancho del Nuevo
Continente. El posterior desarrollo de la agroindustria la convirtió en un sector de
suma importancia en las economías nacionales de Brasil, Colombia, Perú o México.
(SANTAMARÍA, 2005).
El Perú históricamente fue uno de los principales productores y exportadores
mundiales de azúcar, con niveles de excelencia en la producción azucarera.El sector
azucarero en el Perú, tiene una gran incidencia económica y social en los valles y
pueblos de la costa que dependen casi exclusivamente de la producción azucarera.
Se ha determinado que 492,064 peruanos dependen directa e indirectamente del
desarrollo de la actividad azucarera en el Perú. (ASOCIACIÓN PERUANA DE
PRODUCTORES DE AZÚCAR, 2004).
Cartavio S.A.A. (Cartavio) es el segundo ingenio azucarero más grande por
producción en el Perú. Tiene 11,000 hectáreas de terrenos, una planta de producción
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3
de azúcar y derivados, y una destilería de alcohol en el departamento de La Libertad.
(CENTRUM, 2010).
Las calderas de un Ingenio Azucarero son el corazón de cualquier ingenio.
Suministran el vapor necesario para mover los motores primarios cuyo escape sirve
a su vez como vapor para el proceso. (MANSO, 2013).
El diseño de calderas ha cambiado radicalmente a través de los años. Las
principales tendencias de esta evolución se pueden resumir como:
- Las presiones de generación y temperaturas del vapor se han incrementado para
permitir cogenerar más energía.
- La estabilidad se ha mejorado y las emisiones por las chimeneas se han
controlado y minimizado mediante el uso de sistemas de aire de sobre fuego más
avanzados y la instalación de controladores y equipos colectores más
sofisticados. (REIN, 2012).
El desarrollo energético en fábricas de azúcar comprende diversas etapas,
desde el empleo de animales y quemado de combustibles fósiles como carbón y diésel
además de leña y bagazo, pasando por combustión de bagazo y generación de vapor
hasta llegar a combustión de bagazo, producción de vapor y generación de energía
eléctrica a través de un ciclo combinado.
La cantidad de bagazo producida por el molino es por lo general suficiente
para que se utilice, a su vez, como combustible en los hornos de las calderas y
produzca todo el vapor necesario para el movimiento de los motores y para la
fabricación.En una fábrica bien balanceada y bien diseñada, debe quedar un exceso
de bagazo (o de vapor) útil para otros fines. (HUGOT, 1963).
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4
Cartavio implementó el proyecto de “MDL de cogeneración de Biomasa”.
Este proyecto contempla el autoabastecimiento de calor y electricidad para la
empresa, a través de la implementación de un sistema de cogeneración que incorpora
una nueva caldera de bagazo a un turbo generador. (CENTRUM, 2010).
La dispersión en la atmósfera de las emisiones que proceden chimeneas de
los calderos depende de muchos factores, tales como la naturaleza física y química
de las emisiones, las características meteorológicas del ambiente, la ubicación de la
chimenea en relación con las obstrucciones al movimiento del aire y la naturaleza del
terreno que se encuentra en la dirección del viento que viene de la chimenea (WARK
y WARNER, 2002).
Los modelos de dispersión de contaminantes del aire estiman el transporte
atmosférico y destino de un contaminante desde el punto de emisión hasta el sitio de
impacto, para llegar a la estimación de concentraciones ambientales del contaminante
(USEPA, 2001a).
Los modelos gaussianos son los más utilizados para el estudio de fuentes fijas.
Estos modelos consideran que el penacho emitido sigue una distribución gaussiana,
perpendicular al movimiento convectivo principal. Los modelos gaussianos son la
técnica más ampliamente usada para estimar el impacto de contaminantes no
reactivos (USEPA, 2001b).
Los modelos gaussianos se pueden aplicar para:
- Propósito de regulación: de uso para estudios de evaluación de impacto
ambiental y estudios de contaminación atmosférica industrial.
- Apoyo a decisiones políticas: aplicable a regulación urbanística e industrial.
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- Investigación científica: aplicables a estudios de cambio climático, lluvia ácida,
etc. (TORRES, 2008).
Entre los modelos gaussianos tenemos modelos regulatorios de la USEPA
para analizar el impacto de fuentes industriales a escala local como son:
- Modelo de sondeo (peor caso) (SCREEN3)
- Modelos detallados (ISC3) (DAWIDOWSKI, GÓMEZ y REICH, 1997).
El modelo SCREEN3 fue desarrollado para proveer un método fácil de usar
para obtenerla concentración estimada de contaminantes. Estas estimaciones están
basadas en el documento “Screening Procedures for Estimating The Air Quality
Impact of Stationary Sources, Revised”. (USEPA 1992).
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cuáles serán las concentraciones máximas a nivel del suelo estimadas
mediante el empleo de un modelo gaussiano para las emisiones de las chimeneas de
los calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A.?
1.3 HIPOTESIS
Mediante la modelación gaussiana se estimará la concentración máxima a
nivel del suelo de CO, NOX y PM10, y SO2 la cual será inferior a los valores
permitidos por los ECA – Aire.
1.4 OBJETIVOS
Objetivo General:
Estimar la concentración máxima a nivel del suelo de CO, NOX y PM10, y
SO2 en función de la distancia de la fuente emisora.
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Objetivos específicos:
- Estimar la concentración máxima a nivel del suelo de CO, NOX y PM10, y SO2
aportada por las chimeneas de los calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A.
- Estimar el perfil de concentración máxima a nivel del suelo de CO, NOX y PM10,
y SO2 de las emisiones de las chimeneas de los calderos 17 y 20 de la empresa
Cartavio S.A.A.
- Elaborar los mapas de concentración máxima a nivel del suelo de CO, NOX y
PM10, y SO2 de las emisiones de las chimeneas de los calderos 17 y 20 de la
empresa Cartavio S.A.A.
- Determinar la influencia en la calidad del Aire de sus colindantes.
1.5 IMPORTANCIA
Las calderas bagacera afecta negativamente al ambiente por liberación de
gases y partículas. (MANSO, 2013).
Los óxidos de azufre han sido relacionados a la irritación del sistema
respiratorio humano, reducción de la visibilidad, corrosión de materiales y efectos
variables en la vegetación. El NOX ha sido asociado desordenes respiratorios,
corrosión y degradación de materiales, y daño a la vegetación. El CO es absorbido
por los pulmones y reduce la capacidad de transportar oxígeno de la sangre.
Dependiendo de la concentración y tiempo de exposición, puede causar deterioro de
las habilidades motoras y estrés fisiológico. Entre los efectos de las emisiones de
partículas están los problemas de visibilidad, la suciedad de las áreas circundantes,
el agravamiento de los efectos adversos de SO2, y problemas respiratorios humanos.
(KITTO, 2005).
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Se realiza el presente estudio debido a la preocupación por la contaminación
de aire por parte de la empresa Cartavio S.A.A. y de población aledaña a la empresa.
Con la intención de contribuir en el cuidado Ambiental y brindar una óptima calidad
de vida a la población aledaña a la empresa.
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II. REVISIÓN DE LA LITERATURA
2.1 Caracterización de la contaminación atmosférica en la zona de estudio
2.1.1 Fuentes fijas
Cartavio S.A.A.
La empresa Cartavio S.A.A es uno de los más grandes ingenios
azucareros del Perú, abocada al cultivo e industrialización de la caña de azúcar
y elaboración de alcohol, la producción de azúcar representa el 88.5% de las
ventas y el restante 11.5% corresponde a las ventas de melaza alcohol y bagazo.
La fábrica de azúcar tiene una capacidad de molienda de 5 500Tn/d, los
productos elaborados son: azúcar rubia doméstica, refinada doméstica, refinada
Premium, blanca industrial y blanca doméstica.
La destilería de alcohol tiene una capacidad productiva de alcohol de
90 000L/d, teniendo como productos elaborados alcohol etílico rectificado y
alcohol etílico industrial.
Cartavio S.A.A cuenta con dos calderos los cuales suministran la
energía necesaria para el funcionamiento de la fábrica de azúcar y destilería de
alcohol. Los calderos generan vapor mediante la quema e bagazo, los gases
resultantes de esta combustión pasan por un colector de cenizas, posteriormente
es tratado con un lavador de gases y luego mediante sistema de extracción de
partículas finas pasan a la atmósfera a través de una chimenea.
La concentración de los contaminantes emitidos en los gases de
combustión varía en función de la materia prima, variedad de caña de azúcar y
humedad relativa del bagazo que se quema, y de las condiciones de operación
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de los calderos, el buen estado del sistema de lavado de gases y de la eficiencia
de combustión (HUGOT, 1963 y REIN, 2012).
2.1.2 Fuentes móviles
Las avenidas y calles principales de Cartavio, están sujetas al
desplazamiento de vehículos de diferentes tipos, principalmente de mototaxis,
autos, combis, omnibuses interprovinciales Trujillo - Cartavio, camiones entre
otros. Terceros que brindan soporte a la empresa Cartavio cuenta con camiones
para el transporte de la materia prima, los cuales comprenden un parque
automotor antiguo, al igual que muchos de los omnibuses de transporte público
interprovincial, por lo que constituyen fuentes de contaminación del aire
importantes.
2.2 Descripción de los principales contaminantes del aire en la zona de estudio
Los principales agentes contaminantes que interfieren en la calidad del aire
de la zona de estudio son el CO, NOX y PM10, y SO2.
2.2.1 Dióxido de azufre
Se produce por la quema de bagazo en el hogar de las calderas y por la
quema de combustibles fósiles del parque automotor (camiones, autobuses,
autos, motos).
El azufre presente en el combustible se oxida predominantemente hasta
dióxido de azufre en el hogar. Entre 2 y 4 % se convierte en trióxido de azufre.
El SO3 se combina con agua y forma H2SO4, el cual se condensa sobre las
superficies metálicas que funcionan a temperaturas por debajo del punto de
rocío ácido. La concentración de SOX en las emisiones de chimenea es función
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de la cantidad de azufre en el combustible y, en general, debido a que hay poco
de azufre en el bagazo de caña esto no representa un problema. En algunas
zonas donde la caña se cultiva sobre suelos volcánicos o en pantanos como en
la Florida, donde las aguas subterráneas contienen sulfuro de hidrógeno,
pueden surgir problemas. Generalmente se generan problemas cuando se
utiliza fuel-oil o carbón con alto contenido de azufre como combustible
suplementario (REIN, 2012).
El azufre emitido por las fuentes de emisión se encuentra en la
atmósfera como mínimo en 3 formas químicas; SO2, H2S y sulfato aerosol. En
su forma gaseosa (SO2 y H2S) es conducido muy rápidamente a la atmósfera,
pero en estado oxidado el transporte queda restringido al sulfato sólido y a las
neblinas de ácido sulfúrico, las cuales precipitan o se depositan sobre la
superficie. Se supone que gran parte del SO2 atmosférico se oxida a sulfato y
vuelve hacia la tierra en esta forma. Entonces, la velocidad con que se oxida el
SO2 es determinante en su residencia en la atmósfera porque la oxidación es el
mecanismo más importante de su separación.
La oxidación de SO2 forma el ácido sulfúrico, H2SO4 un componente
de la llamada lluvia ácida que es nocivo para las plantas, provocando manchas
allí donde las gotitas del ácido han contactado con las hojas.
La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con
el óxido de nitrógeno o el dióxido de azufre emitido. Esta combinación química
de gases con el vapor de agua forma el ácido sulfúrico y los ácidos nítricos,
sustancias que caen en el suelo en forma de precipitación o lluvia ácida. Los
contaminantes que pueden formar la lluvia ácida pueden recorrer grandes
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distancias, y los vientos los trasladan miles de kilómetros antes de precipitarse
con el rocío, la llovizna, granizo, nieve o niebla normales del lugar, que se
vuelve ácidos al combinarse con dichos gases residuales.
El SO2 también ataca a los materiales de construcción que suelen estar
formados por minerales carbonatados, como la piedra caliza o el mármol,
formando sustancias solubles en el agua y afectando a la integridad y la vida
de los edificios o estructuras (VILCA, 2011).
2.2.2 Óxidos de nitrógeno
Los óxidos de nitrógeno se forman por recombinación de las moléculas
de oxígeno y nitrógeno en la combustión a alta temperatura, unos 1200 grados
centígrados, que se produce casi exclusivamente en los motores de gasolina
(DIGESA, 1999). Dichos contaminantes también se producen en los hornos de
la fundición, debido a las altas temperaturas de combustión del carbón.
En una caldera de bagazo los óxidos de nitrógeno son unas de las
emisiones gaseosas nocivas más importantes. De las seis diferentes especies de
óxido de nitrógeno (NOX), sólo dos, el óxido nítrico (NO) y el dióxido de
nitrógeno (NO2), se consideran serios contaminantes. Los otros se producen en
concentraciones mucho más bajas o son inestables a condiciones ambientales.
El dióxido de nitrógeno reacciona con los hidrocarburos para formar smog
(mezcla gaseosa de humo, partículas de carbón y neblina). El óxido nítrico se
genera principalmente en el hogar y es luego oxidado hasta dióxido de
nitrógeno al salir por la chimenea.
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Existen dos fuentes de óxido nítrico en las calderas: el NOX
combustible, formado a partir de nitrógeno del combustible, y el NOX térmico
formado a partir del nitrógeno en el aire de combustión. La temperatura del
hogar de combustión en las caldera bagaceras es normalmente demasiado baja
para que el nitrógeno del aire se pueda convertir en NOX, por lo cual el
nitrógeno del combustible es la fuente predominante de NOX.
Alrededor del 15 al 25 % del nitrógeno presente en el combustible es
convertido en NOX. La tasa de conversión depende del contenido de humedad
en el combustible (la tasa de conversión se incrementa a medida que es menor
la humedad) y del diseño de la caldera. Esto se refleja principalmente como
NO en la chimenea, aproximadamente de 3 a 5 % reportado como NO2.
Usualmente se mide en ml NO/m3 de gases secos, pero la concentración de
NOX en la descarga de gases se reporta como NO2. Un combustible estándar
con contenido de nitrógeno de 0.0015 kg/kg equivale a un nivel de NO2 de
aproximadamente 270 a 550 mg/m3 (STP) (~135 a 270 ml/m3) a 6 % O, sobre
una base de gases secos (~0.19 a 0.38 lb/MMBTU) (REIN, 2012).
