Título: Medición de emisiones de
contaminantes
atmosféricos
gaseosos y material particulado
total en chimenea en el Centro de
Investigaciones Siderúrgicas.
Autores:
Inv. Auxiliar: Jesús E. Rodríguez García.
Ing. Norberto Díaz Rivero (CUBAENERGIA)
Msc. Leonor Turtós Carbonell (CUBAENERGIA)
Ian E. Timor Cuendia (CUBAENERGIA)
RESUMEN:
El Centro de Investigaciones Siderúrgicas ubicado en la provincia Holguín
perteneciente al sector siderurgico cubano, posee una planta para la preparación
mecánica
de
minerales
Durante el proceso tecnológico se emiten al ambiente, contaminantes,
fundamentalmente de dos formas, la primera a través de la chimenea, producto del
proceso de quema de combustible para el calentamiento del horno de secado. En la
corriente gaseosa se arrastra gran cantidad de material particulado en suspensión
que es expulsado directamente a la atmósfera, además de otros contaminantes
criterios como son el CO, SO2 y los NOx,, la segunda es durante el desarrollo del
proceso productivo, estos en forma de aerosoles sólidos, específicamente polvo
El trabajo recoge los métodos empleados para la determinación de las
concentraciones de los contaminantes emitidos a la atmósfera y comparaciones
con los estándares nacionales e internacionales. Contaminantes que contribuyen a
disminuir
la
calidad
del
aire
en
la
zona
industrial
de
Nicaro.
Por lo anterior consideramos que
posee gran importancia pues representa,
potencialmente, una metodología para la caracterización de las emisiones a la
atmósfera (contaminantes gaseosos y partículas) que puede ser utilizada por las
diferentes organizaciones de nuestro Ministerio.
INTRODUCCIÓN
En nuestro trabajo nos concentraremos en la contaminación producto de las emisiones
a la Atmósfera.
La principal fuente de contaminación de la atmósfera son las instalaciones industriales.
Una gran cantidad de los desechos industriales están formados por polvos.
La protección de la atmósfera de la contaminación se le presta una atención especial
por la comunidad internacional. En la mayoría de los países están establecidos los
límites permisibles de emanaciones de sustancias nocivas a la atmósfera.
El cumplimiento del límite de concentración permisible (LCP), exige el control
sistemático respecto al contenido real del polvo en los gases industriales emitidos a la
atmósfera
Características generales de la empresa: proceso de preparación mecánica de
minerales del CIS



La planta es una instalación destinada al secado cribado y trituración de
diferentes tipos de carbón. Consta de tres secciones caracterizadas por los
productos finales obtenidos en las mismas, las cuales se denominan.
Sección de secado molienda y clasificación: Obtención de ANTRACITA-200
Sección de cribado y trituración: Obtención de carbón de ajuste, carbón de
insuflado
Sección de clasificación: Obtención de carbón de carga y fundición.
Las secciones mencionadas anteriormente conforman el proceso
de
Preparación Mecánica de Minerales, el cual define la actividad productiva
fundamental del Centro de Investigaciones Siderúrgicas (CIS). En todas las
etapas que conforman la actividad se observa generación de polvo, además
está presente en las emanaciones por chimenea.
El presente trabajo se refiere específicamente al estudio de la
contaminación por polvo en suspensión sobre el componente ambiental
atmósfera, para lo cual es necesario especificar, las fuentes significativas
tanto las que tributan al medio laboral como aquellas que
emiten
contaminantes a la atmósfera y definir los parámetros o indicadores
adecuados que permitan medir su comportamiento a través del tiempo.
Como resultado del diagnostico del estado de la calidad del aire en el CIS (por
estudios previos) utilizando varias técnicas de investigación: encuestas realizadas a
la comunidad cercana a la organización, análisis de la Matriz Causa –Efecto,
observación científica, criterios de expertos, se pudo identificar las acciones
impactantes y los factores impactados y se describieron los impactos ambientales
significativos que se generan del proceso productivo.
Acciones impactantes más significativas (Fuentes generadora):
Trituración y cribado.
Contaminación por los transportadores de banda.
Contaminación de polvo en los gases de combustión.
Impactos más significativos:
Los impactos más significativos que actúan sobre el medio ambiente se relacionan
a continuación:
Generación de polvo de carbón en el proceso de cribado y trituración de la materia
prima, que contamina fundamentalmente el medio laboral y eventualmente la zona
cercana a la planta.
