![[Fepm] En Chircales De Patio Bonito En El Municipio De Nemocón Cundinamarca](http://data.docslib.org/img/dc1213071e6c49b0b9b195dd70143a20-1.webp)
METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DE UN FACTOR DE EMISIÓN DE MATERIAL PARTICULADO [FEPM] EN CHIRCALES DE PATIO BONITO EN EL MUNICIPIO DE NEMOCÓN CUNDINAMARCA
MARÍA ROA CONCHA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Bogotá (Colombia), Diciembre del 2005
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METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DE UN FACTOR DE EMISIÓN DE MATERIAL PARTICULADO [FEPM] EN CHIRCALES DE PATIO BONITO EN EL MUNICIPIO DE NEMOCÓN CUNDINAMARCA
MARÍA ROA CONCHA
Proyecto de Tesis para optar por el título de Ingeniera Ambiental
Asesor: Prof. Néstor Y. Rojas (UNIANDES) Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Bogotá (Colombia), Diciembre del 2005
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TABLA DE CONTENIDO
Lista de Figuras ...... 5 Lista de Tablas ...... 6 JUSTIFICACIÓN...... 7 1. Objetivos...... 9 1.1. Objetivo General ...... 9 1.2. Objetivos Específicos...... 9 2. Antecedentes...... 10 2.1 Descripción y ubicación de la zona en donde se desarrollará el proyecto .....11 2.2. Estudios de relacionados con el tema ...... 13 2.2.3. Bases para la investigación de la contaminación Atmosférica en el Valle de Sogamoso: El caso del material particulado generado en la fabricación artesanal de ladrillo y cal [Jaramillo, 2001]...... 13 2.2.1. Determinación de la Emisiones de fuentes fijas - Chircales - en el municipio de Nemocón - Cundinamarca [VEGA, 2005] ...... 16 2.2.2. AP-42 Cap.11.3 Brick And Structural Clay Products ...... 18 2.3. Documentos de gestión ...... 19 2.3.1. Guía Ambiental Pequeñas Ladrilleras...... 19 2.3.2. Oportunidades de Producción Más Limpia En La Industria Ladrillera (2002) 19 3. Descripción del proceso de manufactura del Ladrillo ...... 20 3.1 Características generales de las partículas suspendidas en el aire...... 24 3.2 Generación de material particulado en el proceso combustión de carbón .....26
CAPITULO II ...... 31
4. Metodología ...... 31 4.1. Equipo empleado para la medición de Material Particulado ...... 31 4.1.1. Antecedentes del equipo...... 33 4.2. Etapa 1: Procedimiento Exploratorio...... 34 4.2.1. Resultados de las Mediciones ...... 37 4.2.2. Resultados del registro fotográfico...... 42 4.2.3. Análisis de los datos obtenidos en la Etapa 1...... 46 4.2.3.1. Estimación de error en los resultados ...... 53 4.2.4. Observaciones de la Etapa 1...... 62
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4.3. Etapa 2: Propuesta de metodología de medición de material particulado...... 63
CAPITULO III...... 69
5. Resultados...... 69 5.1. Estimación de la emisión de material particulado...... 69 5.2. Estimación del Factor de Emisión...... 70 6. CONCLUSIONES ...... 73 7. RECOMENDACIONES...... 73 BIBLIOGRAFÍA...... 75
ANEXOS ...... 77
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Lista de Figuras
Figura 1-1.Distribución de las 245 pequeñas (chircales) y medianas industrias ladrilleras inventariadas en el área de jurisdicción de la CAR ...... 10 Figura1-2. Ubicación de la Zona de Estudio: Municipio de Nemocón ...... 12 Figura 1-3. Resultados de las mediciones de BC, PM10 y PAH [JARAMILLO, 2001]...... 14 Figura 1-4. Variación de la concentración de las partículas de diferentes diámetros en la dirección del viento para un horno de ladrillo. [JARAMILLO, 2001]...... 16 Figura 1-6. Chircal. Pátio Bonito – Nemocón...... 24 Figura 1-7. Distribución de tamaño de las partículas en la atmósfera. (Fuente: EPA, Module 3: Characteristics of Particles Collection Mechanisms) ...... 25 Figura 1-8. Rango de tamaño de partículas según mecanismos de formación (Fuente: EPA, Module 3: Characteristics of Particles Collection Mechanisms) ...... 26