Por sí solos contribuyen a la irritación de las vías respiratorias y dan
origen a la contaminación fotoquímica (DIGESA, 1999).
2.2.3 Monóxido de carbono
La combustión de carbono hasta obtener sólo monóxido de carbono en
lugar de dióxido de carbono es resultado de una combustión incompleta.
Es producido por los motores de los automóviles, combis, buses,
camiones y motos. Los motores de combustión interna de los automóviles
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emiten monóxido de carbono a la atmósfera por lo que en las áreas muy
urbanizadas tiende a haber una concentración excesiva de este gas hasta llegar
a concentraciones de 50 – 100 ppm (MARTINEZ Y DIAZ, 2004), tasas que
son peligrosas para la salud de las personas.
Es peligroso para la salud de personas y animales, ya que tras ser
aspirado por los pulmones se fija en la hemoglobina de la sangre, sustituyendo
al oxígeno en los glóbulos rojos de la sangre, impidiendo el transporte de
oxígeno en el organismo y disminuyendo la oxigenación de los tejidos,
pudiendo causar la muerte. (DIGESA, 1999). Además, es inodoro, y a la hora
de sentir un ligero dolor de cabeza ya es demasiado tarde. Se diluye muy
fácilmente en el aire ambiental, pero en un medio cerrado, su concentración lo
hace muy tóxico, incluso mortal. Cada año, aparecen varios casos de
intoxicación mortal, a causa de aparatos de combustión puestos en
funcionamiento en una habitación ventilada.
El monóxido de carbono es además de un contaminante nocivo un gas
de efecto invernadero (REIN, 2012).
2.2.4 Material particulado (PM10)
Una partícula se define como cualquier porción concreta (es decir,
particulada) de materia sólida, líquida o gaseosa mayor que una sola molécula
pequeña [de más de 1 nanómetro (nm) de diámetro]. El agua, el aire y los
desperdicios sólidos contienen muchas partículas que varían
considerablemente en tamaño (GLYNN, 1999).
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La concentración de material particulado que se emite de las calderas
bagaceras normalmente varía desde aproximadamente 4 000 hasta 12 000
mg/m3 (STP), cifras tan elevadas como 24 000 mg/m3 (STP) han sido
registradas. La tasa de emisiones es función de:
Contenido de cenizas en el combustible
Contenido de humedad en el combustible
Tamaño de partícula del combustible
Tipo y capacidad de parrilla
Tipo y diseño del hogar de combustión
Carga de la caldera
Figura N°01. Tamaño típico de partículas
El tamaño de las partículas varía desde trozos de bagazo carbonizado
que miden alrededor de 1,5 mm de diámetro y 3 a 6 mm de largo hasta
partículas de polvo con diámetros inferiores a 1/100 veces el grosor de un
cabello humano. La Figura Nº01 compara el tamaño de partícula de varios
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polvos comúnmente encontrados con el polvo del bagazo. En la Figura Nº02
se presentan distribuciones típicas del tamaño de partículas de polvo de bagazo.
Estas pueden variar significativamente de una zona a otra dependiendo de la
calidad del suelo.
Figura N°02. Distribución típica del tamaño de partículas por masa en calderas
bagaceras
El polvo se compone de una fracción orgánica y una inorgánica. La
densidad de la fracción orgánica varía alrededor de 300 a 600 kg/m3 y la de la
fracción inorgánica alrededor de 1900 a 2800 kg/m3.
La concentración de emisiones de partículas se mide isocinéticamente
en un tramo recto de los ductos o en la chimenea. Protocolos de la Unión
Europea y de los Estados Unidos que definen metodologías de medición son
utilizados ampliamente (REIN, 2012).
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2.3 Contaminación
2.3.1 Contaminación atmosférica
Se entiende por contaminación atmosférica a la presencia en la
atmósfera de sustancias en una cantidad que implique molestias o riesgo para
la salud de las personas y de los demás seres vivos, vienen de cualquier
naturaleza (MARTINEZ Y DIAZ, 2004), así que pueden atacar a distintos
materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. El nombre de
la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las alteraciones que
tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos materiales, y no a
otras alteraciones inocuas. Los principales mecanismos de contaminación
atmosférica son los procesos industriales que implican combustión, tanto en
industrias como en automóviles y calefacciones residenciales, que generan
dióxido y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros
contaminantes. Igualmente, algunas industrias emiten gases nocivos en sus
procesos productivos, como cloro o hidrocarburos que no han realizado
combustión completa. (MANAHAM, 2007)
La contaminación atmosférica puede tener carácter local, cuando los
efectos ligados al foco se sufren en las inmediaciones del mismo, o planetario,
cuando por las características del contaminante, se ve afectado el equilibrio del
planeta y zonas alejadas a las que contienen los focos emisores.
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2.3.2 Clases de contaminantes atmosféricos
Contaminantes primarios
Son los que se emiten directamente a la atmósfera (MANAHAM,
2007) como el dióxido de azufre SO2, que daña directamente la vegetación
y es irritante para los pulmones.
Contaminantes secundarios
Son aquellos que se forman mediante procesos químicos atmosféricos
que actúan sobre los contaminantes primarios o sobre especies no
contaminantes en la atmósfera (MANAHAM, 2007). Son importantes
contaminantes secundarios el ácido sulfúrico, H2SO4, que se forma por
oxidación del SO2, el dióxido de nitrógeno NO2, que se forma al oxidarse el
contaminante primario NO y el ozono, O3, que se forma a partir del oxígeno.
Ambos contaminantes, primarios y secundarios pueden depositarse en la
superficie de la tierra por precipitación.
2.3.3 Contaminantes gaseosos
En ambientes exteriores e interiores los vapores y contaminantes
gaseosos aparecen en diferentes concentraciones. Los contaminantes gaseosos
más comunes son el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, los
hidrocarburos, los óxidos de nitrógeno, los óxidos de azufre y el ozono.
Diferentes fuentes producen estos compuestos químicos pero la principal
fuente artificial es la quema de combustible fósil. La contaminación del aire
interior es producida por el consumo de tabaco, el uso de ciertos materiales de
construcción, productos de limpieza y muebles del hogar. Los contaminantes
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gaseosos del aire provienen de volcanes e industrias. El tipo más comúnmente
reconocido de contaminación de aire es la niebla tóxica (smog). La niebla
tóxica generalmente se refiere a una condición producida por la acción de la
luz solar sobre los gases de escape de automotores y fábricas.
2.3.4 Efectos de los gases de la atmósfera en el clima
Efectos climáticos
Generalmente los contaminantes se elevan o flotan lejos de sus
fuentes sin acumularse hasta niveles peligrosos. Los patrones de vientos, las
nubes, la lluvia y la temperatura pueden afectar la rapidez con que los
contaminantes se alejan de una zona. Los patrones climáticos que atrapan la
contaminación atmosférica en valles o la desplazan por la tierra pueden,
dañar ambientes limpios distantes de las fuentes originales. La
contaminación del aire se produce por toda sustancia no deseada que llega
a la atmósfera. Es un problema principal en la sociedad moderna. A pesar
de que la contaminación del aire es generalmente un problema peor en las
ciudades, los contaminantes afectan el aire en todos lugares. Estas sustancias
incluyen varios gases y partículas minúsculas o materia de partículas que
pueden ser perjudiciales para la salud humana y el ambiente. La
contaminación puede ser en forma de gases, líquidos o sólidos. Muchos
contaminantes se liberan al aire como resultado del comportamiento
humano. La contaminación existe a diferentes niveles: personal, nacional y
mundial.
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Efecto invernadero
Evita que una parte del calor recibido desde el sol deje la atmósfera
y vuelva al espacio. Esto calienta la superficie de la tierra. Existe una cierta
cantidad de gases de efecto de invernadero en la atmósfera que son
absolutamente necesarios para calentar la Tierra, pero en la debida
proporción. Actividades como la quema de combustibles derivados del
carbono aumentan esa proporción y el efecto invernadero aumenta. Muchos
científicos consideran que como consecuencia se está produciendo el
calentamiento global. Otros gases que contribuyen al problema incluyen los
clorofluorocarbonos (CFCs), el metano, los óxidos nitrosos y el ozono.
Daño a la capa de ozono
El ozono es una forma de oxígeno O3 que se encuentra en la
atmósfera superior de la tierra. El daño a la capa de ozono se produce
principalmente por el uso de clorofluorocarbonos (CFCs). La capa fina de
moléculas de ozono en la atmósfera absorbe algunos de los rayos
ultravioletas (UV) antes de que lleguen a la superficie de la tierra, con lo
cual se hace posible la vida en la tierra. El agotamiento del ozono produce
niveles más altos de radiación UV en la tierra, con lo cual se pone en peligro
tanto a plantas como a animales.
2.3.5 Efectos nocivos para la salud
Muchos estudios han demostrado enlaces entre la contaminación y los
efectos para la salud. Los aumentos en la contaminación del aire se han ligado
a quebranto en la función pulmonar y aumentos en los ataques cardíacos.
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Niveles altos de contaminación atmosférica según el Índice de Calidad
del Aire de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
(USEPA, por sus siglas en inglés) perjudican directamente a personas que
padecen asma y otros tipos de enfermedad pulmonar o cardíaca. La calidad
general del aire ha mejorado en los últimos 20 años pero las zonas urbanas son
aún motivo de preocupación. Los ancianos y los niños son especialmente
vulnerables a los efectos de la contaminación del aire.
El nivel de riesgo depende de varios factores:
La cantidad de contaminación en el aire
La cantidad de aire que respiramos en un momento dado
La salud general.
Otras maneras menos directas en que las personas están expuestas a
los contaminantes del aire son:
El consumo de productos alimenticios contaminados con sustancias
tóxicas del aire que se han depositado dondecrecen,
Consumo de agua contaminada con sustancias del aire,
Contacto con suelo, polvo o agua contaminados
2.4 Dispersión atmosférica
2.4.1 Escalas de contaminación atmosférica
Los fenómenos atmosféricos se clasifican en cuatro clases o escalas
basadas en el alcance horizontal y la duración de estos. Las cuatro escalas son:
microescala, mesoescala, escala sinóptica y escala global. Ver Tabla N°01. Si
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nos movemos en cada escala a partir de la microescala, perdemos detalles del
movimiento del aire de la escala anterior. Cada escala tiene sus propios
fenómenos, los cuales contienen el fenómeno de la escala anterior.
2.4.2 Sistema de modelación de la dispersión atmosférica
KYELY (1999), señala que la modelación de la dispersión atmosférica,
sea del tipo gaussiano y otros, se usa para predecir la calidad del aire y
colaborar en decisiones de política y planificación respecto a la gestión y
desarrollo de infraestructura productiva. Plantea que la calidad del aire como
sistema de modelación está integrado por los siguientes componentes.
Figura N°03. Sistema de modelación simple de la calidad del aire
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Tabla N°1. Escalas de movimiento atmosférico
Horizonte meteorológico Escalas de medición Fenómenos asociados
Escala Tiempo Horizontal Vertical
Microescala
(fuerza de
Coriolis
despreciable)
Segundos a
horas
1mm hasta
1Km
Desde la
superficie
hasta los
100m
- Tornado de pequeñas
turbulencias
- Gradientes superficiales
- Efectos de fricción en la
capa límite
- Efectos topográficos
Mesoescala
(escala de
pronóstico del
tiempo
meteorológico)
Horas a
días
1Km hasta
100Km
Desde la
superficie
hasta 1Km
- Grandes turbulencias
- Vientos de mar y
continente
- Islas de calor urbano
- Vientos de valle y de
montaña
Sinóptica (escala
ciclónica)
Días a
semanas
Países a
continentes
Desde la
superficie
hasta los 10
ó 15Km
- Sistemas de tormentas
- Formaciones nubosas
- Frentes de tiempo
Global Días a años
100Km a
todo el
hemisferio
Desde la
superficie
hasta los
20Km
- Efectos globales
Fuente: SCHNELLE, 1999
SCHENELLE (1999), aborda el tema de la modelación de la calidad
del aire, implicando en ello el campo de la dispersión atmosférica
detalladamente, involucrando los medios en los cuales se desarrolla. El
esquema planteado es el siguiente:
Figura N°04: Sistema de modelación detallado de la dispersión atmosférica
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Cabe señalar que la topografía está considerada dentro del medio
receptor y el medio de dispersión.
2.4.3 Modelos de difusión y/o dispersión atmosférica
Los términos difusión y dispersión en el campo del modelamiento de la
contaminación del aire tienen diferente significado. La dispersión está
relacionada a los procesos de transporte de gases o partículas ocasionados por
el viento y la turbulencia atmosférica, mientras que la difusión se refiere al
fenómeno de difusión molecular de dichos gases o partículas (NEVERS, 2000).
El mecanismo principal de los modelos para la cuantificación de
concentraciones de un determinado contaminante vientos abajo de la fuente de
emisión es la dispersión (SCHNELLE, 1999).
Un modelo de dispersión atmosférica de una fuente puntual es una
expresión matemática que relaciona las emisiones de material particulado o
gaseoso en la atmósfera con las concentraciones de dicho material a sotavento
de la fuente de emisión (SCHNELLE, 1999). El objetivo fundamental del
modelo de dispersión es estimar la concentración del contaminante en un punto
receptor particular mediante cálculos a partir de información básica de la fuente
contaminante, las condiciones topográficas y las condiciones meteorológicas.
Consecuentemente, la concentración calculada será directamente proporcional
a la intensidad de emisión de la fuente e inversamente proporcional a la
velocidad promedio del viento. (PASQUIL, 1961; PERKINS, 1974;
SCHENLLE, 1999 y SEOANEZ, 2002).
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Se han desarrollado modelos de calidad del aire de dos tipos:
determinísticos (de regresión estadística, modelos estocásticos) y físicos
(representaciones físicas en tanques de agua y túneles de viento). Las
soluciones a los modelos determinísticos son analíticas y numéricas, pero la
complejidad de las soluciones analíticas es tan grande que solo relativamente
unos pocos casos simples han sido resueltos. Se han realizado soluciones
numéricas de situaciones más complejas, pero requieren de una gran cantidad
de tiempo de cómputo. Aún así, los avances más adecuados son para los
modelos determinísticos (SCHNELLE, 1999). Actualmente, los modelos
estocásticos basados en el tipo gaussiano son los más usados en el
modelamiento para el control regulatorio de los contaminantes del aire, porque
su fundamento teórico de la estadística de la dispersión del contaminante en la
atmósfera es concordante con la teoría de turbulencia atmosférica observada de
los fenómenos de movimiento de flujo de aire en una determinada dirección y
sentido; y también porque la escala meteorológica del problema de
contaminación de las ciudades es la microescala /HENRY, 1999 y KIELY,
1999). Además de su versatilidad y relativa facilidad de aplicación (WARK,
1992 y USEPA, 2000).
