emisiones gaseosas por combustión: riesgos por … gaseosas... · alrededor de la gota en la...
TRANSCRIPT
1
Emisiones Gaseosas por Combustión: Riesgos por Incidentes Ambientales23 Septiembre 2004
Alfredo Barriga Rivera Ph.D Director de Proyectos FIMCP
Director PostgradoProducción Más Limpia- ESPOL /
CEPL
COMBUSTIÓN
Es la reacción de oxidación rápida de un producto químico oxidable (combustible), liberando calor y emisiones lumínicas; la reacción se confina a una zona denominada “llama”, donde se produce la mayor parte de las reacciones del proceso.
El oxidante es oxígeno molecular, generalmente suministrado como aire ambiental. Combustible y oxígeno deben estar en contacto.
2
01.- Los combustibles hidrocarburíferosson los más utilizados en ambientes industriales para sistemas de energía: calderos; hornos; quemadores; secadores; etc.
02.- Típicamente son hidrocarburos líquidos, tales como diesel (fuel oil liviano) y fuel oil pesado. Se denominaran por simplicidad fuel oils.
03.- La combustión de los fuel oils se hace en cámaras de combustión en los que el hidrocarburo se mezcla con oxígeno y se combustiona bajo condiciones apropiadas
04.- El oxígeno es generalmente del aire atmosférico (21% O2 en base volumétrica). En ciertas circunstancias se enriquece con oxígeno suplementario
HORNO
Secador de alimentos
Caldero
05.- Se requiere que el combustible y el oxígeno (aire) se encuentren íntimamente mezclados para propender a una buena combustión. Ello impone que el fuel oil se encuentre en forma gaseosa (fase vapor) antes de la zona de combustión
06.- La transición a fase gaseosa del fuel oil (inicialmente líquido) se logra de manera rápida promoviendo la atomización eficaz y del fuel oil. Esto se da en el atomizador del quemador
3
07.- Llámese quemadorla unidad en la que se forma la llama de combustión.Esta unidad posee por tanto el soplador para aire y el atomizador para fuel oil, junto con la configuración fluido-dinámica para una buena mezcla y encendido
08.- El atomizador es una unidad de tipo fluido-mecánico. Su función consiste en permitir que el combustible, que ingresa como una corriente fluida continua, se convierta en una “niebla” de pequeñas gotillas de diámetro variable.
El fraccionamiento se da por un efecto de interacción fluido-dinámica, por ejemplo por doble fluido (combustible y vapor o aire caliente), combinado con paso por pasajes “tortuosos” , impactación contra placas y cambios bruscos de dirección.
4
09.- Las gotillas así formadas, que se emite como una fina “sábana”cónica de fluido y se fracciona subsecuentemente en gotillas más y más finas.
La distribución va desde décimas de micra (micro-metros) hasta unos pocos centenares de micras.
Las gotillas muy finas (orden de una micra o menos) se evaporan muy rápidamente, mientras que las gotillas de diámetro cercano a 100 micras o superior tienen dificultades para evaporarse.
10.- La nube de gotillas se va acercando a la zona de llama y se evapora. Si las gotas son muy gruesas (mayor a 100 micras) pueden llegar a la zona de llama todavía como gotillas líquidas, atravesando la llama con combustión de llama de difusión, es decir que se forma una llama alrededor de la gota en la envolvente en que se junta el combustible evaporado y el oxígeno del exterior.
Esto aumenta rápidamente la temperatura en el interior de la gota, esta se piroliza y descompone térmicamente, generando un núcleo “gomoso” con restos de hidrocarburo mal quemados (NMHC). Estas gotas se perciben visualmente como incandescencias que atraviesan la llama.
Esto contribuye a la formación de contaminantes.
5
11.- Los principales gases de combustión son el dióxido de carbono (CO2), el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2).
Agua también se forma por la combustión del hidrógeno del hidrocarburo.
Adicionalmente se forma monóxido de carbono (CO) debido a deficiencias de oxígeno, así como especies químicas SOx, NOx.