Figura 2-1. Equipo utilizado para medir material particulado...... 32 Figura 2-2. Muestreador de material particulado ...... 32 Figura 2-4. Marcación de Puntos de muestreo...... 36 Figura 2-5.Puntos de muestreo Etapa 1 ...... 36 Figura 2-6.Vistas se las secciones del horno para el Registro Fotográfico...... 37 Figura 2- 7. Muestras (mg) Obtenidas en la Etapa 1...... 38 Figura 2-8. Concetraciones (mg/L) obtenidas en la Etapa 1...... 39 Figura 2-9. Concentraciones Obtenidas en cada punto de medición...... 39 Figura 2-10. Tasa de salida promedio en cada punto de muestreo (mg/min) ...... 40 Figura 2-11. Concentración promedio (mg/L) en cada punto de muestreo...... 41 Figura 2-12. Sección 1- Sector 1-2-3 (Foto Septiembre 24/05 10:48 am**)...... 44 Figura 2-13. Distribución de la emisión alrededor del horno ...... 46 Figura 2-14. Clasificación de las muestras obtenidas en la Etapa 1 ...... 48 Figura 2-15. Tipos de muestreo no isocinético [REIST, 1993] ...... 54 Figura 2-16. Perdidas según porcentaje (%) muestreado asumido...... 55 Figura 2-18. Impactación por cambio de dirección ...... 59 Figura 2-19. Modelo simple de impactación. [REIST, 1993]...... 59 Figura 2-20. Modelo simple de impactación aplicado a la sonda de muestreo...... 61 Figura 2-21. Diagrama de velocidades en el punto B. [REIST, 1993] ...... 61 Figura 2-22. Propuesta para la división del horno en la medición y el seguimiento Fotográfico...... 66 Figura 2-23. Diagrama de la Metodología de medición propuesta...... 67 Figura 2-24. Diagrama de la metodología propuesta para determinar la emisión del horno ...... 68
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Lista de Tablas
Tabla 1-1. Datos asumidos en diferentes estudios referentes a material particulado en industria ladrilleras ...... 19 Tabla 1-2. Tipos de hornos usados en la industria ladrillera...... 20 Tabla 1-3.Clasificación de la industria ladrillera artesanal según su nivel tecnológico y capacidad de producción...... 22 Tabla 1-4. Calidad Promedio de los carbones utilizados en los procesos de combustión de las ladrilleras ubicadas en la jurisdicción de la CAR ...... 28
Tabla 2-1. Cronograma de campañas de la Etapa 1 ...... 34 Tabla 2-2. Datos de las campañas de medición...... 37 Tabla 2-3. Concentración, masa y tasa de salida promedio obtenida en cada punto de muestreo. 40 Tabla 2-4. Secciones del horno...... 43 Tabla 2-5. Calificación de las Emisiones en cada sector...... 44 Tabla 2-6. Porcentaje de emisión en cada sección alrededor del horno...... 45 Tabla 2-7. Clasificación de las muestras según la Tasa de salida (mg/min)...... 47 Tabla 2-8. Clasificación de las muestras ...... 48 Tabla 2-9. Filtros con muestra para cada rango de Emisión ...... 48 Tabla 2- 10.Número de puntos aproximado en cada sector...... 49 Tabla 2-11. Porcentaje de emisión y número de puntos aproximado en cada sector...... 51 Tabla 2-12. Cálculo de la emisión de cada sector del horno ...... 52 Tabla 2-13. Emisión del horno ...... 53 Tabla 2-14. Evaluación de pérdidas en el muestreo...... 55 Tabla 2-15. Cálculo de la distancia de sedimentación según el tamaño de la particular ...... 58 Tabla 2-16. Cálculo de pérdidas inerciales o por impactación en la sonda...... 61
Tabla 3-1. Tabla comparativa de los datos asumidos y encontrados en diferentes estudios referentes a material particulado en la industria ladrillera...... 70 Tabla 3-2. Composición promedio del carbón de Cucunubá...... 72
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CAPITULO I
JUSTIFICACIÓN
En el municipio de Nemocón en la vereda de Patio Bonito, Cundinamarca, se presenta un preocupante problema de contaminación atmosférica, debido a que en esta zona predomina la grande, mediana y pequeña industria ladrillera. De esta última existen aproximadamente 146 chircales u hornos artesanales de producción de ladrillo [VEGA, 2005], que emiten altas concentraciones de contaminantes que degradan la calidad del aire, representando una amenaza constante contra la salud de los habitantes de la zona.