2.4.4 Modelo de dispersión gaussiano
El modelo de dispersión gaussiano es un modelo estocástico de
contaminación del aire, está basado en la ecuación de función de distribución
de probabilidad normal o gaussiana de la concentración del contaminante en la
dirección vientos abajo de la fuente de emisión (eje de dispersión ubicado en
la dirección X) (BLACKADAR, 1998). La concentración vientos debajo de la
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fuente de emisión tiene dos componentes especiales, y por lo tanto dos
funciones de distribución probabilística gaussiana: la primera es vertical a la
dirección del viento (eje Z de dispersión) y la segunda es transversal a la misma
(eje Y de dispersión). Ver Figura N°05
Figura N°05. Representación espacial de la dispersión atmosférica
No se considera el componente espacial en el eje X porque en dicho eje
predomina el fenómeno de dispersión sobre la difusión. (BEYCHOK, 1994).
Considerando en el eje Z de dispersión dicha ecuación es:
𝑛𝑟
𝑁= 𝑃(𝑍) =
1
(2𝜋)1/2𝜎𝑍𝑒𝑥𝑝 [− (
𝑍𝑟 − 𝑍𝑚
𝜎𝑍)
2
] … (1)
Donde:
𝑛𝑟
𝑁= 𝑃(𝑍) = Probabilidad de ocurrencia de la dispersión en el punto receptor
Zr
𝑛𝑟 = Dispersión a la altura del punto receptor Zr en el eje Z de dispersión
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N = Emisión total de la fuente de emisión contenida en la sección transversal
(disco) de la pluma ubicada a la altura del punto Zr.
𝑍𝑟 = Ubicación en el eje Z de dispersión (vientos abajo de la fuente de emisión)
del punto receptor donde se requiere calcular la dispersión.
𝑍𝑚 = Ubicación en el eje Z de dispersión (vientos abajo de la fuente de emisión)
del punto receptor donde se requiere calcular la dispersión.
𝜎𝑍 = Desviación estándar de la dispersión en el eje Z de dispersión.
𝜋 = Constante adimensional (3.1416)
La respectiva función de densidad de probabilidad de la ecuación
anterior es:
𝑛𝑟 = 𝐹(𝑍) =𝑁
(2𝜋)1/2𝜎𝑍𝑒𝑥𝑝 [− (
𝑍𝑟−𝑍𝑚
𝜎𝑍)
2
] … (2)
La función anterior puede ser aplicada para cuantificar las
concentraciones de un contaminante emitido por una chimenea en una
determinada dirección vientos abajo de la misma porque los procesos de
dispersión atmosférica también son aleatorios (CHOVIN y ROUSSEL, 1970).
La ecuación anterior asume que no hay barreras verticales para la difusión hacia
arriba ni hacia abajo, pero en realidad, en algún momento la pluma contactará
con la superficie (nivel del suelo). Para evitar dicha distorsión se asume que el
contaminante de la pluma es reflejado por la superficie (supuesto de
conservación de masa), agregándole otra ecuación similar pero en sentido
opuesto a la fuente de emisión, ver Figura N°06.
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Figura N°06. Reflexión de la pluma contaminante en el suelo
De esta forma, la ecuación de función de distribución de probabilidad
normal o gaussiana de la concentración del contaminante en la dirección
vientos abajo de la fuente de emisión incluyendo el efecto de reflexión del
terreno es:
𝑛𝑟 =𝑁
(2𝜋)1/2𝜎𝑍𝑒𝑥𝑝 [− (
𝑍𝑟 − 𝑍𝑚
𝜎𝑍)
2
] +𝑁
(2𝜋)1/2𝜎𝑍𝑒𝑥𝑝 [− (
𝑍𝑟 − 𝑍𝑚∗
𝜎𝑍)
2
] … (3)
Donde:
𝑍𝑚∗ = Ubicación en el eje Z de dispersión (vientos abajo de la fuente de emisión)
donde ocurre la dispersión media (la línea central de la pluma en el eje
Z). Pero en dirección opuesta al nivel de referencia (distancia negativa).
Tomando en cuenta las siguientes sustituciones:
N = Q/u
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Q = emisión de la chimenea
u = velocidad horizontal del viento
𝑍𝑟 − 𝑍𝑚 = 𝐻𝑟 − 𝐻𝑒
𝑍𝑟 − 𝑍𝑚∗ = 𝐻𝑟 − (−𝐻𝑒) = 𝐻𝑟 + 𝐻𝑒
Donde:
𝐻𝑒 = altura de la línea central de la pluma con referencia al nivel del suelo,
también conocida como altura efectiva de la pluma (la altura de la línea
central de una pluma es su altura efectiva).
𝐻𝑟= altura del punto receptor a partir del nivel del suelo con referencia al nivel
del suelo.
Se obtiene la siguiente ecuación:
𝑛𝑟 =𝑁
𝑢(2𝜋)1/2𝜎𝑍{𝑒𝑥𝑝 [− (
𝐻𝑟 − 𝐻𝑒
𝜎𝑍)
2
] + 𝑒𝑥𝑝 [− (𝐻𝑟 + 𝐻𝑒
𝜎𝑍)
2
]} … (4)
Finalmente, considerando también la dispersión en el eje Y, cuya
ecuación es análoga a la del eje Z, pero sin considerar la reflexión de la
superficie porque no existe barrera en el eje Y, tenemos la siguiente ecuación:
𝑛𝑟 =𝑁
𝑢(2𝜋)𝜎𝑦𝜎𝑍𝑒𝑥𝑝 [−
1
2(
𝑦 − 𝑦𝑚
𝜎𝑦)
2
] {𝑒𝑥𝑝 [−1
2(
𝑍𝑟 − 𝐻𝑒
𝜎𝑍)
2
] + 𝑒𝑥𝑝 [−1
2(
𝑍𝑟 + 𝐻𝑒
𝜎𝑍)
2
]} … (5)
Donde:
y = distancia desde el receptor a la línea central de la pluma en la dirección
transversal a ella (dirección Y)
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ym = cero partículas, para la ubicación de la dispersión media de la línea central de
la pluma en la dirección transversal (dirección Y).
Realizando las sustituciones de simbología conforme a los términos usados
comúnmente en la literatura se obtiene la conocida ecuación de dispersión
gaussiana para una fuente puntual continua de emisión de contaminantes:
𝐶 =𝑄
𝑢(2𝜋)𝜎𝑦𝜎𝑍𝑒𝑥𝑝 [−
1
2(
𝑌
𝜎𝑦)
2
] {𝑒𝑥𝑝 [−1
2(
𝑍𝑟 − 𝐻𝑒
𝜎𝑍)
2
] + 𝑒𝑥𝑝 [−1
2(
𝑍𝑟 + 𝐻𝑒
𝜎𝑍)
2
]} … (6)
Donde:
C = concentración de la emisión proveniente de la fuente de emisión en cualquier
punto receptor (nivel inmisión) en unidades de g/m3, si el receptor está ubicado a:
“x metros” vientos abajo, “y metros” en la dirección transversal desde la línea
central o eje de dispersión, y “z metros” por encima del nivel del suelo o nivel de
referencia de la superficie.
Q = tasa de emisión en la fuente, en g/s
U = velocidad horizontal del viento a la altura de emisión, en m/s
He = altura por encima del suelo a lo largo del eje central de dispersión, en m
𝜎𝑍 = desviación estándar vertical de la distribución de la emisión, en m
𝜎𝑦 = desviación estándar horizontal de la distribución de la emisión, en m
Por lo tanto, la forma de la ecuación de cuantificación de la concentración
de un contaminante atmosférico mediante la teoría gaussiana junta la función de
distribución normal o de Gauss con la intensidad de emisión de un contaminante
(Q), y la velocidad promedio del viento (u) (BEYCHOK, 1994).
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En lo que respecta al tiempo de modelación, los resultados del modelo
gaussiano son estacionarios, es decir, los resultados representan las variables de
entrada consideradas en un determinado tiempo (tiempo de modelación), no es un
modelo dinámico; para serlo tendría que disponerse de datos promedio de entrada
continuos de la fuente de emisión y de la atmósfera del periodo de tiempo real o
actual de modelación (BEYCHOK, 1994 y SCHNELLE, 1999).
2.4.5 Tipos de plumas contaminantes
Pluma cónica (coning plume)
Acontece cuando la pluma es dispersada por el viento en atmósfera
neutral (gradiente de temperatura de la atmósfera similar al gradiente
adiabático seco), condición característica de la meteorología de la tarde.
Pluma ondulada
La ocurrencia de este tipo de pluma se da durante condiciones de
atmósfera inestable (gradiente de temperatura de la atmósfera súper
adiabática). Ver Figura N°05. Estas condiciones se caracterizan por un alto
grado de turbulencia vertical, la cual causa que la pluma se ondule en el
plano vertical. El eje central de dispersión promedio de una pluma
ondulada podría parecerse a la línea central promedio de dispersión de la
típica pluma cónica, pero con ciertas restricciones; no toma en cuenta las
concentraciones del contaminante en zonas donde la pluma se rompe por
las ondulaciones. (BEYCHOK, 1994). Las condiciones de tiempo
atmosférico típicas para la ocurrencia de la pluma ondulada son: días
cálidos con cielos claros y poco viento.
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La conocida ecuación de dispersión gaussiana para una fuente
puntual continua de emisión de contaminantes fue derivada para este tipo
de pluma. (BEYCHOK, 1994). Las condiciones de tiempo atmosférico
típicas para la ocurrencia de la pluma cónica son: días nublados y con
viento apreciable o noches con viento fuerte (clase de estabilidad Pasquil
D).
Pluma abanicada
El desarrollo de una pluma abanicada se observa cuando la pluma
está atrapada dentro de una capa de inversión térmica, ya sea dentro de una
capa de inversión superficial (desde la superficie hasta la parte superior de
la pluma) o dentro de una capa de inversión intermedia por encima de la
superficie (desde una determinada altura hasta la parte superior de la
pluma). Ver Figura N°05. Las condiciones atmosféricas muy estables
dentro de la capa de inversión inhiben la turbulencia vertical, ocasionando
poca expansión vertical de la pluma. Sin embargo, la pluma se abanica en
el plano transversal (eje Y) porque az es muy pequeño en relación a ay.
(BEYCHOK, 1994).
Para el caso de una pluma abanicada dentro de una capa de
inversión superficial la ecuación de dispersión gaussiana para una fuente
puntual continua de emisión de contaminantes se aplica mediante el uso
de valores a apropiados para condiciones de atmósfera estable. Sin
embargo, es probable que las concentraciones a nivel del suelo calculadas
con la ecuación sean exageradas porque el mayor nivel de dispersión de la
capa atmosférica superior al de la inversión no es tomada en cuenta en el
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valor de a seleccionado. Este caso es un ejemplo de dispersión durante
condiciones atmosféricas en las cuales no hay homogeneidad atmosférica
vertical para la dispersión. (BEYCHOK, 1994).
Para el caso de la pluma abanicada situada dentro de una capa de
inversión superior, la dispersión hacia abajo atraviesa dos capas de aire de
diferente estabilidad atmosférica: la primera capa es la capa de inversión
misma, la segunda capa es la capa superficial; la cual podría ser súper
adiabática, neutral o sub adiabática. Este hecho hace difícil seleccionar
valores apropiados de “a” para la ecuación de dispersión gaussiana, la
misma dificultad existe para la capa por encima de la inversión. Conforme
la dispersión se desarrolle a través de capas más turbulentas ubicadas por
encima y por debajo de la capa de inversión, la capa de inversión misma
podría compensar a las otras, pero esta posibilidad es complicada por el
efecto de reflexión del suelo tomada en cuenta en la ecuación de
dispersión. Por lo expuesto, es muy difícil prever si las concentraciones a
nivel del suelo calculadas de una pluma abanicada son sub o sobre
estimadas por el uso de un 0 para condiciones de atmósfera estable (por la
capa de inversión térmica). En cualquier caso, una pluma atrapada dentro
de una capa de inversión muestra muy poca dispersión vertical y por lo
tanto, los efectos de dispersión hacia abajo y hacia arriba a través de las
capas adyacentes turbulentas podrían ser insignificantes. (BEYCHOK,
1994).
Las condiciones de tiempo atmosférico típicas para la ocurrencia
de la pluma abanicada son las mismas para las que ocurra una inversión
térmica: noches con vientos suaves y cielo claro (estabilidad Pasquil F).
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La inversión por encima de la superficie podría formarse por el
rompimiento de la inversión durante el inicio del día al calentarse
progresivamente la superficie; o el rompimiento de la inversión también
podría ser consecuencia de inversiones por subsidencia o inversiones
frontales, las cuales ocurren tanto en el día como en la noche. (BEYCHOK,
1994).
Gradiente adiabático seco: _ _ _ Gradiente vertical de la temp. aire: _____
Figura N°07. Comportamiento de las plumas contaminantes
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Condición de fumigación (fumigating plume)
La ocurrencia de este tipo de pluma se da cuando el penacho está
ubicado dentro de la capa de inversión térmica superficial como en el caso
de una pluma abanicada. Ver Figura N°05. La capa de inversión es rota en
su base inferior mediante el aumento de turbulencia por el calentamiento
progresivo de la superficie en el día, lo cual ocasiona altas concentraciones
del contaminante a nivel de la superficie en cortos periodos de tiempo
(tiempo en el que la pluma choca con la superficie a una distancia
determinada de la fuente de emisión). (BEYCHOK, 1994).
Las condiciones atmosféricas típicas para la formación de una
pluma tipo fumigación son días cálidos con cielos claros y vientos suaves
(estabilidad Pasquil A).