Contaminación del aire en el medio laboral producto de la generación de polvos por
salideros y falta de hermeticidad.
Contaminación del aire atmosférico por la emisión de polvo por chimenea.
Por otra parte, no se ha encontrado datos en la literatura que
puedan usarse para conocer la cantidad de polvo producido en
una instalación como la de estudio, ya que ésta depende,
entre otros factores, del grado de trituración y de las
características técnicas de la instalación.
Sin embargo aceptando las evidencias que aporta la
observación científica y otras técnicas utilizadas para la
identificación de impactos y fuentes generadoras de
contaminantes al aire, y teniendo en cuenta que la instalación
procesa un promedio de hasta 10.000 toneladas al año de
carbón de diferentes granulometrías,
que existen serias
limitaciones en el diseño del sistema para la captación de
polvo etc., se puede inferir que un porcentaje mínimo de
emisiones de polvo contaminaría
el ambiente laboral, los
suelos y la vegetación en el entorno de la instalación, y que en
presencia
de condiciones favorables afectará a la zona
aledaña, por las emisiones a la atmósfera.
Objetivos:
Precisar cualitativamente y cuantitativamente
la influencia
negativa de la contaminación producida por la actividad sobre el
componente
ambiental
atmósfera.
Establecer y/o definir los parámetros (indicadores ambientales),
que permitan monitorear los impactos ambientales producidos
por el material particulado en suspensión generado por el
proceso
productivo
del
CIS.
Evaluar la conformidad de las operaciones que conforman el
proceso productivo en cuanto a los patrones y normas
establecidos para el control de los contaminantes (material
particulado
en
suspensión).
MATERIALES Y MÉTODOS
Emisiones.
Se realizaron mediciones de emisiones de contaminantes gaseosos y material
particulado total durante cuatro días consecutivos.
Gases.
Se realizaron un total de 26 mediciones empleando un analizador de gases de
combustión marca Testo 335 con calibración de fábrica.
Se midieron las concentraciones de CO, SO2, NO y O2, así como el exceso de aire y
la temperatura de salida de los gases en la chimenea.
El equipo a partir de estas mediciones calcula entonces las concentraciones de CO2
y NOx.
Los flujos de gases de combustión fueron determinados a partir de las velocidades
calculadas con las mediciones de ΔP mediante Tubo de Pitot y la temperatura de los
gases. Estas velocidades fueron multiplicadas por el área transversal de la
chimenea. Los flujos se normalizan para condiciones normales, que en el caso de
Cuba usamos Presión: 1 atmósfera y Temperatura: 20 oC.
Las emisiones se obtienen multiplicando los flujos normalizados por las
concentraciones, también referidas a condiciones normales.
Material particulado total.
Se realizaron un total de 7 mediciones de emisiones de material particulado total
empleando un muestreador isocinético de partículas.
Estas mediciones se realizaron siguiendo la metodología creada por la Agencia de
Protección de Medioambiente de los Estados Unidos, estos métodos están
considerados de referencia en todo el mundo y son de amplio uso internacional.
Los métodos de referencia actuales para el ensayo de fuentes están numerados en
forma sucesiva desde el 1 al 29, de todos ellos empleamos los métodos USEPA 1 al 5
y el 17 para realizar las mediciones.
Método de muestreo del material particulado generado en el proceso de producción
del CIS
Emisiones a la atmósfera
Los gases de combustión del proceso de preparación mecánica del carbón son
colectados y conducidos por ductos y emitidos al aire a través de la única
chimenea (altura 20 metros, diámetro 0.30 metros) del proceso. Las muestras se
toman in situ en un orificio situado en la chimenea por el cual se introduce el
equipo para poder determinar la concentración del material particulado emitido a la
atmósfera.
Para el muestreo se consideran los siguientes elementos: concentración del
material particulado, condiciones del proceso, medición de la velocidad y flujo de
gases y medición de la temperatura de los gases de salida. La metodología
empleada corresponde a la mencionada anteriormente.
Método de
caracterización granulométrica del polvo de carbón emitido y
determinación de las concentraciones.
Se realizó una búsqueda bibliográfica de las técnicas
de análisis para la
determinación de la composición granulométrica de las muestras recolectadas, de
acuerdo a los objetivos del trabajo y a las condiciones objetivas existentes en el
CIS. El más conveniente, por lo fácil de su aplicación, precisión de los resultados y
estar disponible para el CIS, es el método de difracción Láser
El método por difracción de rayos láser es rápido (aprox. 10 seg.) y preciso, el
rango de aplicación, para la medición automática de la distribución del tamaño de
partículas es en la gama de 0.31 µm a 300.74 µm lo cual es conveniente para
nuestro caso, pues los rangos perjudiciales analizados están incluidos en las
posibilidades de este método.
RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN.
Cálculo
de
las
concentraciones
y
caracterización
granulométrica del polvo generado por el proceso productivo
del CIS
Emisiones.
A continuación se exponen en forma de tablas los resultados
de las mediciones de emisiones de gases y partículas, se
debe tener en cuenta que los días 14 y 15 el proceso fue para
obtener carbón para insuflado y los dos días siguientes fue
para obtener carbón insuflado.
EMISIONES
FECHA
HORA
% O2
NOX mg/Nm3
CO mg/Nm3
SO2 mg/Nm3
14/09/2009
11:28
19,14
10,80
21,25
14/09/2009
13:29
19,07
8,57
14/09/2009
13:33
18,98
4,37
2,89
1,45
14/09/2009
13:34
18,92
4,26
2,97
1,5
15/09/2009
11:15
18,83
4,20
121,31
1,55
15/09/2009
11:18
19,04
4,24
126,31
1,48
15/09/2009
11:21
19,07
4,40
125,05
1,38
15/09/2009
14:38
18,86
6,34
54,99
1,54
15/09/2009
14:40
18,76
6,38
56,31
1,61
15/09/2009
14:42
19,04
4,24
53,76
1,41
16/09/2009
10:44
19,01
17,22
6,22
1,43
16/09/2009
10:50
19,19
17,32
6,28
1,3
16/09/2009
10:52
19,31
17,13
6,22
1,21
16/09/2009
10:54
19,32
17,22
6,30
1,21
17/09/2009
10:38
19,40
12,94
5,00
1,15
17/09/2009
10:39
19,40
12,94
5,00
1,15
17/09/2009
10:41
19,26
15,06
3,75
1,25
17/09/2009
10:44
19,19
17,32
5,03
1,3
17/09/2009
10:45
19,19
17,32
5,03
1,3
17/09/2009
10:47
19,12
17,13
4,96
1,35
17/09/2009
11:04
19,09
5,04
5,76
1,37
17/09/2009
11:07
19,61
3,76
5,74
1
17/09/2009
11:09
19,30
4,96
5,67
1,22
CO2 calculado %
1,34
1,39
Material particulado total.
Tabla 2. Emisiones de material particulado total.
Día
14/09/2009
Delta P prom.
T. Chimenea prom.
Velocidad prom.
Emisiones
mm H2O
ºC
m/s
mg/Nm3
6
46
8.4
49060.4
2.7
36
5.6
55513.9
4
46
6.9
48548.4
7.25
41
9.2
39211.7
4
47
6.9
43515.0
7.25
43
9.3
35495.7
7
52
9.2
37861.1
15/09/2009
16/09/2009
17/09/2009
Concentración de las muestras de polvo emitidas a la atmósfera para
cada producto obtenido. Resultados del análisis granulométrico.
No
Lugar
muestreo
de
Material particulado
Tipo de producto
Concentración
emitida (mg/Nm3)
1
Chimenea
Carbón para insuflar.(
Antracita)
51040,9
2
Chimenea
Carbón para ajuste.(
Coque )
39020,88
≤5 µm
(%)
≤10um
(%)
≥20µm
(%)
6.45
13.28
71.61
11.90
21.70
54,77
Proceso de obtención de carbón para insuflar:
El polvo emitido a la atmósfera posee una concentración
de 51040,9 mg/m3 resultado que supera con creces lo
admitido internacionalmente.
Por investigaciones preliminares y datos estadísticos en
nuestro poder, se ha establecido que las pérdidas por
chimenea, durante el proceso de obtención de carbón
para insuflado son del orden del 8%
del material
alimentado (fundamentalmente por las emisiones del
polvo a la atmósfera).
La producción de carbón para insuflar asciende como
promedio a las
3200 TM al año, de acuerdo a las
pérdidas mencionadas, y la distribución granulométrica
del polvo emitido a la atmósfera representan:
la emisión de 34 TM de polvos finos o fracción respirable
a la atmósfera al año (13.28 % ≤ 10µm).
la emisión de 183 TM de polvos gruesos o sedimentables
a la atmósfera al año (71.61%> 10 µm).