Tanto en Colombia como en países en vía de desarrollo, la industria ladrillera tradicional es una fuente notoria de la polución del aire y por lo tanto directa responsable de problemas de calidad del ambiente [Jaramillo, 2000]. Se ha demostrado que las ladrilleras o chircales que se encuentran en la Sabana de Bogotá registran altas emisiones de material particulado [PM], cuya magnitud es difícil de determinar.
En Colombia no se cuenta con un factor de emisión de material particulado [FEPM] que se acomode a los hornos artesanales de cocción de ladrillo, debido a la dificultad técnica y a la escasez de recursos económicos que se requieren para tal fin; algunas ciudades latinoamericanas han desarrollado inventarios de emisiones adoptando los factores de emisión [FE] de otros países; es el caso actual de Colombia que usa el factor de emisión de la EPA (US Environmental Protection Agency)1, el cual se obtuvo con base a tecnologías diferentes y no se ajusta apropiadamente al funcionamiento de las ladrilleras nacionales tradicionales. Por esta razón, es necesario determinar un FE propio de los chircales, que permita estimar el volumen total de las partículas generadas en la actividad ladrillera tradicional.
Así lo afirma CONPES2 en sus lineamientos para la formulación de la política de prevención y control de la contaminación del aire: “El diseño, seguimiento, evaluación
1 US Environmental Protection Agency / Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos 2 Concejo Nacional de Política Económica y Social - Lineamientos para la formulación para la política de prevención y control de la contaminación del aire., Bogotá, D.C., Marzo 14 de 2005/CONPES -
7 IAMB 200520 17 económica y ajuste de las políticas y estrategias nacionales y locales de prevención y control de la contaminación del aire deberá basarse en información cuantitativa sobre sus costos y beneficios sociales. Para ello se requiere contar con redes de monitoreo de calidad del aire, laboratorios, inventarios de emisiones, (...) adeacuados a las realidades ambientales, económicas e institucionales de cada localidad.”
Las acciones que Colombia ha desarrollado sobre el control de la contaminación del aire datan desde 1967 cuando se instalaron las primeras redes de monitoreo. En 1979, el Congreso Nacional aprobó el Código Nacional Sanitario y fue en 1982 cuando se adoptaron los estándares de calidad por medio del Decreto 02 de 1982, el cual estipula lineamientos sobre calidad ambiental, normas básicas de las emisiones a la atmósfera especificando límites y restricciones. Sin embargo, no tiene en consideración contaminantes como material particulado PM10 y PM2.5 [CONPES,2005].
Así como es imprescindible cuantificar las emisiones de contaminantes, es necesario contar con parámetros de FE propios de tecnologías y tipos de industria del país.
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1. Objetivos
1.1. Objetivo General
Se propone una metodología para la medición de material particulado [PM] sobre chircales y a partir de esta, estimar un factor de emisión [FEPM] que se ajuste a los patrones de comportamiento de los hornos artesanales de cocción de ladrillo.
1.2. Objetivos Específicos
Las metas formuladas en el presente trabajo son las siguientes:
• Proponer una metodología de medición de material particulado para hornos artesanales de cocción de ladrillo (Chircales). • Estimar la emisión total de material particulado de un horno artesanal, a partir de mediciones directas sobre la fuente. • Por medio de la metodología de medición propuesta determinar un factor de emisión aproximado para hornos artesanales de la industria ladrillera. • Estimar la relación entre las emisiones de material particulado y la cantidad de carbón utilizado en el proceso de producción de ladrillo.
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2. Antecedentes La industria ladrillera está clasificada en pequeña, grande y mediana según la tecnología y la capacidad de producción con que se cuenta. De acuerdo con la corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR), se realizó un inventario dentro de su jurisdicción por parte de la Corporación para la Investigación Socioeconómica y Tecnológica de Colombia - CINSET3 en un Programa de Sensibilización Sanitario Ambiental para la PYME4, donde se estableció que la industria ladrillera está presente en todas la regionales de Cundinamarca [VEGA, 2005]. (Ver Figura1-15)
Se evaluó un total de 477 industrias de las cuales un 5.9·% (26) corresponde a ladrilleras grandes, un 6.1% (29) a medianas ladrilleras, un 11.1% (53) a pequeñas ladrilleras y el 77% (367) a chircales mecanizados y artesanales, encontrándose la mayor cantidad de este último tipo de hornos en la Regional de Zipaquirá, particularmente en el municipio de Nemocón con un total de 146 chircales [CINSET]. Figura 1-1.Distribución de las 245 pequeñas (chircales) y medianas industrias ladrilleras inventariadas en el área de jurisdicción de la CAR .