También se generan partículas, nieblas, gases, etc. Hollín e hidrocarburos parcialmente degradados (NMHC) también pueden formarse dependiendo de las condiciones del quemador
Gases de combustión
12.- La especie química SOx se forma por la presencia de azufre en el combustible. En Ecuador se acepta que el límite de contenido de azufre es inferior a 2%, si bien puede superar este valor en ciertos casos temporales.
13 .- El NOx se forma a partir de la reacción del nitrógeno atmosférico con oxígeno a las altas temperaturas relativas que prevalecen dentro de la cámara de combustión. También se oxida el nitrógeno contenido en la molécula del combustible
6
14.- Hollín es carbono reconstituido a partir de compuestos ya oxidados, cuando se dan zonas de baja concentración de oxígeno con alta temperatura
15.- Humos son partículas sub-micrométricas de tipo aerosol que emanan de los gases de combustión. Puede estar compuesto además de finas gotillas de especies condensables a la temperatura y presión ambientales. Las partículas se forman por condensación de vapores de compuestos inorgánicos
16.- Cenizas es el material mineral que se encuentra en la composición de los combustible Hay ceniza “voladora”(flyash) de pequeño tamaño (sub-micrométrico) y ceniza “gruesa” cuya media está en alrededor de unos 15 micrones
17.- Durante la combustión pueden haberse generados pequeñas cantidades de hidrocarburos insuficientemente combustionados.
A estos se denomina HC “sin quemar” , si bien algunos autores separan el metano y al resto lo denomina NMCH(HC otros que metano). A su vez estos hidrocarburos forman parte de los llamados “compuestos orgánicos volátiles” - VOC (volatile organic compounds) que comprenden además otros compuestos de baja presión de vapor.
Si los productos de combustión entran en contacto con otros compuestos, pueden generarse además otros VOCs.
7
18.- En presencia de compuestos halogenados, los gases de combustión pueden además generar los denominados “dioxinas” y “furanos”. Estos compuestos se generan en zonas en las que hay tiempo suficiente y temperatura en la faja de 300 a 500 grado C.
19.- El “tren de condicionamiento y depuración” permite que los gases de la combustión se enfríen, se les retire compuestos como el SOx, NOx, NMHC, hollín, mientras por otro lado se baja la temperatura en caso que fuere muy elevada.
20.- Componentes del tren de depuración son, entre otros: separadores ciclónicos; filtros de manga; intercambiadores de calor (recuperación de calor sensible); lavadores (scrubbers); y otros. Deben combinarse apropiadamente
filtros de manga
scrubbers Intercambiador de calor
8
VenturiScrubbers
21.- En casos en que se tenga ciertos compuestos como COVs se debe intercalar una cámara adicional de combustión denominada post-combustor, que se encarga de eliminar por combustión los residuos oxidables que quedan. Las normas internacionales imponen que se lleve el gas hasta por lo menos una temperatura de 1100 a 1200 grad C durante por lo menos 2 segundos.
1. Cámara Primaria2. Piso- Parrilla2-a Cámara de Cenizas2-b Pórtico para Cenizas
3. Pórtico de Cárga4. Paredes5- a Quemador Principal5- b Quemador Post combustor
6- a –d Canales de Post combustor7 Ductaje8 Tren de depuración9 Chimenea
9
22.- Los gases de combustión se conducen por ductos apropiados, y de allí se ventean a la atmósfera a través de la chimenea.
24.- La corriente de gases ( estela de la chimenea), asciende un poco debido en parte al impulso que lleva hacia arriba y por otro lado a la flotabilidad de los gases calientes, de menor densidad que el aire circundante debido a su mayor temperatura. La elevación a partir de la boca de salida de chimenea se denomina altura adicional de chimenea.
25.- La estela se dispersa hacia los alrededores. Partículas finas se van asentando por inmisión al suelo.
26.- La concentración con que las especies gaseosas y partículas llega al suelo depende entre otros factores de: la altura de chimenea, la elevación adicional de la estela; de la dirección y magnitud y turbulencia del viento; y de la estabilidad atmosférica.
28.- La dispersión de olores es similar a la de aerosoles y gases. Se detecta pr métodos perceptuales.