Pluma atrapada (looping plume)
La ocurrencia de este tipo de pluma se da cuando la pluma está por
debajo de una inversión térmica, y en consecuencia la dispersión hacia
arriba está bloqueada por la capa de inversión. Ver Figura N°05. Se han
planteado varios métodos para modelar la dispersión de pluma atrapada,
de las cuales dos son importantes. (BEYCHOK, 1994). El primer método
asume que la ecuación de dispersión gaussiana es aplicable desde la fuente
de emisión hasta una distancia vientos abajo XL, en la cual el tamaño de
la capa de mezcla (la altura de la capa de mezcla es la distancia desde el
nivel del suelo hasta la base inferior de la inversión de altura) es igual a la
altura de la línea central de la pluma más 2.15az:
𝐿 = 𝐻𝑒 + 2.15𝐺𝑧
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Donde:
L = altura de la capa de mezcla
He = altura efectiva de la pluma
Adicionalmente se asume que a más del doble de distancia (2XL)
las concentraciones verticales de la pluma no se dispersan en gran medida
por los patrones de la ecuación de dispersión gaussiana, sino que ocurre
una dispersión uniforme dentro de la altura de la capa de mezcla (L). Es
decir, que a distancias iguales o mayores a 2 XL la dispersión transversal
(eje Y de dispersión) es el único factor que afecta las concentraciones de
la pluma.
El segundo método contabiliza los efectos de las múltiples
reflexiones entre la superficie y la base de la inversión en altura. Este
método es más riguroso que el anterior. (BEYCHOK, 1994).
Las condiciones atmosféricas que propician la formación de una
pluma atrapada es la formación de capas de inversión en altura, las cuales
podrían resultar por el rompimiento de la inversión durante el inicio del
día al calentarse progresivamente la superficie; o el rompimiento de la
inversión también podría ser consecuencia de inversiones por subsidencia
o inversiones frontales, las cuales ocurren tanto en el día como en la noche.
(BEYCHOK, 1994)
Pluma elevada (lofting plume)
Este tipo de pluma se observa cuando esta está por encima de una
capa de inversión térmica y la dispersión hacia abajo es bloqueada por la
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capa de inversión estable. Ver Figura N°05. La pluma podría estar por
encima de una inversión superficial o por encima de una capa de inversión
ubicada a más altura.
Si la dispersión hacia abajo es reflejada hacia arriba por la capa de
inversión (más aún cuando la pluma está siendo absorbida y atrapada
dentro de la inversión), entonces la ecuación gaussiana de dispersión
podría ser aplicada a la pluma elevada mediante la redefinición de las
dimensiones de las coordenadas Z, porque la dispersión hacia la superficie
desde plumas elevadas es esencialmente nula.
Típicamente las condiciones atmosféricas favorables para la
ocurrencia de una pluma elevada son las mismas que para las de una pluma
abanicada, porque ambas requieren la existencia de una capa de inversión
superficial o una capa de inversión en altura.
2.5 Graficación espacial de la contaminación atmosférica
Existen dos maneras de lograr mapas de contaminación del aire, mediante el
uso de la interpolación espacial y a través de modelos de calidad del aire; dentro de
ellos el más usado es el modelo de dispersión de contaminación atmosférica
gaussiano. (HASAN, 2001)
2.5.1 Técnica de la interpolación espacial
La técnica de interpolación espacial, que es usada en software GIS
por ejemplo, no constituye una modelación de la contaminación propiamente
dicha, sino que usa métodos estadísticos u otros para generar, clasificaciones
de puntos y líneas de tendencia en base a un número limitado de información
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observada o monitoreada; para que en base a ello se generen las respectivas
isolíneas y superficies de contaminación (mapas de contaminación)
(HASAN, 2001). Los métodos de interpolación espacial se clasifican en
métodos globales (análisis de superficies de tendencia y otros) y métodos
locales (ventana móvil, kriging, interpolación “spline”, etc.). En los métodos
globales una superficie de contaminación es elaborada sobre la base de todo
el conjunto de datos, mientras que en los métodos locales las superficies de
contaminación son realizados sobre la base de una serie de estimaciones
basadas en conjuntos de datos de puntos cercanos entre sí; cabe mencionar
que uno de los métodos locales de interpolación más usados es el kriging en
sus diversas variantes. Sin embargo, no obstante la gran cantidad de estudios
realizados al respecto, no existe un consenso sobre que método de
interpolación es el óptimo (HASAN, 2001). El desempeño de los métodos
de interpolación depende del carácter de la variación espacial subyacente de
la variable que está siendo interpolada y las características específicas que
influyen en la data, tales como: densidad de muestreo, distribución del
muestreo, etc. Más aún como sabemos, la densidad de distribución de las
redes de monitoreo de contaminantes es casi siempre pobre y pequeña; y la
ubicación de las estaciones de la red es generalmente hacia zonas de
contaminación específicas de acuerdo a los objetivos del monitoreo. En
consecuencia, las redes de monitoreo proveen de un limitado panorama de
los patrones espaciales de contaminación del aire, estimados potenciales muy
parciales de tendencias de contaminación atmosférica y pobres indicadores
de exposición humana a los contaminantes del aire. Incluso en estudios de
propósitos específicos de contaminación del aire el factor limitante es el
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tiempo y el costo de la red de monitoreo, limitando la densidad del mismo;
haciendo la técnica de interpolación espacial inadecuada para describir la
dinámica de la contaminación atmosférica y presentarla mediante mapas
(HASAN, 2001).
2.5.2 Técnica de los modelos de dispersión atmosférica
Como se trató anteriormente, el modelamiento de la calidad del aire
comprende dos tipos básicos: determinísticos y físicos, encontrándose los
modelos de dispersión atmosférica gaussianos dentro de la clasificación de
los modelos matemáticos (SCHNELLE, 1999). El resultado o producto de
los modelos de dispersión son superficies e isolíneas de contaminación
potencial o predicha mediante los algoritmos del modelo para una zona
determinada de estudio. Los algoritmos incluyen ecuaciones sofisticadas de
procesos de dispersión que toman en cuenta diversos factores y variables
tratados en los puntos 2.4.4 y 3.2
Se han realizado recientemente estudios y aplicaciones de modelos
de dispersión atmosférica gaussiano, los cuales son citados por Hasan,
(HASAN, 2001): Honaganahalli (HONAGANAHALLI, 2000) usó un
modelo de dispersión atmosférica para la atmósfera desde campos agrícolas,
con fines de evaluar el impacto en la salud pública, San José (SAN JOSE,
2000) integró un modelo a mesoescala de calidad del aire con uno de
dispersión atmosférica gaussiano para la evaluación del impacto de las
emisiones del tráfico vehicular en Madrid.
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El modelo SCREEN3 fue desarrollado para proveer un método fácil
de usar para obtener una estimación de la concentración de contaminantes.
Estas concentraciones están basadas en el documento "Screening Procedures
for Estimating The Air Quality Impact of Stationary Sources, Revised"
(USEPA 1992).
Los modelos de dispersión atmosférica son ampliamente usados para
calcular concentraciones de contaminantes en la atmósfera y a nivel del suelo
emitido por fuentes puntuales, y para generar mapas de contaminación
atmosférica a partir de dichos cálculos. Los modelos pueden ser adaptados a
cualquier contaminante y otros tipos de fuente de emisión, sin necesidad de
establecer redes de monitoreo. Sin embargo existen algunas limitaciones,
sobre todo en lo que respecta a la disponibilidad de datos necesarios para la
corrida del modelo (datos de emisión detallados, data meteorológica y
topográfica en detalle) (HASAN, 2001).
En el Perú las estaciones meteorológicas de la red nacional del
SENAMHI registran variables meteorológicas útiles para el pronóstico del
tiempo, estudios climáticos y de recursos naturales, y cultivos agrícolas; mas
no para estudios relacionados con la contaminación atmosférica a escala
micro (local). Esta es la principal dificultad en nuestro medio de la aplicación
de los modelos de dispersión gaussiano.
2.5.3 SCREEN3
El modelo SCREEN fue desarrollado para proporcionar un método
fácil de usar para obtener estimaciones de concentración de contaminantes.
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La mayoría de las técnicas que se usan en el modelo SCREEN se
basan en suposiciones y métodos comunes en otros modelos de dispersión
de USEPA. (USEPA, 2000)
SCREEN usa un modelo de pluma Gaussiana que incorpora factores
relacionados a la fuente y factores meteorológicos para calcular la
concentración de contaminantes de fuentes continuas. Se asume que el
contaminante no experimenta ninguna reacción química, y que ningún otro
proceso de remoción (como deposición húmeda o seca) actúa sobre la pluma
durante su transporte desde la fuente.
El modelo Gaussiano de pluma de fuente de punto se usa en SCREEN
para modelar impactos de pluma desde fuentes de punto, liberaciones por
incineración y liberaciones volumétricas.
El modelo SCREEN usa un algoritmo de integración numérica para
modelar impactos de fuentes de área, Se supone que la fuente de área tiene
forma rectangular y el modelo puede usarse para estimar concentraciones
dentro del área.
Peor caso en condiciones meteorológicas
SCREEN examina un rango de clases de estabilidad y velocidades
del viento para identificar el “peor escenario” de condiciones
meteorológicas, por ejemplo, la combinación de velocidad del viento y
estabilidad que resulta en máximas concentraciones a nivel de piso o a la
altura de un receptor.
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2.6 Evaluación de cumplimiento de ECAs
2.6.1 Normas de calidad del aire
Estándar de Calidad de Aire
Un Estándar de Calidad Ambiental (ECA) (MINAM, 2008) es la
medida que establece el nivel de concentración o del grado de elementos,
sustancias o parámetros físicos, químicos o biológicos, presentes en el aire,
agua o suelo, en su condición de cuerpo receptor, que no representa
significativo para la salud de las personas ni al ambiente. Un ECA es de
observancia obligatoria para el diseño de normas legales, políticas
públicas; y para el diseño y aplicación de instrumentos de gestión
ambiental, así como para el otorgamiento de la certificación ambiental.
(Ley General del Ambiente, 2005).
Índices de calidad de aire
El Índice de Calidad del Aire (AQI, por sus siglas en inglés) es una
herramienta usada por la USEPA y otras agencias para proveerle al público
información oportuna y fácil de comprender sobre la calidad del aire local.
También indica si los niveles de polución son perjudiciales a la salud. El
AQI informa al público si la condición del aire debe preocuparle por su
salud. El AQI se enfoca en los efectos de salud que pueden pasar dentro
unas horas o días después de respirar el aire. (USEPA, 2014)
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III. METODOLOGÍA DE TRABAJO
3.1 Materiales
3.1.1 Descripción del área de estudio
El área de estudio del presente trabajo de tesis es la empresa Cartavio
S.A.A. la cual está ubicada en la margen izquierda del río Chicama, en el
distrito de Santiago de Cao, provincia de Ascope, departamento de La Libertad,
aproximadamente a 33 km al norte de la ciudad de Trujillo.El acceso a esta
empresa agroindustrial, se puede realizar desde la ciudad de Trujillo mediante
la carretera Panamericana Norte. El área en estudio tiene una población de 13
789 habitantes (INEI, 2007), ocupando un área bruta de 10.1413 Has. Las
coordenadas UTM de ubicación de la empresa Cartavio S.A.A son las
siguientes:
Este : 0696492m
Norte : 9127269m
Altitud : 95 msnm
Zona : 17
Datum : WGS 84
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Figura N°08. Plano de ubicación de la empresa Cartavio S.A.A
3.1.2 Medio geofísico
Fisiografía y topografía
El medio físico o natural; es el principal condicionante en la
distribución de los centros poblados y el principal soporte de las actividades
del hombre. El relieve de la Provincia Ascope, forma parte de la franja
longitudinal de la costa y se extiende entre el Océano Pacífico y los primeros
contrafuertes andinos que alcanzaron una altitud promedio de 1000 m.s.n.m.
La topografía de la ciudad de Cartavio es agreste. Está conformada
por amplias extensiones de cultivo de caña de azúcar, limitada por cerros.
El rango de altitudes de toda el área de estudio fluctúa entre los 50 msnm
(Cartavio, sector Techo Propio) y 90 msnm (carretera Panamericana-
Cartavio).
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Clima
Cartavio tiene una temperatura media anual de 20.5 ºC
aproximadamente, con una humedad relativa del 80%; el clima es cálido,
con escasas lluvias en cualquier época del año, su cercanía al mar
acondiciona para que en el invierno existan neblinas. (PAMA CARTAVIO,
2009)
3.1.3 Información ambiental y cartográfica de la zona de estudio
Información meteorológica de monitores ambientales
Viento
Se utilizó información de la dirección del viento obtenida de los
monitores ambientales realizados en el 2013, 2014 y 2015. Ver anexo 3.
Temperatura del aire
Se utilizó información de la temperatura del aire obtenida de los
monitores ambientales realizados en el 2013, 2014 y 2015. Ver anexo 3.
Información de las emisiones de los calderos 17 y 20
Se utilizó información de los monitoreos ambientales realizados en el
2013, 2014 y 2015, los cuales se resumen en el anexo 3.
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3.1.4 Programas, protocolos, guías y equipos
Programa de modelación de la dispersión gaussiana de fuentes
puntuales.
Se empleó el software de dispersión atmosférica SCREEN3
aprobado y empleado por la USEPA.
Programa de procesamiento y visualización de información
meteorológica de viento
Se empleó el software de procesamiento y visualización de
información WRPLOT versión 7.0.0 con la cual se graficó y tabuló las
respectivas rosas de viento para cada monitoreo.
Programa de graficación de mapas y planos AutoCAD y de
procesamiento y visualización gráfica rápida de superficies y de
topografía de terreno SURFER.
Se empleó el programa AutoCAD en versión 2014 para procesar y
validar la información de levantamiento topográfico de la localidad de
Cartavio verificando la información de planos y mapas oficiales e
imágenes satelitales. Dicha información se transformó en formatos
adecuados y reconocibles para el programa SURFER versión 10 para
graficar las isolíneas de concentración de los contaminantes utilizando la
información de salida del modelo SCREEN3.
Programa de procesamiento de información y cálculos Excel
Se empleó el software Excel para confeccionar algunos formatos
de entrada del modelo de dispersión atmosférica gaussiana SCREEN3, así
como para procesar la información de salida del mismo.
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Guía para modelos de calidad de aire de la Agencia de Protección
Ambiental de Estados Unidos (USEPA)
Se revisó literatura de los diversos modelos gaussianos de calidad
del aire de la Guía para modelos de calidad del aire de la USEPA (USEPA,
2000), con el fin de seleccionar el modelo de dispersión atmosférica
adecuado para la zona de estudio y al alcance de la tesis.