Proceso de obtención de carbón para ajuste:
Concentración del material particulado emitida: 39020,88 mg/Nm3.
Lo anterior representa para nuestro proceso, teniendo en cuenta el
tiempo real de operación, pérdidas del 2.30 % del material alimentado.
La producción de carbón para ajuste asciende como promedio a las
1200 TM al año, lo que representa 27.6 TM/año de polvos de diferentes
granulometrías emitidos a la atmósfera.
Según los resultados del análisis granulométrico el 21.70 % de las
partículas que conforman las 27.6 TM de polvos emitidos a la
atmósfera al año clasifican como PM10. Significa la emisión de 5.99
TM de polvos finos o en suspensión a la atmósfera al año.
De acuerdo al mismo análisis granulométrico el 54,77% de las
partículas que conforman las 27.6 TM
de polvos emitidos a la
atmósfera al año clasifican como polvos sedimentables, esto
representa la emisión de 15 TM de polvos gruesos o sedimentables a
la atmósfera al año.
Podemos resumir que se emite una gran cantidad de polvo fino (fracción
respirable; partículas ≤ 10µm) al aire atmosférico. Estas partículas son las más
importantes para el análisis del impacto pues por sus tamaños tienden a formar
suspensiones mecánicamente estables en el aire, pudiendo ser trasladadas a
grandes distancias por la acción de los vientos, causando diferentes efectos en
zonas distantes de las fuentes de emisión.
En el caso de las emisión de polvo sedimentable, estas partículas permanecen en
suspensión en el aire durante períodos de tiempo relativamente cortos, sus
efectos son más acusados en las proximidades de las fuentes que las emiten en
nuestro caso los mismos se pueden observar en el área circundante de la planta
de producción donde se depositan eliminando la flora.
La presencia mayoritaria, en los gases por chimenea, de partículas superiores a
los 10 µm que como se ha dicho constituyen los polvos sedimentables esta dada
por el arrastre de los polvos mecánicos que surgen en los procesos de
desagregación mecánica de los minerales como el nuestro.
La concentración de material particulado emitido a la atmósfera tanto en la
obtención de carbón para insuflar como en la de carbón para ajuste, supera lo
establecido internacionalmente (100 mg/m3), epígrafe I.4.
Recomendaciones.
Hermetizar procesos generadores de contaminantes
como son los puntos del proceso desde la Tolva No. 2
hasta la Zaranda, método de aislamiento que se utiliza
para la disminución secundaria del contaminante,
producido por la distribución de los vientos reinantes en
esa zona.
Mantenimiento sistemático de los equipos de los trabajo
y
maquinarias
para
prevenir
los
escapes
de
contaminantes
Uso de medios de protección, es imprescindible controlar
sistemáticamente su uso adecuado entre los trabajadores
y el mantenimiento periódico que se les dé, ya que suele
ocurrir con cierta frecuencia que, o bien no se estén
utilizando adecuadamente, o bien están defectuosos o
vencidos, y, en ambos casos, es totalmente falsa la
protección que supuestamente deben suministrar al
trabajador.
Ubicar medios captadores de contaminantes en algunos
puntos del flujo tecnológico de modo que se recupere
gran parte de los contaminantes que en estos momentos
van a evacuarse al piso.
CENTRO DE INVESTIGACIONES SIDERURGICAS
TITULO: ESTUDIO DE DISPERSIÓN LOCAL DE CONTAMINANTES GASEOSOS Y
PARTICULAS EMITIDOS POR CIS-NICARO
RESUMEN:
El trabajo presenta las concentraciones incrementales de contaminantes, en la
atmósfera, en un dominio local, debido a las emisiones de dióxido de azufre (SO2),
óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas totales en suspensión, PTS; que provoca el
proceso productivo del Centro de Investigaciones Siderúrgicas (CIS), utilizando dos
tipos de materia prima: carbón para insuflado y carbón para ajuste.
El estudio recoge la descripción de las metodologías y los datos utilizados en los
cálculos, además de algunas herramientas generales desarrolladas para el
procesamiento de los datos de entrada.