10
29.- El modelaje predictivo está bastante desarrollado. A partir de la ecuación de dispersión de Gauss se puede determinar la concentración de una especie gaseosa o de partículas en cualquier posición relativa.
30.- En la práctica se debe diseñar una chimenea tomando en cuenta los factores indicados más el enfriameinto de los gases a lo largo de los ductos.
Boquilla de alimentación mecánica
Combustible de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio/vapor
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Orificio simple, movimiento ciclónico
Mezcla comprimida con chorro fluido ciclónico
Hasta 100
75 – 150
10 -100
2.5:1 a 3.5:1
N/P
Llama corta, baja velocidad , cámara grande
11
Combustible de la boquilla
Efecto trayector
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio/vapor
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de solutos
Taza RotativaExtremo abierto, movimiento ciclónico
Introducción de aire de combustión con lamina ciclónico
Hasta 300
baja
5 -300
5:1
N/P
N/P
Hasta 20%
12
Combustible de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio/vapor
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Chorro
Choque externo de chorro fuel con chorro de aire
200 -1500
Menos 1.5 psig
400-1000 Scfa aire/ galón fuel
Llama corta, cámara pequeña
Hasta 30%
Quemador de atomización para aire externo de baja presión
Quemador de doble fluido externo de alta presión
Combustible de la boquilla
Efecto trayector
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio/vapor
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de solutos
Chorro
Choque externo no fuel con aire
150 -5000
30- 150 psig
3:1 a 4:1
2-5 lb /galón-fue
Hasta 70%
13
Combustible de la boquilla
Efecto trayector
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio/vapor
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de solutos
Spray cónico
Impacto de un metro de fuel con fluido de atomización antes de emerger
Hasta 100
3:1 a 4:1
bajo
Boquilla de mezcla interna
14
15
16
CONTAMINACÍON ATMOSFERICA
Los principales contaminantes del aire se clasifican en:
Son los que permanecen en la atmósfera tal y como fueron emitidos por la fuente. Para fines de evaluación de la calidad del aire se consideran: óxidos de azufre, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos y partículas.
PRIMARIOS
SECUNDARIOS
Son los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos destacan oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como el ozono (O3).
17
A Presión y Temperatura de la Chimenea
A Presión y Temperatura Ambiente
Después de Reacciones Químicas
SólidoLíquidoGas
PartículasPrimarias
PartículasPrimarias
PartículasSecundarias
Partículas Primarias y Secundarias
TECNICAS BASICAS DE ESTIMACION DE EMISIONES:
•Muestreo en la Fuente: son mediciones directas de la concentración de contaminantes en un volumen conocido de gas y de la tasa de flujo del gas en la chimenea. Son utilizadas con mayor frecuencia para fuentes de emisiones de combustión.
•Modelos de Emisión: son ecuaciones desarrolladas cuando las emisiones no se relacionan directamente con un solo parámetro.
•Factores de Emisión: son relaciones entre la cantidad de un contaminante emitido y una sola unidad de actividad.
•Balance de Materiales: se usan mediciones de todos los componentes, de un proceso, excepto el aire para determinar las emisiones al aire.
•Extrapolación: consiste en el escalamiento de las emisiones de una fuente dada a otra con base en un parámetro de escalamiento conocido para ambas fuentes
18
Jerarquías para la Estimación de Emisiones
Muestreo en la Fuente
Modelación de Emisiones
Factores de EmisiónBasados en Procesos
Balance de Materiales
Factores de EmisiónBasados en Censos
Cos
tos
Cre
cien
tes
Confianza creciente en el Cálculo
Mediciones de la emisión de contaminantes
• Los contaminantes emitidos por una chimenea pueden salir en forma particulada, en fase gaseosa o como mezcla de las dos fases.
• Los métodos de muestreo y análisis utilizados en la realización de las mediciones son específicos para el contaminante que se ha de medir.