Computadora compatible portátil
Se empleó una laptop convencional Core i5 con una adecuada
capacidad de almacenamiento de disco duro (500GB) para las salidas del
modelo y los gráficos de dispersión respectivos.
3.2 Metodología
3.2.1 Identificación de los factores de dispersión atmosférica
Los factores meteorológicos relevantes para la dispersión atmosférica
gaussiana se analizaron utilizando herramientas meteorológicas
convencionales de análisis de variables meteorológicas, rosas de viento.
(NSWEPA, 2001). Las características topográficas se obtuvieron capturando
información en campo mediante imagen satelital (Google Earth Pro) y a través
de planos oficiales de la zona de estudio, y los datos de la fuente de emisión se
obtuvieron directamente mediante los monitoreos ambientales de la empresa
Cartavio S.A.A. A continuación se describe la metodología seguida para
determinar los factores meteorológicos, y en la sección 3.2.2. Ítem a se
describen las características topográficas y la fuente de emisión.
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a. Determinación de rosas de viento de superficie
Esto se realizó mediante la tabulación estadística de la distribución
de frecuencias absolutas y relativas de las categorías de velocidad y
dirección del viento registrados de forma horaria por la estación
meteorológica automática ubicada en puntos cercanos a las chimeneas de
los calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A.
En la tabulación se consideraron 16 direcciones de viento en grados
sexagesimales (°), Tabla Nº2, y categorías de velocidad de viento (m/s);
también se consideró la ocurrencia de calmas.
Tabla Nº2. Direcciones de la rosa de vientos
Sector Nomenclatura Sectores (º) [Li - Ls]
1 N (Norte) [348.75º - 11.25º]
2 NNE (Nor-Nor-Este) [11.25º - 33.75º]
3 NE (Nor-Este) [33.75º - 56.25º]
4 ENE (Este-Nor-Este) [56.25º - 78.75º]
5 E (Este) [78.75º - 101.25º]
6 ESE (Este-Sur-Este) [101.25º - 123.75º]
7 SE (Sur-Este) [123.75º - 146.25º]
8 SSE (Sur-Sur-Este) [146.25º - 168.75º]
9 S (Sur) [168.75º - 191.25º]
10 SSO (Sur-Sur-Oeste) [191.25º - 213.75º]
11 SO (Sur-Oeste) [213.25º - 236.25º]
12 OSO (Oeste-Sur-Oeste) [236.25º - 258.75º]
13 O (Oeste) [258.75º - 281.25º]
14 ONO (Oeste-Nor-Oeste) [281.25º - 303.75º]
15 NO (Nor-Oeste) [303.75º - 326.25º]
16 NNO (Nor-Nor-Oeste) [326.25º 348.75º]
Fuente: VILCA, 2011
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El punto inicial para empezar las direcciones es el norte magnético (0º),
avanzando en sentido horario, y la dirección registrada es la dirección de donde
viene el viento. Ver Tabla N° 8. La rosa de vientos muestra las 16 direcciones
con las respectivas ocurrencias de velocidad en cada una de las categorías de
velocidad establecidas, expresadas en % con respecto al total de datos válidos,
incluyendo las calmas.
Para realizar todo ello se utilizó un programa especial de procesamiento
de información de viento y estabilidad atmosférica denominado WRPLOT
versión 7.0.0; confeccionándose los respectivos formatos de los archivos de
entrada o “input file”. Los resultados obtenidos fueron rosas de vientos de 16
direcciones, cada rosa con su respectivo vector resultante.
1º Monitoreo Ambiental
Figura N°09. Rosa de viento del 1° monitoreo. (Dirección predominante SSW)
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2º Monitoreo Ambiental
Figura N°10. Rosa de viento del 2° monitoreo (Dirección predominante NNW)
3º Monitoreo Ambiental
Figura N°11. Rosa de viento del 3° monitoreo (Dirección predominante NNW)
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4º Monitoreo Ambiental
Figura N°12. Rosa de viento del 4° monitoreo (Dirección predominante SW)
5º Monitoreo Ambiental
Figura N°13. Rosa de viento del 5° monitoreo (Dirección predominante SW)
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6º Monitoreo Ambiental
Figura N°14. Rosa de viento del 6° monitoreo (Dirección predominante SSW)
3.2.2 Determinación de la dispersión atmosférica para los contaminantes
Para determinar la dispersión atmosférica en la zona de estudio
mediante la modelación gaussiana, se utilizó el modelo de dispersión
atmosférica gaussiano denominado SCREEN3, el cual puede realizar todos los
cálculos de corto plazo para una sola fuente del documento de procedimientos
de filtrado (Screening Procedures for Estimating the Air Quality Impact of
Stationary Sources, Revised), incluyendo la estimación de concentraciones del
máximo nivel de piso y la distancia a éste, incorporando los efectos del flujo
de caída por edificios en las concentraciones máximas para las regiones
cercanas y lejanas de la estela, estimando las concentraciones en la zona de
recirculación de cavidad, estimando las concentraciones debido al rompimiento
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de inversión y fumigación de litoral, y determinando el ascenso de la pluma
para liberaciones por incinerado. El modelo puede incorporar los efectos de
terreno elevado sencillo en concentraciones máximas, y puede calcular las
concentraciones promedio de 24 horas ocasionadas por la impactación de la
pluma en terreno complejo usando el procedimiento de filtrado de 24 horas del
modelo VALLEY (USEPA, 2000).
El periodo de tiempo considerado para realizar la dispersión
atmosférica fue toda la información disponible para el año 2013, 2014 y 2015,
años de estudio elegidos para el presente trabajo de tesis.
Las etapas del proceso seguidas para el modelamiento de la dispersión
atmosférica gaussiana fueron:
- Las etapas de implementación de la base de datos (preparación de
archivos de datos de entrada). Se implementó los datos de las variables
atmosféricas, de la fuente de emisión y del perfil del terreno.
- Etapa de procesamiento de la base de datos
- Etapa de post procesamiento (archivos de datos de salida).
Etapa de implementación de la base de datos
En esta etapa se preparó información de entrada para el modelo
SCREEN3 de los siguientes ítems:
Fuente de emisión
Las fuentes de emisión son las chimeneas de los calderos 17 y 20
de la empresa CARTAVIO. Ver Tabla N°03.
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Tabla N°3. Información de las fuentes de emisión
DESCRIPCIÓN CALDERA Nº 17 CALDERA Nº 20
Coordenadas WGS 84
de la fuente
9127195N, 696495E,
66 msnm
9127244N, 696535E,
69 msnm
Nombre del Fabricante Combustion
Engineering CALDEMA
Año de construcción 1954 2002
Capacidad 50000 Kg/h 135000 Kg/h
Presión máxima de
trabajo 42 Kg/cm2 42 Kg/cm2
Potencia en HP 4100 10800
Superficie de
calentamiento 1500 m2 4000 m2
Tipo de Combustible Bagazo Bagazo
Combustible que
consume por hora 28000 Kg/h 49906 Kg/h
Tipo calorífico en
BTU/libra 3332 BTU/lb 3332 BTU/lb
Calor generado en
BTU/hora 151 140 000 BTU/h 363 560 400 BTU/h
Grosor de chapa en la
carcaza 37.5 mm 37.5mm
Número, grosor y
diámetro de tubos
780 tubos ASTM
A178 Gr A de 0.165”
espesor y 2” diam
ext.
1655 tubos SA 178
Gr A de 3.4mm
espesor y 63.5 mm
diam ext.
200 tubos ASTM
A178 Gr A de 0.165”
espesor y 3” diam.
Ext.
396 tubos SA 178 Gr
A de 4.25mm espesor
y 76.2 mm diam ext.
Dimensiones del
recipiente
8000mm x 9000mm x
13500mm
18000mm x 8832mm
x 18430mm
Altura de la chimenea 30 m 30 m
Diámetro interno de la
chimenea 3 m 3 m
Fuente: Cartavio S.A.A.
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Información meteorológico de la zona de estudio
La información de las variables meteorológicas requeridas para
obtener la dispersión atmosférica de la zona de estudio fue de los años
2013, 2014 y 2015. Se trabajó con la información meteorológica obtenida
en los Monitoreos Ambientales de la empresa Cartavio S.A.A.
Las variables meteorológicas dirección del viento y temperatura
ambiental proceden de la información meteorológica de superficie
(instrumental instalado en la zona de monitoreo).
Tabla N°4. Información adicional de las fuentes de emisión
Fuente de
emisión
Variable
meteorológica
Monitoreo
1 2 3 4 5 6
Caldero 17
Temperatura
ambiente (°C) 18.03 25.60 29.00 19.33 19.40 28.70
Dirección del viento
predominante SSW NNW NNW SW SW ESE
Caldero 20
Temperatura
ambiente (°C) 24.33 26.90 31.70 24.00 22.60 31.40
Dirección del viento
predominante SSW NNW NNW SW SW ESE
Fuente: Cartavio S.A.A.
Selección de escala de contaminación atmosférica
Tabla Nº5. Escalas de la contaminación atmosférica
ESCALA DIMENSIÓN EJEMPLO
Local Cerca de 5 km Contaminación de vehículos
automotores, pequeñas industrias, etc.
Urbana De 5 a 50 km
Emisiones de grandes industrias,
formación de contaminantes secundarios
(formación ozono).
Regional De 50 a 500 km Lluvia ácida
Continental De 500 hasta varios
miles de km
Es parecida a la regional. Efecto que
produce la contaminación de un país
sobre otro.
Global Por todo el mundo Emisiones de clorofluorocarbonos o de
material radioactivo.
Fuente: (Boubel, Stern, Turner y Fox, 1994)
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Se consideró una escala local tomando una distancia máxima de
5Km como área de influencia para el modelamiento debido a que el
núcleo urbano de la ciudad de Cartavio se extiende de la siguiente
manera: por el norte el sector El Ingenio (400m) y Santa Rosa (1400m),
por el noroeste el sector Señor de los Milagros (1200m), por el suroeste
Santa Elena (1100m), al oeste Techo Propio (1200m) y Cartavio Antiguo
(1100m), al Sur se encuentra el Sector Portada de Chiquitoy (700m) y
por el este Leoncio Prado (716m) teniendo como referencia un máximo
de 1.4 km de distancia a la fuente de emisión. Ver anexo 1.
Determinación de las características topográficas
Fue confeccionada en el programa AutoCAD 2014 mediante la
captura de coordenadas en 3 dimensiones (X, Y, Z) con equipos GPS y
la consulta de planos de la empresa Cartavio S.A.A. La información
almacenada en AutoCAD fue llevada al programa SURFER para obtener
la grilla de 25 x 33 cuadriculas de la zona de estudio. Cada cuadrícula de
175 m x 134 m. Ver Cuadro N° 18.
Asimismo, se determinó el perfil del suelo en favor de la dirección
del viento predominante mediante imágenes satelitales obtenidas en
Google Earth Pro, de donde se obtuvo la altura del terreno con respecto
a una distancia determinada de la fuente de emisión. Ver anexo 2.
Tabla 6. Elevación del terreno respecto a distancias discretas
Distancia de la fuente representativa a la
población (Sector El Ingenio)
Elevación
msnm
133 57
266 61
399 61
Fuente: Propia
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Tabla7. Elevación del terreno respecto a distancias automáticas
Distancia de la
fuente
representativa
Elevación
msnm
0 58
50 58
150 58
250 60
350 61
450 60
550 60
650 61
750 62
850 63
950 64
1050 65
1150 66
1250 66
1350 66
1450 67
1550 68
1650 70
1750 69
1850 70
1950 71
2050 71
2150 72
2250 72
2350 72
2450 73
2550 74
2650 75
2750 76
2850 76
2950 76
3250 77
3750 81
4250 85
4750 89
5000 90
Fuente: Propia
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Etapa de procesamiento de los datos de entrada
Un aspecto fundamental en el proceso de modelamiento de la
dispersión gaussiana es el tratamiento del terreno donde se ubicarán los
receptores, para los cuales el modelo calculará las concentraciones del CO,
NOX, SO2 y PM10 respectivos. El modelo considera tres tipos de terreno:
terreno simple, terreno complejo y terreno simple y complejo. Ver Figura
N°16. De acuerdo a cada uno de los tipos de terreno, el modelo empleará los
algoritmos correspondientes para la realización de la dispersión atmosférica.
Figura N°15. Esquema de las clases de terreno en la modelación de la dispersión
atmosférica gaussiana, según SCREEN3
Terreno simplees definido como aquella superficie que se encuentra
por debajo de la altura de la fuente de emisión o de descarga del
contaminante. El terreno simple presenta 2 variantes, terreno simple plano
y terreno simple elevado. Ver Figura Nº16.El terreno simple plano es aquel
donde la altura asumida no va a pasar la altura de la chimenea. La altura del
terreno será considerada 0.0 m.El terreno simple elevado es aquel donde el
terreno excede la altura de la base de la chimenea, pero no la altura superior
de la chimenea.Por consiguiente los receptores o puntos de modelación que
se encuentren en dicha superficie se considerarán como de receptores de
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terreno simple, y el modelo usará los algoritmos de dispersión para terreno
simple.
Figura N°16. Esquema de las clases de terreno simple en la modelación
de la dispersión atmosférica gaussiana, según SCREEN3
Terreno complejo se refiere a aquella superficie que está al mismo
nivel de la altura efectiva de emisión (altura de elevación de la pluma) o que
se encuentra por encima de ella. En este caso los receptores o puntos de
modelación se denominan como receptores de terreno complejo, por
consiguiente el modelo utilizará los algoritmos de dispersión para terreno
complejo.
Terreno simple y complejose refiere a que la superficie de la zona
de estudio presente los 2 tipos de terrenos antes mencionados, terreno simple
y terreno complejo. En este caso particular, el modelo usará para los cálculos
de dispersión ambos algoritmos; el de dispersión para terreno simple y el de
dispersión para terreno complejo, y seleccionará de entre ambos aquel
resultado de concentración del contaminante que sea más alto.
Para determinar la condición urbana o rural de la zona de estudio
existen múltiples criterios (rugosidad de la superficie, uso de la tierra,
densidad de la población, etc.) para el presente trabajo de tesis se adoptó el
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procedimiento basado en el uso de la tierra (USEPA, 2001). SCREEN
permite la selección de coeficientes de dispersión urbana o rural. La
determinación de la aplicabilidad de la dispersión urbana o rural se basa en
el uso de la tierra o densidad de población. Para la determinación del uso de
la tierra se siguen los siguientes pasos:
Usando el criterio de uso de tierra
1. Se circunscribe un círculo de 3 km de radio, Ao, con centro en la fuente
usando el esquema meteorológico de determinación de tipo de uso de la
tierra.