A partir de las mediciones de emisiones de contaminantes a la atmósfera de la
instalación, se obtuvieron sus concentraciones incrementales en el aire. Para resolver
la dispersión local de contaminantes se utilizó el Sistema AERMOD (AERMAPUsodeSuelo-AERMET-AERMOD). El estudio permite conocer la calidad del aire en
receptores discretos previamente definidos, esto permite determinar la incidencia
sobre la salud de poblaciones, definir zonas en riesgo
Por lo anterior consideramos que el estudio, posee gran importancia pues representa,
potencialmente, una metodología para la caracterización de las emisiones a la
atmósfera (contaminantes gaseosos y partículas) que puede ser utilizada por las
diferentes organizaciones de nuestro Ministerio, auxiliadas por instituciones
nacionales.
Las afectaciones más importantes a la calidad del aire que provoca el CIS, están
relacionadas con las PTS, según muestran las concentraciones incrementales
calculadas. La contribución de esta instalación a la contaminación por SO2 y NOx ,son
bajas.
En el caso de las PTS en este trabajo, se utilizan informaciones, para los modelos
utilizados, superiores al de otras ocasiones: datos meteorológicos, topografía, uso del
terreno que hacen más precisa y exacta la información resultante.
Por vez primera además se presenta la calidad del aire en 4 receptores discretos:
Nicaro, La Pasa, Río Grande, El Crematorio
El proceso de cálculo abarcó las siguientes etapas:
1.Procesamiento de los datos de entrada requeridos por los modelos de
dispersión local: datos de las fuentes, datos meteorológicos, datos de
uso del suelo y topográficos.
2.Estimación de las emisiones de la fuente.
3.Modelación de la dispersión local de los contaminantes primarios
considerados,
con el sistema de modelos AERMOD (AERMAPUsodeSuelo-AERMET-AERMOD)
La implementación del Sistema de modelos AERMOD, puede resumirse en
las siguientes etapas fundamentales:
•
•
Procesamiento de datos topográficos: AERMAP, versión 06341.
Procesamiento de datos de uso del suelo: Sistema de
Información Geográfica (SIG), UsodeSuelo.xls.
•Procesamiento de datos meteorológicos: AERMET versión 06341,
modificada en CUBAENERGÍA para correr cuando no están disponibles
los datos meteorológicos de aire superior.
•Modelación de la dispersión: AERMOD, versión 09292
INFORMACIÓN PARA LOS MODELOS UTILIZADOS
Escenarios de estudio. Localización de las fuentes: El dominio de
modelación es un cuadrado de 40 x 40 km (Fig. No 1).
Datos técnicos de la fuente. Inventario de emisiones (Tablas No 2 y No 3)
Dominio local de modelación.
receptores discretos (Fig.2)
Receptores
discretos: Se
definen
5
Topografía: se utilizó El Modelo Digital de Elevación (MDE).
Uso del Suelo: procesamiento realizado para establecer las categorías de
uso del suelo por sectores de 5 grados, tal como es requerido por
AERMET-AERMOD . Fig No 3.
Datos meteorológicos para la dispersión local: Se utilizaron los datos del
observatorio meteorológico de Punta Lucrecia ( datos de superficie)
Datos de aire superior(. Fig. No5 ): Como para Cuba no se dispone de datos
de sondeo o de aire superior, se desarrolló en CUBAENERGÍA una versión
del AERMET que simula el comportamiento vertical de la atmósfera a
partir de los datos de superficie
Altura de la capa de mezcla. Fig No 5.: estimados a partir de los datos
meteorológicos medidos en superficie utilizando la versión del AERMET
desarrollada en CUBAENERGÍA.
RESULTADOS
Calidad del aire en el dominio local
El presente trabajo es la culminación de diferentes estudios realizados
en nuestra organización para dar respuesta, utilizando técnicas
actuales, a uno de los principales lineamientos y acciones de la
política ambiental del SIME: la caracterización de las emisiones a la
atmósfera de sus centros y empresas.
Se evaluaron los siguientes contaminantes:
SO2,
NOx,
PTS: Se decidió evaluar la dispersión local de este contaminante para
dos tipos de materia prima: carbón para insuflado y carbón para ajuste.
De acuerdo a estos resultados podemos plantear que las afectaciones
más importantes se deben al material particulado cuando se emplea
material para insuflado. La información numérica se complementa con
varias figuras que muestran las isolíneas de concentración promedio
horaria, diaria y anual para los contaminantes evaluados
Isolíneas de concentración promedio de PTS cuando se emplea
carbón para insuflado [μg/m3] para el periodo evaluado.
Isolíneas de concentración máxima de PTS cuando se emplea
carbón para insuflado [μg/m3] para 24 horas.
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2. Medición de emisiones de contaminantes