19
PM25 =
PM10 =
PST =(incluyen todas las partículas < 100µm)
(incluyen todas las partículas < 10µm)
(incluyen todas las partículas < 2.5µm)
PST, PM10 y PM2.5
1
2
3
1 2 33 2 1
1
2
3
R1R2
R3
2D
8D
8D
TUBO DEPITOTSTANDARD
SONDA DEMUESTREO
TERMOPAR
20
EQUIPO UTILIZADO• Manómetros de columna inclinada con rango de 0 a 10 pulg. De agua.• Unidad de control.- en ella se localizan los manómetros inclinados, las válvulas de operación, el indicador de la temperatura, gasómetro y todas las conexiones eléctricas• Unidad de muestreo.- Cuenta con dos cajas de acero inoxidable. Una sección es de calentamiento equipada con resistencia y la otra es de enfriamiento con cuatro burbujeadores/impactores.
• Cordón umbilical.- Esta dotado con cables de termopares eléctricos, con mangueras para conectar el tubo pitot y la manguera de la corriente del gas.
• Balanzas granatarias.
TERMOMETROPROBETA Y BOQUILLA
DE MUESTREO
CAJA CALIENTEPORTA FILTRO
IMPINGERS
1 2 3 4
TERMOMETROS
VALVULACHECK
CORDON
QUICKCONNECT
CAJA FRIA
HIELO
MANOMETRO
VALVULA DE CONTROL GRUESO
VALVULA DECONTROL FINO
BOMBA DE VACIO
MEDIDOR DE GAS SECO
TERMOMETROS
SALIDA DEL GASMANOMETRODEL PITOT
TERMOMETRODE CHIMENEA
TUBO DE PITOTTIPO “S”
UNIDAD DE CONTROL
21
MONORIEL
SONDA DE MUESTREO
CAJA CALIENTE
CAJA FRIA
CORDON UMBILICAL UNIDAD DECONTROL
CH
IME
NE
A
Esquema típico del muestreo de Chimeneas
Tren de Muestreo de Chimeneas.
22
Equipos Para Muestreo de Chimeneas
Equipos Para Muestreo de Chimeneas
23
Equipos Para Muestreo de Chimeneas
Métodos de medición y análisis de los contaminantes de aire
24
Definición de RiesgoRiesgo es medida cualitativa/cuantitativa
del probable efecto de un peligro sobre un conjunto de seres o sistemas
• Implica la presencia de amenaza (peligro)• Requiere de probabilidad de ocurrencia
(en base a frecuencia de hechos previos)• Debe existir receptores expuestos• Receptores deben ser vulnerables al
peligro (parcial o totalmente)
EJEMPLO DE PELIGRO Y RIESGO
AMENAZA INCIPIENTE
AFECTACIÓN POTENCIAL MENOR
25
Secuencia en Eventos de Riesgo
• Situación se inicia con un factor desencadenante (emisión fugitiva por ej)
• Debe haber un peligro intrínseco (por ejtoxicidad de substancia)
• Efectos del desencadenante deben ser acarreados hacia receptores vulnerables
• Receptores (seres/sistemas) se exponen • Combinación de exposición y “letalidad”
suficientes (o no) para generar efectos
RIESGO EN PROGRESO
PELIGRO (AMENAZA) SOBRE SERES Y BIENES
26
DESENCADENANTE DE RIESGO
LLUVIA
PELIGRO (AMENAZA). SERES VULNERABLES. FACTOR DESENCADENANTE
ACCIDENTE
27
Ejemplos de Desencadenantes en Sistemas de Combustión
• Exceso de azufre en fuel (SOx); • Mal ajuste de aire/fuel; • Insuficiente precalentamiento de fuel;• Presencia de gases/partículas de proceso
(secado, tratamiento térmico, etc)• Mala operación de atomizador• Elevada temperatura de llama (NOx)• Excesiva formación de cenizas voladoras
Ejemplos de Secuencia de Eventos Accidentales en Emisiones