2. Se verifica si los tipos de uso de la tierra I1, I2, C1, R2 y R3,
corresponden al 50 por ciento o más de Ao, si cumple sería uso urbano,
de lo contrario rural.
Usando el criterio de densidad de población
Se calcula el promedio de densidad de población, "p", por kilómetro
cuadrado con Ao como se definió anteriormente.
Si "p" es mayor que 750 personas/km², sería densidad urbana, de lo
contrario rural.
De los dos métodos, el del uso de la tierra se considera más
definitivo. Esta referencia proviene de la Sección 8.2.8 de la "Guía sobre
modelos de calidad del aire" (Corregida) y el Suplemento A (USEPA, 1987)
(LAKES ENVIRONMENTAL, 2007).
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Etapa de post procesamiento
Los resultados del procesamiento del modelo SCREEN3 fueron de
los siguientes tipos:
Salidas para representar mediante mapas de dispersión de los
contaminantes en el área de estudio (CO, NOX, SO2, PM10).
Concentraciones calculadas de los contaminantes en el área de
estudio,
Concentraciones calculadas de los contaminantes CO y NOX por el
modelo a nivel del suelo para un tiempo de modelación de 01 hora.
El modelo calculó para cada distancia el valor de concentración de los
contaminantes, luego se graficaron sus isolíneas.
Concentraciones calculadas del contaminante CO por el modelo a nivel
del suelo para un tiempo de modelación de 08 horas. El modelo calculó
para cada distancia el valor de concentración de los contaminantes,
luego se graficaron sus isolíneas.
Concentraciones calculadas de los contaminantes SO2 y PM10 por el
modelo a nivel del suelo para un tiempo de modelación de 24 horas. El
modelo calculó para cada distancia el valor de concentración de los
contaminantes, luego se graficaron sus isolíneas.
Concentraciones calculadas de los contaminantes NOX y PM10 por el
modelo a nivel del suelo para un tiempo de modelación de 01 año. El
modelo calculó para cada distancia el valor de concentración de los
contaminantes, luego se graficaron sus isolíneas.
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3.2.3 Ingreso de datos al SCREEN3
a. INPUTS
Se procede a seleccionar los parámetros de acuerdo al estudio a
realizar e ingresar los datos solicitados como se muestra en la Figura Nº17.
Figura N°17. Selección e ingreso de parámetros (inputs) para el estudio
Sources type. Seleccionamos el tipo de fuente a trabajar, para este
estudio se selección POINT que hace referencia a un tipo de fuente
puntual como son las chimeneas de los calderos 17 y 20.
Dispersion coefficient. Seleccionamos el coeficiente de dispersión
(urbano o rural) teniendo en cuenta el criterio de uso de tierra (apartado
b del 3.2.2) Se determinó el coeficiente de dispersión rural. Ver anexo 4.
Flagpole receptor. Referido a la altura del receptor sobre el nivel del
suelo, en nuestro caso se colocó 0m ya que el estudio se realizará a nivel
de suelo.
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Point Source Parameters. Parámetros de la fuente puntual, en este
punto procedemos a ingresar la información solicitada de la fuente, así
como algunos resultados obtenidos de los monitoreos:
- Emission Rate (g/s): se ingresa el flujo másico de la emisión del
contaminante, para nuestro caso al tener dos fuentes puntuales
próximas se genera una fuente representativa a ambas, para la cual se
ingresa el flujo másico de las emisiones del contaminante en estudio
de forma aditiva.
- Stack height (m): altura de la chimenea, en nuestro caso ambas
chimeneas presentan la misma altura igual a 30m, por lo que la
chimenea representativa tendrá la misma altura, constante para todas
las modelaciones.
- Stack Inside Diameter (m): diámetro interno de la chimenea, en
nuestro caso ambas chimeneas presentan igual valor de diámetro
interno equivalente a 3m, por lo que la chimenea representativa tendrá
el mismo diámetro interno, constante para todas las modelaciones.
- Stack Gas Exit Velocity (m/s): velocidad de salida del gas de la
chimenea, el valor varía de acuerdo al monitoreo a modelar.
- Stack Gas Exit Temperature (K): temperatura de salida del gas de la
chimenea, el valor varía de acuerdo al monitoreo a modelar.
- Ambient Air Temperature (default 293K): temperatura del aire
ambiental, el valor varía de acuerdo al monitoreo a modelar.
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b. OPTIONS
Se procede a seleccionar los parámetros de acuerdo al estudio a
realizar e ingresar los datos solicitados como se muestra en la Figura Nº18.
Figura N°18. Selección e ingreso de parámetros (options) para el estudio
Terrain Options. Opciones de terreno, en nuestro estudio se seleccionó
la opción complex +simple terrain, debido a que la distancia elegida
para el estudio implica una escala local equivalente a 5 km, a lo largo
de lo cual se encontró terreno simple elevado y terreno complejo.
Simple Terrain. Terreno simple, en esta opción seleccionamos la
opción elevated terrain debido a que la superficie en estudio presenta
una elevación por debajo de la altura de la chimenea hasta los 4750m.
Choose at least one option (elegir por lo menos una opción)
En nuestro estudio seleccionamos ambas opciones.
- Automated distances: habilita la pestaña de distancias automáticas
para posteriormente completar con datos.
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- Discrete distances: habilita la pestaña de distancias discretas para
posteriormente completar con datos.
Options: en nuestro estudio no se ejerce influencia por este punto no
seleccionamos ninguna opción por lo siguiente:
- Fumigation: hace referencia a la fumigación por rompimiento de
inversión térmica y fumigación de litoral, esto está en relación a la
cercanía de un cuerpo de agua. Para usar esta opción se debe tener
en cuenta que debe ser un lugar rural, tierra adentro con altura de
chimenea mayor o igual a 10m y a una distancia menor a 3km de un
gran cuerpo de agua. En nuestro caso no aplica porque nuestra fuente
de emisión está a más de 3km de distancia a un cuerpo de agua.
- Building Downwash: caída de flujo de edificio, hace referencia al
efecto de cavitación producido por la diferencia de presión cuando
una chimenea está sobre un edificio. Para nuestro caso no aplica
porque las bases de las chimeneas están a nivel de suelo.
Figura N°19. Efecto downwash de la pluma de una chimenea
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En esta parte también encontramos pestañas que deben ser
completadas para la modelación:
Meteorology
Meteorología para la estimación de terreno simple
Figura N°20. Pestaña de meteorología, selección de opciones.
- Full Meteorology (all stability classes and wind speeds). Esta opción
realiza un modelamiento considerando todas las estabilidades
atmosféricas y las velocidades de viento aplicables a dichas
estabilidades. Reportando la mayor concentración de la combinación
e indica la velocidad de viento y estabilidad atmosférica a la que se
obtiene dicha concentración.
- Single Stability Class. Esta opción permite seleccionar una
estabilidad atmosférica específica para el desarrollo del
modelamiento, el software simulará solo con las velocidades
aplicables a esta estabilidad.
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- Single Stability Class and Wind Speed.Esta opción permite
seleccionar una estabilidad atmosférica y velocidad de viento
específicos para desarrollar el modelamiento.
Para el desarrollo de nuestro estudio utilizamos la opción Full
Meteorology para determinar la máxima concentración posible.
Opciones no reguladas: permite elegir o no la aplicación del método
Brode 2.
- Brode 2 Mixing Height? El método Brode 2 de altura de mezclado
permite calcular una altura de mezclado que está basada en el cálculo
de la altura de pluma, la velocidad del viento a la altura del
anemómetro y un factor dependiente de la estabilidad que es
comparado con una altura de mezclado mínima dependiente de la
estabilidad.
- Anemometer Height.Altura del anemómetro, por recomendación se
mide la velocidad del viento a una altura 10m sobre la superficie, la
cual puede variar si contamos con otra altura específica.
En nuestro estudio aplicamos el método Brode 2 porque es un método
conservador que reporta concentraciones más elevadas. Además
empleamos la altura del anemómetro por defecto que es equivalente a
10m según recomendación de World Meteorologycal Organization
(WMO, 2008).
Complex Terrain. Hace referencia a un terreno elevado sobre la altura
de la chimenea. En este punto completamos la información solicitada al
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lado derecho sobre distancias discretas del receptor, donde relaciona la
altura del receptor sobre la base de la chimenea y la distancia a la fuente
de emisión. Para nuestro caso de estudio el terreno complejo se presenta
desde 4750m hasta 5000m de distancia de la fuente con elevación de
terreno de 31m y 32m respectivamente.
Figura N°21. Pestaña de Terreno Complejo, ingreso de datos.
Automated Distances: se ingresan rangos de distancias a la fuente de
emisión considerando la elevación de terreno a la base de la chimenea.
Por ejemplo para nuestro estudio, desde la fuente de emisión hasta los
200m el terreno no presenta elevación, a partir de los 200m a los 600m
el terreno presenta una elevación de 2m medida desde la base de la
chimenea, y así suscesivamente. Ver Figura N°22.
Discrete Distances: son aquellas distancias específicas a la fuente de
emisión, donde se quiere hallar la concentración de contaminante, por
ejemplo al inicio de un poblado. En esta opción se ingresa las distancias
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específicas y la alturas sobre la base de la chimenea correspondientes a
estos puntos. Ver Figura N°23.
Figura N°22. Pestaña de distancias automáticas, ingreso de datos.
Figura N°23. Pestaña de distancias discretas, ingreso de datos.
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Downwash: para nuestro caso esta opción está desactivada.
Figura N°24. Pestaña Downwash
Fumigation: para nuestro caso esta opción está desactivada.
Figura N°25. Pestaña Fumigation
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c. RUN
Pone en marcha la simulación, aparece una ventana que verifica que
no existe error en el ingreso de datos.
Figura N°26. Puesta en marcha de la simulación y verificación del correcto
ingreso de datos.
d. OUTPUT
Entrega un reporte con los resultados de la simulación.
Figura N°27. Reporte con todos los resultados proporcionados el SCREEN3.
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IV. RESULTADOS
4.1 Máximas concentraciones a nivel del suelo
Tabla N°8. Máxima concentración del CO a nivel del suelo
Distancia de la fuente (m)
Concentración Reportada por el SCREEN3 (ug/m3), para CO (1 HR)
Monitoreo 1 Monitoreo 2 Monitoreo 3 Monitoreo 4 Monitoreo 5 Monitoreo 6 Peores Condiciones
1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
100 0.25 28.53 7.98 20.29 0.02 0.00 1655.00
133 3.05 126.60 45.31 230.00 0.41 0.69 5880.00
200 68.07 280.30 120.40 1051.00 57.38 36.29 11340.00
266 568.60 369.40 152.60 1484.00 236.80 106.90 15500.00
300 825.20 382.50 162.10 1510.00 288.80 120.20 15870.00
399 1874.00 491.40 211.80 2025.00 479.80 171.90 20130.00
400 1746.00 461.80 199.00 1898.00 448.80 160.90 18930.00
500 2310.00 480.40 208.70 2028.00 508.90 177.40 19680.00
600 2760.00 490.30 214.80 2104.00 554.90 185.40 20060.00
700 2855.00 486.30 211.80 2096.00 563.10 195.50 19490.00
800 2828.00 469.10 206.20 2056.00 566.60 190.50 19140.00
900 2766.00 455.00 198.30 1986.00 571.50 192.60 18650.00
1000 2752.00 466.90 201.90 1955.00 559.50 187.80 18950.00
1100 2763.00 465.50 202.40 1972.00 543.90 186.00 19020.00
1200 2686.00 444.30 194.40 1894.00 526.20 178.60 18210.00
1300 2602.00 428.40 186.00 1828.00 507.60 172.70 17380.00
1400 2560.00 425.20 184.30 1817.00 498.20 168.20 17070.00
1500 2514.00 419.10 183.60 1805.00 485.30 166.40 17010.00
1600 2494.00 423.00 186.90 1849.00 485.80 172.50 17360.00
1700 2405.00 407.50 178.90 1775.00 476.60 166.40 16650.00
1800 2327.00 393.30 171.30 1704.00 466.20 161.10 15960.00
1900 2272.00 389.00 168.30 1678.00 469.00 160.40 15690.00
2000 2192.00 374.80 162.80 1625.00 456.40 155.00 15050.00
2100 2177.00 369.50 161.50 1611.00 455.80 154.40 14790.00
2200 2103.00 356.00 156.30 1558.00 442.30 149.70 14220.00
2300 2044.00 343.30 151.20 1507.00 429.10 145.10 13680.00
2400 2067.00 338.40 149.50 1490.00 427.80 144.00 13600.00
2500 2083.00 333.70 147.60 1471.00 425.80 143.40 13500.00
2600 2093.00 329.30 145.80 1453.00 423.20 143.30 13390.00
2700 2096.00 325.30 144.00 1436.00 420.10 142.90 13270.00
2800 2050.00 315.00 139.60 1391.00 409.20 139.40 12890.00
2900 2010.00 306.60 135.30 1354.00 398.80 136.00 12530.00
3000 2013.00 304.40 134.00 1344.00 397.40 135.50 12400.00
3500 2311.00 311.50 141.20 1425.00 441.10 147.90 12010.00
4000 2316.00 323.60 149.00 1572.00 457.10 178.80 12310.00
4500 2770.00 291.40 135.10 1452.00 536.10 172.80 11020.00
4750 3167.50 300.00 140.10 1538.75 602.50 191.63 11270.00
5000 3137.50 284.75 133.38 1475.25 591.75 187.05 10682.50
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Tabla N°9. Máxima concentración del NOXa nivel del suelo
Distancia de la fuente (m)
Concentración Reportada por el SCREEN3 (ug/m3), para NOX (1 HR)
Monitoreo 1 Monitoreo 2 Monitoreo 3 Monitoreo 4 Monitoreo 5 Monitoreo 6 Peores Condiciones
1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
100 0.01 1.55 1.01 3.40 0.00 0.00 50.84
133 0.07 6.85 5.74 38.49 0.07 0.08 180.60
200 1.66 15.17 15.24 175.90 9.30 4.30 348.20
266 13.90 20.00 19.32 248.40 38.38 12.67 476.10
300 20.17 20.71 20.52 252.70 46.81 14.26 487.60
399 45.81 26.60 26.81 338.90 77.78 20.39 618.50
400 42.67 25.00 25.19 317.70 72.68 19.08 581.40
500 56.47 26.01 26.41 339.30 82.49 21.04 604.70
600 67.46 26.54 27.19 352.20 89.94 21.99 616.10
700 69.80 26.33 26.82 350.80 91.28 23.19 598.80
800 69.14 25.40 26.11 344.00 91.84 23.24 587.90
900 67.61 24.63 25.10 332.50 92.64 22.84 573.00
1000 67.28 25.27 25.56 327.20 90.70 22.27 582.10
1100 67.54 25.20 24.56 330.10 88.16 22.06 584.40
1200 65.65 24.06 24.61 317.00 85.29 21.18 559.50
1300 63.60 23.19 23.54 305.90 82.29 20.48 533.80
1400 62.59 23.02 23.33 304.20 80.75 19.95 524.40
1500 61.46 22.69 23.24 302.10 78.66 19.73 522.40
1600 60.96 22.90 23.66 309.50 78.75 20.46 533.20
1700 58.79 22.06 22.65 297.10 77.25 19.73 511.30
1800 56.90 21.29 21.69 285.20 75.57 19.11 490.40
1900 55.53 21.06 21.30 280.80 76.02 19.03 482.10
2000 53.59 20.29 20.61 272.00 73.98 18.38 462.50
2100 53.21 20.01 20.45 269.70 73.88 18.32 454.50
2200 51.42 19.27 19.78 260.80 71.69 17.76 436.70
2300 49.96 18.58 19.14 252.20 69.55 17.21 420.20
2400 50.53 18.32 18.92 249.30 69.34 17.08 417.70
2500 50.92 18.06 18.69 246.30 69.03 17.00 414.90
2600 51.15 17.83 18.46 243.30 68.60 17.00 411.40
2700 51.25 17.61 18.23 240.40 68.09 16.95 407.50
2800 50.11 17.05 17.67 232.90 66.34 16.53 395.90
2900 49.14 16.60 17.13 226.60 64.65 16.13 384.90
3000 49.21 16.48 16.96 224.90 64.42 16.07 381.10
3500 56.50 16.87 17.88 238.50 71.50 17.54 368.90
4000 67.84 17.52 18.87 263.10 88.68 21.21 378.10
4500 67.87 15.77 17.10 243.00 86.90 20.49 338.60
4750 77.45 16.24 17.74 257.50 97.68 22.73 346.25
5000 76.68 15.42 16.89 246.93 95.93 22.18 328.25
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Tabla N°10. Máxima concentración del PM10a nivel del suelo
Distancia de la fuente (m)
Concentración Reportada por el SCREEN3 (ug/m3), para PM10 (1 HR)
Monitoreo 1 Monitoreo 2 Monitoreo 3 Monitoreo 4 Monitoreo 5 Monitoreo 6 Peores Condiciones
1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
100 0.01 0.88 2.03 2.58 0.00 0.00 61.99
133 0.09 3.91 11.50 29.24 0.00 0.08 220.30
200 2.11 8.65 30.56 133.60 0.24 4.06 424.60
266 17.60 11.41 38.73 188.70 0.99 11.97 580.60
300 25.54 11.81 41.13 192.00 1.21 13.46 594.60
399 57.99 15.17 53.75 257.40 2.01 19.25 754.20
400 54.02 14.26 50.50 241.30 1.88 18.02 709.00
500 71.49 14.83 52.95 257.80 2.13 19.87 737.30
600 85.40 15.14 54.51 267.50 2.32 20.76 751.30
700 88.36 15.01 53.76 266.50 2.35 21.90 730.20
800 87.52 14.48 52.33 261.30 2.37 21.95 716.80
900 85.59 14.05 50.32 252.50 2.39 21.57 698.70
1000 85.17 14.41 51.23 248.50 2.34 21.03 709.80
1100 85.50 14.37 51.36 250.70 2.27 20.83 712.70
1200 83.11 13.72 49.33 204.80 2.20 20.00 682.30
1300 80.51 13.23 47.19 232.30 2.12 19.34 650.90
1400 79.23 13.13 46.78 231.10 2.08 18.56 639.50
1500 77.80 12.94 46.59 229.50 2.03 18.63 637.10
1600 77.17 13.06 47.43 235.10 2.03 19.32 650.20
1700 74.43 12.58 45.40 225.70 1.99 18.63 623.50
1800 72.02 12.14 43.47 216.60 1.95 18.04 598.00
1900 70.30 12.01 42.71 213.30 1.96 17.97 587.90
2000 67.84 11.57 41.32 206.60 1.91 17.36 563.90
2100 67.36 11.41 40.99 204.80 1.91 17.29 554.20
2200 65.09 10.99 39.66 198.10 1.85 16.77 532.60
2300 63.24 10.60 38.38 191.60 1.79 16.25 512.40
2400 63.97 10.45 37.93 189.40 1.79 16.12 509.30
2500 64.46 10.30 37.47 187.10 1.78 16.06 505.90
2600 64.75 10.17 37.00 184.80 1.77 16.05 501.70
2700 64.87 10.04 36.55 182.60 1.76 16.01 496.90
2800 63.43 9.72 35.42 176.90 1.71 15.61 482.80
2900 62.21 9.47 34.35 172.10 1.67 15.23 469.30
3000 62.30 9.40 34.00 170.80 1.66 15.17 464.70
3500 71.52 9.62 35.84 181.10 1.84 16.56 449.80
4000 85.88 9.99 37.82 199.90 2.29 20.03 461.10
4500 85.73 9.00 34.28 184.60 2.24 19.35 412.90
4750 98.05 9.26 35.55 195.63 2.52 21.46 422.25
5000 97.05 8.80 33.85 187.55 2.47 20.95 400.25
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Tabla N°11. Máxima concentración del SO2a nivel del suelo
Distancia de la fuente (m)
Concentración Reportada por el SCREEN3 (ug/m3), para SO2 (1 HR)
Monitoreo 1 Monitoreo 2 Monitoreo 3 Monitoreo 4 Monitoreo 5 Monitoreo 6 Peores Condiciones
1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
100 0.01 2.12 1.38 0.00 0.00 0.00 49.68
133 0.09 9.40 7.86 0.00 0.00 0.10 176.50
200 2.04 20.81 20.88 0.00 0.66 5.18 340.30
266 17.07 27.43 26.47 0.00 2.74 15.27 465.20
300 24.77 28.40 28.11 0.00 3.34 17.17 476.50
399 56.25 36.48 36.73 0.00 5.56 24.56 604.40
400 52.40 34.29 34.51 0.00 5.19 22.99 568.10
500 69.35 35.67 36.19 0.00 5.89 25.35 590.80
600 82.84 36.40 37.25 0.00 6.43 26.49 602.00
700 85.71 36.11 36.74 0.00 6.52 27.93 585.20
800 84.90 34.83 35.76 0.00 6.56 28.00 574.40
900 83.02 33.79 34.39 0.00 6.62 27.52 559.90
1000 82.61 34.67 35.01 0.00 6.48 26.83 568.80
1100 82.94 34.57 35.10 0.00 6.30 26.05 571.10
1200 80.62 32.99 33.71 0.00 6.09 25.51 546.70
1300 78.09 31.81 32.25 0.00 5.88 24.67 521.60
1400 75.66 31.57 31.97 0.00 5.77 24.03 512.50
1500 75.47 31.12 31.84 0.00 5.62 23.77 510.50
1600 72.88 31.41 32.41 0.00 5.63 24.65 521.00
1700 72.20 30.25 31.03 0.00 5.52 23.77 499.70
1800 69.87 29.20 29.71 0.00 5.40 23.01 479.20
1900 68.19 28.89 29.18 0.00 5.43 22.92 471.10
2000 65.81 27.83 28.24 0.00 5.29 22.14 451.90
2100 65.34 27.44 28.01 0.00 5.28 22.06 444.10
2200 63.14 26.43 27.10 0.00 5.12 21.39 426.80
2300 61.34 25.49 26.23 0.00 4.97 20.73 410.60
2400 62.05 25.12 25.92 0.00 4.95 20.57 408.10
2500 62.53 24.78 25.61 0.00 4.93 20.48 405.40
2600 62.81 24.45 25.29 0.00 4.90 20.47 402.00
2700 62.93 24.16 24.98 0.00 4.87 20.42 398.20
2800 61.53 23.39 24.20 0.00 4.74 19.92 386.90
2900 60.34 22.76 23.47 0.00 4.62 19.43 376.10
3000 60.43 22.60 23.23 0.00 4.60 19.36 372.30
3500 69.38 23.13 24.49 0.00 5.11 21.13 360.40
4000 69.54 24.03 25.85 0.00 6.34 25.55 369.50
4500 83.16 21.64 23.42 0.00 6.21 24.68 330.80
4750 95.13 22.27 24.30 0.00 6.98 27.38 338.25
5000 94.15 21.15 23.13 0.00 6.85 26.73 320.75
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Con los resultados obtenidos mediante el SCREEN3, basado en el modelo
gaussiano, y reportados en las Tablas Nº 8, 9, 10 y 11, resultados del cálculo de
la máxima concentración del contaminante, CO, NOX, PM10 y SO2, a nivel del
suelo parala fuente emisora, la Chimenea Representativa a las Chimeneas de los
Calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A., a 1 hora de modelación, se
comprueba que con el modelo gaussiano se pueden obtener resultados
estacionarios, para un determinado tiempo de modelación (BEYCHOK, 1994 y
SCHNELLE, 1999).
4.2 Perfiles de concentraciónmáxima a nivel del suelo
Los perfiles de máxima concentración a nivel del suelo, fueron elaborados
a partir de los resultados de las concentraciones reportadas por el SCREEN3, a
dicha concentración inicial (1 hora), apartado 4.1, se le multiplicaron los factores
indicados en el documento Screening Procedures for Estimating the Air Quality
Impact of Stationary Sources, Revised (USEPA, 1992). Ver Tabla Nº8.
Tabla Nº12.Factor para obtener la concentración máxima para un tiempo dado
Tiempo promedio Factor
8 horas 0.7 (+/- 0.2)
24 horas 0.4 (+/- 0.2)
Anual 0.08 (+/- 0.02)
Fuente: USEPA, 1992b
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4.2.1 Perfil de concentración del contaminante CO
Figura N°28. Perfil de concentración de CO comparado con ECA a 1 hora
Figura N°29. Perfil de concentración de CO comparado con ECA a 8 horas
0
15000
30000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3 )
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración CO (1 hora)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
0
5000
10000
15000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3 )
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración CO (8 horas)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
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4.2.2 Perfil de concentración del contaminante NOX
Figura N°30. Perfil de concentración de NOX comparado con ECA a 1 hora
Figura N°31. Perfil de concentración de NOx comparado con ECA anual
0
200
400
600
800
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3)
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración NOx (1 hora)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
0
50
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3)
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración NOX (Anual)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
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4.2.3 Perfil de concentración del contaminante PM10
Figura N°32. Perfil de concentración de PM10 comparado con ECA a 24 horas
Figura N°33. Perfil de concentración de PM10 comparado con ECA anual
0
150
300
450
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3)
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración PM10 (24 horas)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
0
25
50
75
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3 )
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración PM10 (Anual)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
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4.2.4 Perfil de concentración del contaminante SO2
Figura N°34. Perfil de concentración de SO2 comparado con ECA a 24 horas
De los Perfiles de máxima concentración del contaminante, CO, NOX, PM10
y SO2, a nivel del suelo para la fuente emisora, la Chimenea Representativa a las
Chimeneas de los Calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A., al compararlos
con los ECAs, para los diferentes tiempos de modelación, se aprecia que las
situaciones críticas se reportaron para algunos contaminantes, NOX y SO2, en el
1º y 4º Monitoreo y en las Peores Condiciones probables para todos los
contaminantes estudiados, esto verifica que las concentraciones calculadas en los
Perfiles de concentración son proporcionales a las intensidades de las emisiones
de las fuentes (PASQUIL, 1961; PERKINS, 1974; SCHENLLE, 1999 y
SEOANEZ, 2002). Asimismo, se aprecia que los picos de máxima concentración
están entre los 300 y 900 m de distancia de la fuente.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Co
nce
ntr
ació
n m
áxim
a (u
g/m
3 )
Distancia de la fuente (m)
Perfil de concentración SO2 (24 horas)
ECA M1 M2 M3 M4 M5 M6 PE
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4.3 Mapas de isolíneas de máxima concentración a nivel del suelo
Se graficaron los resultados del 1º y 4º y de las Peores Condiciones, debido
a que en los Perfiles de concentración máxima de los contaminantes, CO, NOX,
PM10 y SO2, a nivel del suelo, el modelamiento reporta resultados que sobrepasan
o podrían sobrepasar, las Peores Condiciones, los ECAs .
Las isolíneas de máxima concentración de los contaminantes, se obtuvo a
partir de los resultados usados en los Perfiles de concentración máxima de los
contaminantes.
4.3.1 Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo
Figura N°35. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo a 1 hora
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Figura N°36. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo a 8 horas
Figura N°37. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo,
del 4º Monitoreo a 1 hora
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Figura N°38. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo,
del 4º Monitoreo a 8 horas
Figura N°39. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo,
de las Peores Condiciones a 1 hora
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Figura N°40. Isolíneas de máxima concentración de CO a nivel del suelo,
de las Peores Condiciones a 8 horas
4.3.2 Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo
Figura N°41. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo a 1 hora
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Figura N°42. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo anual
Figura N°43. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo,
del 4º Monitoreo a 1 hora
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Figura N°44. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo,
del 4º Monitoreo anual
Figura N°45. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo,
de las Peores Condiciones a 1 hora
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Figura N°46. Isolíneas de máxima concentración de NOX a nivel del suelo,
de las Peores Condiciones a anual
4.3.3 Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo
Figura N°47. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo a 24 horas
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Figura N°48. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo anual
Figura N°49. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo,
del 4º Monitoreo a 24 horas
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Figura N°50. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo,
del 4º Monitoreo anual
Figura N°51. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo,
de las Peores Condiciones a 24 horas
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Figura N°52. Isolíneas de máxima concentración de PM10 a nivel del suelo,
delas Peores Condiciones anual
4.3.4 Isolíneasde máxima concentración de SO2 a nivel del suelo
Figura N°53. Isolíneas de máxima concentración de SO2 a nivel del suelo,
del 1º Monitoreo a 24 horas
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Figura N°54. Isolíneas de máxima concentración de SO2 a nivel del suelo,
de las Peores Condiciones a 24 horas
4.4 Influencia en la Calidad del Aire de los colindantes a la empresa Cartavio
S.A.A.