• Se produce emisión “fugitiva” (imprevista; tóxica; molestosa; enfermante; etc)
• Emisión se dispersa en estela de humos• Humos de chimenea son acarreados por viento
a residencias vecinas.• Concentración en arribo a suelo supera umbral
de afectación• Tiempo de exposición genera afectación
(mucosa,dermal, alvéolos, órganos internos etc)
28
CADENA DE EVENTOS EN RIESGOS DE TIPO INDUSTRIAL
DOSISTo
xicolo
gía
Umbral
Mínimo
SUBSTANCIA
(Prod
ucto,
Partícu
la,
Tipo Y C
antid
ad )
REMED
IACIO
N
Antíd
otos
Trat
amien
to
Resar
cimien
to
MEDIO
ACARREANTE
(Agu
a, Aire
, Suelo
)
MEDIO INTENSIFICADOR
Lluvia
Rayos UV
Otros Producto
s( Sinergia )
EXPOSICIO
NTie
mpo
Tipo:
Der
malIng
estió
nInh
alació
nIrr
adiac
ión
EVENTO
INICIADORFUGA
DERRAME
EXPLOSION
ESQUEMA DE PUNTOS COYUNTURALES EN RIESGOS POR ACTIVIDAD INDUSTRIAL: EMISIONES GASEOSAS
Emisión gr/ m3
Temperatura
TransporteAtenuadoresIntensificadoresSinergias
VientoSol, UV, IRTemperaturaHumedadNubosidadLluvia
Estabilidad Atmosférica
DistanciaPresencia de Estructuras, Forestas, Lagunas, Ríos, etc Agua Subterránea
Inmisión gr/ m3
PlantasFruto
Agua
29
Acarreo Típico y ExposiciónSOL LLUVIA
EMISIONES DIRECTAS
VOLATILIZACION
VERTIDO LIXIVIACION
DEPOSICION(INMICION)
HOGAR
BAÑO
COCINA
INHALACION
INGESTION
AGUA SUBTERRANEA MESA FREATICA
GENERACION VERTIDO/EMISION ACARREO EXPOSICION AFECTACION
MATRIZ DE ANALISIS CUANTITATIVO DE RIESGOS SIMBOLOGIA
• V= Riesgo para Vida• A= Riesgo para el Ambiente• P= Riesgo de daños a la propiedad• S= Velocidad de propagación• Pr= Probabilidad de Ocurrencia• R= Tipo de Riesgo ( A, B, C, D )• EPSP : Eventos de Paralizaciones Socio
Productivas
30
ESCALA PARA EVALUACION DE GRAVEDAD Y CONSECUENCIAS
Incomodidad TemporalPocos LesionadosLesionados e IncomodidadDe 5 a 20 decesos, 20-100 heridos, menos de 500 evacuados+ 20 decesos,100 heridos, + de 500 evacuados
1 Poco Importante2 Limitado3 Grave4 Muy Grave5 Catastrófico
Para la VidaV
Costo por 0.5 millones USD / añoCosto entre 0.5- 1 millón USD / añoCosto entre 1.0- 5.0 millones USD / añoCosto entre 5.0- 20.0 millones USD / añoCosto de mas de 20.0 millones USD / año
1 Poco Importante2 Limitado3 Grave4 Muy Grave5 Catastrófico
Para la PropiedadP
Efectos localizados sin contaminaciónEfectos localizados con contaminaciónEfectos que se propaganContaminación intensaContaminación intensa y propagación
1 Poco Importante2 Limitado3 Grave4 Muy Grave5 Catastrófico
Para el Medio AmbienteA
CARACTERISTICASCLASECONSECUENCIA
ESCALA PARA EVALUACION DE GRAVEDAD Y CONSECUENCIAS
Menos de 1 cada 1000 añosUno entre 100 y 1000 añosUno entre 10 y 100 añosUno entre 1 y 10 añosMas de uno por año
1 Improbable23 Poco probable45 Muy Probable
Probabilidad ( frecuencia )Pr
Poco importanteLimitadoGraveMuy GraveCatastrófico
ABCDE
Prioridad(Grado de Riesgos )R
Se manifiesta Clara y rápida, efecto localizado sin dañoMedianamente alguna propagación y pequeños dañosNo hay señales de propagación rápida y efectos inmediatos
1
3
5
Velocidad de PropagaciónS
CARACTERISTICASCLASECONSECUENCIA