Tras el análisis de los datos meteorológicos, se determinó que los sectores con
mayor impacto en su calidad del aire debido a las emisiones de las chimeneas de los
calderos de la empresa Cartavio S.A.A., son los sectores ubicados al Norte de la
empresa, dirección de viento SW y SSW, siendo el sector El Ingenio el que sufre el
mayor impacto. Ver Dirección del Viento en el Anexo 3.
Como se detalla en la Tabla Nº6 se modeló para 3 puntos en el sector El Ingenio,
a 133 m de las chimeneas, correspondiente a la parte más proximal al sector; a 266 m,
al centro del sector y 399 m, en la parte más distante del sector. Ver los resultados para
esas distancias en las Tabla Nº8, 9, 10 y 11.
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En los resultados antes expuestos se puede verificar que el sector El Ingenio
puede sufrir deterioro en su Calidad del Aire, especialmente cuando se dan las Peores
Condiciones, haciendo referencia a las peores condiciones meteorológicas posibles
(atmosférica estable y baja altura de mezclado) para la dispersión de contaminantes, a
lo largo del día; y a las peores condiciones de operación de los calderos (taponamiento
de las toberas del lavador de gases, dosificación de aditivos para el lavado de gases y
baja eficiencia de combustión).
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V. DISCUSIONES
Con los resultados obtenidos mediante el SCREEN3, basado en el modelo gaussiano,
y reportados en las Tablas Nº 8, 9, 10 y 11, resultados del cálculo de la máxima
concentración del contaminante, CO, NOX, PM10 y SO2, a nivel del suelo para la
fuente emisora, la Chimenea Representativa a las Chimeneas de los Calderos 17 y 20
de la empresa Cartavio S.A.A., a 1 hora de modelación, se comprueba que con el
modelo gaussiano se pueden obtener resultados estacionarios, para un determinado
tiempo de modelación (BEYCHOK, 1994 y SCHNELLE, 1999).
De los Perfiles de máxima concentración del contaminante, CO, NOX, PM10 y SO2,
a nivel del suelo para la fuente emisora, la Chimenea Representativa a las Chimeneas
de los Calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A., al compararlos con los ECAs,
para los diferentes tiempos de modelación, se aprecia que las situaciones críticas se
reportaron para algunos contaminantes, NOX y SO2, en el 1º y 4º Monitoreo y en las
Peores Condiciones probables para todos los contaminantes estudiados, esto verifica
que las concentraciones calculadas en los Perfiles de concentración son
proporcionales a las intensidades de las emisiones de las fuentes (PASQUIL, 1961;
PERKINS, 1974; SCHENLLE, 1999 y SEOANEZ, 2002). Asimismo, se aprecia que
los picos de máxima concentración están entre los 300 y 900 m de distancia de la
fuente.
En los Mapas de isolíneas de máxima concentración del contaminante, CO, NOX,
PM10 y SO2, a nivel del suelo para la fuente emisora, la Chimenea Representativa a
las Chimeneas de los Calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A. se aprecia que
el Sector El Ingenio y los campos al Norte de este reciben la mayor impactación de
los contaminantes emitidos por Cartavio S.A.A. Asimismo, se observa que los 2000
y 3000 m existe una zona con una adecuada dispersión de contaminantes,
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comparativa a los alrededores. Estas zonas de concentración son determinadas por la
conjunción de los diferentes factores meteorológicos y topográficos de la zona, como
puede ser la velocidad promedio del viento (PASQUIL, 1961; PERKINS, 1974;
SCHENLLE, 1999 y SEOANEZ, 2002).
Mediante la conjunción de los diferentes resultados y datos iniciales, datos de los
Monitoreos Ambientales, se verifica la aplicabilidad del modelo de dispersión
gaussiana en la determinación de la influencia de las emisiones de las Chimeneas de
los Calderos 17 y 20 de Cartavio S. A.A. en el deterioro de la Calidad del Aire de los
colindantes de la empresa, sectores y campos agrícolas de la ciudad de Cartavio,
como en los estudios previos de otros investigadores de la modelación atmosférica
(HASAN, 2001; HONAGANAHALLI, 2000 y SAN JOSÉ, 2000).
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VI. CONCLUSIONES
Se determinó que el sector Norte a la empresa Cartavio S.A.A., principalmente el
sector El Ingenio, es el que tiene mayores repercusiones en su Calidad del Aire
debido a los contaminantes CO, NOX, PM10 y SO2, emitidos por las chimeneas de los
calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A.
Se determinó que las concentraciones máximas a nivel del suelo de los contaminantes
CO, NOX, PM10 y SO2, emitidos por las chimeneas de los calderos 17 y 20 de la
empresa Cartavio S.A.A. suelen ser inferiores a los ECA Aire.
Se observó que a lo largo de los monitoreos han disminuidos las concentraciones
máximas a nivel del suelo de los contaminantes CO, NOX, PM10 y SO2, emitidos por
las chimeneas de los calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A., cual indica que
la empresa Cartavio S.A.A. viene mejorando su desempeño ambiental.
Se infiere que aún existe un gran potencial de deterioro de la Calidad del Aire de los
sectores al Norte de Cartavio S.A.A., el cual sería producto de la sinergia de las
Peores Condiciones Meteorológicas (atmosférica estable y baja altura de mezclado),
que no faciliten la dispersión de contaminantes atmosféricos; y de las Peores
Condiciones de Operación (taponamiento de las toberas del lavador de gases,
dosificación de aditivos para el lavado de gases y baja eficiencia de combustión), que
propicien un mayor ratio de emisión de contaminantes por parte de las chimeneas de
los calderos 17 y 20 de la empresa Cartavio S.A.A. Asimismo, cabe resaltar que la
concentración de los contaminantes generados en los hogares de los calderos 17 y 20
de la empresa Cartavio S.A.A. está en función de la humedad relativa del bagazo
quemado, relación aire combustible y la composición química del bagazo quemado,
la cual varía según la variedad de caña de azúcar y del suelo en el que ha sido
cultivada la caña de azúcar.
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VII. RECOMENDACIONES
Se deben llevar a cabo estudios de modelamientos horarios para determinar la
influencia de las emisiones atmosféricas de la empresa Cartavio S.A.A. en la
Calidad del Aire de todos sus colindantes.
Se deben realizar modelamientos con modelos de dispersión más finos, donde se
pueda incluir el índice de decaimiento para el NOX y SO2, para tener datos más
reales del impacto en la Calidad del Aire.
La empresa Cartavio S.A.A. debe realizar y promover estudios de la Calidad de
Aire en sus colindantes a fin de demostrar su compromiso ambiental con el
cuidado y protección del Ambiente.
La empresa Cartavio S.A.A. debe implementar un riguroso programa de
mantenimiento y mejoramiento de todo su sistema de Generación de Energía,
especialmente de sus Calderos y de sus sistemas de lavado de gases, a fin de evitar
descargas puntuales con elevadas concentraciones de contaminantes a fin de no
menguar la Calidad de Aire de sus colindantes y pueda desarrollar sus operaciones
con la licencia social producto del cuidado y protección del Ambiente.
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Latinoamérica (Perú). Lima: CENTRUM; 2010. CARTAVC1; 19.
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España. 1970.
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impacto ambiental atmosférico. Argentina: Talleres Gráficos de la Imprenta del
Congreso de la Nación; 1997.
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Universidad de Castilla-La Mancha. España. 2004.
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[12] Ingeniería Sucroalcoholera: Introducción (diapositiva). Trujillo: Polo Fuentes MA;
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2008.
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IX. ANEXOS
ANEXO1. Distancias máximas de los sectores de Cartavio a las fuentes de emisión
Figura N°55. Sector El Ingenio
Figura N°56. Sector Santa Rosa
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Figura N°57. Sector Santa Elena
Figura N°58. Sector Cartavio Antiguo
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Figura N°59. Sector Techo Propio
Figura N°60. Sector Señor de los Milagros
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Figura N°61. Sector Portada de Chiquitoy
Figura N°62. Sector Leoncio Prado
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ANEXO 2. Perfil de suelo
Figura N°63. Perfil de suelo del área de estudio
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ANEXO 3. Resultados de monitoreos
Tabla N°13.Resultados de monitoreos para el caldero 17
CALDERO #17 MONITOREO
1 2 3 4 5 6
FECHA 14/08/2013 17/12/2013 17/01/2014 11/07/2014 19/09/2014 23/01/2015
SO2 (mg/Nm3)* 189.30 130.56 68.17 0.00 0.00 83.93
SO2 (ppm) 92.33 32.00 21.00 0.00 0.00 27.00
NOx (mg/Nm3)* 69.30 40.94 46.54 108.33 88.17 49.02
NOx (ppm) 56.47 14.00 20.00 32.33 40.00 22.00
CO (mg/Nm3)* 7665.00 2731.81 382.09 2226.20 1370.00 730.98
CO (ppm) 6694.70 1532.00 270.00 1085.70 1020.00 538.00
Partículas (mg/Nm3)* 94.28 24.24 76.29 97.67 1.83 68.60
Partículas (mg/m3) 75.20 19.33 70.91 91.09 1.48 54.74
Temperatura de gases (°C) 66.00 62.20 65.10 58.47 62.70 64.70
Temperatura ambiente (°C) 18.03 25.60 29.00 19.33 19.40 28.70
Dirección del viento SSW NNW NNW SW SW SSW
Presión barométrica (KPa) 100.35 99.04 99.50 100.39 100.12 99.81
Velocidad del viento (m/s) 11.56 4.70 4.10 6.30 3.10 1.30
Flujo volumétrico
(Nm3/h)* 111240.00 15114.80 60229.40 185922.64 121148.00 57563.30
Velocidad de salida (m/s) 7.30 1.33 1.20 1.34 6.10 5.83
Oxígeno (%) 10.10 13.99 12.19 14.89 11.70 11.80
Dióxido de carbono (%) 10.00 6.58 8.37 3.38 8.79 8.73
Exceso de aire (%) 13.00 194.30 136.30 210.87 123.20 126.10
Eficiencia de combustión
(%) 87.00 87.70 89.20 86.47 88.50 88.50
Fuente: Propia, a partir de datos de los monitoreos ambientales de Cartavio S.A.A.
*Los resultados están corregidos a 11% O2 y expresados en Condiciones Normales (0 ºC y
1013.25 mBar).
La variabilidad de los contaminantes emitidos está en función de la eficiencia de combustión,
de la composición química y humedad relativa del bagazo quemado y de la eficiencia del
sistema de lavado de gases.
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Tabla N°14.Resultados de monitoreos para el caldero 20
Fuente: Propia, a partir de datos de los monitoreos ambientales de Cartavio S.A.A.
*Los resultados están corregidos a 11% O2 y expresados en Condiciones Normales (0 ºC y
1013.25 mBar).
La variabilidad de los contaminantes emitidos está en función de la eficiencia de combustión,
de la composición química y humedad relativa del bagazo quemado y de la eficiencia del
sistema de lavado de gases.
CALDERO #20 MONITOREO
1 2 3 4 5 6
FECHA 14/08/2013 17/12/2013 17/01/2014 11/07/2014 19/09/2014 23/01/2015
SO2 (mg/Nm3)* 82.9 79.86 37.87 0.00 12.92 53.03
SO2 (ppm) 36.67 48.00 21.00 0.00 7.00 28.00
NOx (mg/Nm3)* 77.20 82.29 63.34 202.18 130.94 58.38
NOx (ppm) 72.80 69.00 49.00 94.00 99.00 43.00
CO (mg/Nm3)* 3017.1 637 329.45 183.42 346.77 269.04
CO (ppm) 3010.00 876.00 418.00 146.00 430.00 325.00
Partículas (mg/Nm3)* 223.36 71.13 44.64 73.32 5.49 54.18
Partículas (mg/m3) 297.48 53.23 37.49 63.21 4.00 39.16
Temperatura de gases (°C) 92.90 88.60 114.50 90.37 98.80 92.00
Temperatura ambiente
(°C) 24.33 26.90 31.70 24.00 22.60 31.40
Dirección del viento SSW NNW NNW SW SW SSW
Presión barométrica (KPa) 100.35 99.01 99.77 100.53 100.27 99.83
Velocidad del viento (m/s) 11.56 4.70 4.10 6.30 3.10 1.30
Flujo volumétrico
(Nm3/h)* 171360.00 13740.70 2887.02 183927.12 129865.00 49596.30
Velocidad de salida (m/s) 12.20 1.75 1.95 3.31 7.10 6.07
Oxígeno (%) 8.40 3.81 11.16 11.16 5.50 5.90
Dióxido de carbono (%) 10.00 16.32 5.47 5.47 14.74 14.36
Exceso de aire (%) 13.00 21.60 101.37 101.37 34.90 38.40
Eficiencia de combustión
(%) 87.00 89.30 86.23 86.23 88.60 89.20
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ANEXO 4. Cálculo de densidad población
Para determinar el coeficiente de dispersión (rural o urbana) se optó por emplear el método
de cálculo de la densidad poblacional.
Datos:
Población = 13 789 habitantes
Radio = 3km
ρ = densidad poblacional (ρ > 750hab/km2, entonces dispersión urbana)
𝜌 =𝑃
𝜋𝑅2
𝜌 =13789
𝜋(3)2
𝜌 = 487.686 ℎ𝑎𝑏
𝑘𝑚2
Por tanto, se obtuvo un coeficiente de dispersión rural.
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ANEXO 5. Ecuaciones empleadas para la data a ingresar al SCREEN3.
Conversión de ppm a mg/m3
𝑚𝑔
𝑚3=
𝑝𝑝𝑚 ∗ 𝑀 ∗ 𝑃
𝑅𝑇
Conversión de flujo volumétrico de Nm3/h a m3/s
𝑚3
𝑠=
�̇� ∗ (𝑇𝑔
𝑇𝑜)
𝑃 ∗ 3600
Cálculo de flujo másico
𝑔
𝑠=
[𝑚𝑔/𝑚3 ] ∗ �̇�
1000
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ANEXO 6. Plano Topográfico de campos de Cartavio S.A.A.
Figura N°64. Plano topográfico de campos de Cartavio S.A.A
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