Regional Fusagasugá Regiona Funza Distrito Capital Regional Zipaquirá Regiona Villeta Regional Ubaté Regiona Girardot
4.90% 1.20% 6.90%
17.10% 9.80%
0.40%
59.60%
3 CINSET es una entidad sin ánimo de lucro, constituida en el año 1987, que realiza proyectos en áreas ambientales, sociales, económicas y tecnológicas para la promoción de las MIPYME.
4Tomado de Guía Ambiental 2 “Pequeñas Ladrilleras”; Programa de Sensibilización Sanitario Ambiental para la PYME del Área de Jurisdicción de la CAR; CINSET, Centro de Documentación del DAMA, Numero bibliográfico CG 0169, [VEGA,2005]. 5 Gráfica obtenida de la Guía Ambiental Pequeñas Ladrilleras - Programa de sensibilización sanitario Ambiental para la PYME del Área de Jurisdicción de la C.A.R. CINSET
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La Figura 1-1 evidencia una amplia distribución de la industria ladrillera en Cundinamarca, un 59.60% corresponde a la Regional de Zipaquirá de la cual hace parte la industria del municipio de Nemocón, el cual constituye una fuente substancial de contaminación, condiciones similares encontradas en el Valle de Sogamoso, sector que cuenta con la más importante actividad de manufactura de ladrillo del país y una de las zonas más contaminadas de Colombia, en el cual el 80% de las emisiones de material particulado corresponde a ladrilleras artesanales [Jaramillo, 2001].
Actualmente dentro del marco de la Jurisdicción de la Corporación Autónoma Regional se cuenta con un Proyecto de Ordenamiento Ambiental de la Minería del Carbón, y Materiales de Arrastre, dirigido a promover o apoyar un proceso de ordenamiento de los chircales de Nemocón y Cogua [PAT, 2004-2006].
2.1 Descripción y ubicación de la zona en donde se desarrollará el proyecto
El actual estudio se llevará a cabo en algunos chircales de la vereda de Patio Bonito en el municipio de Nemocón, Cundinamarca. Las actividades económicas más relevantes en este municipio son la explotación de minas de carbón, la orfebrería, el trabajo de arcilla en los chircales y la estructuración del ladrillo. Esta última actividad constituye, el soporte económico de la mayoría de las familias en la región. Una de las veredas que concentra mayor actividad ladrillera es Patio Bonito. La explotación minera en esta vereda se desarrolla sin ningún control representando un alto nivel de contaminación ambiental causada por las emisiones de los hornos.
Adicionalmente el terreno presenta un alto índice de erosión debido a las condiciones propias del suelo y al inadecuado manejo de la explotación de la materia prima para la manufactura del ladrillo. La degradación de la capa vegetal hace que el terreno se improductivo para las actividades ganadera y agropecuaria, consecuencia directa de este hecho es la concentración cada vez mayor de la población en la actividad de la industria chircalera, [OIT-IPEC, 2001].
Nemocón está ubicado en el departamento de Cundinamarca al norte de la capital, tiene un área de 99 km2 y una elevación de 2585 m.s.n.m. Se encuentra a una distancia aproximada de 65 Km de Bogotá.
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Figura1-2. Ubicación de la Zona de Estudio: Municipio de Nemocón
Zona de Estudio
National Geographic; www.nationalgeographic.com INVIAS; www.invias.gov.co/ info/mapas/mapas.asp
En el municipio se Nemocón se cuenta con una estación de monitoreo que hace parte de la Red de Calidad del Aire de la CAR, identificada con el numero: 2120540 – CHECUA, la cual está ubicada en la escuela de la vereda de Patio Bonito. Esta estación registra datos meteorológicos como la dirección y velocidad del viento y también cuenta con mediciones de concentraciones de partículas suspendidas totales TSP y de material particulado menor a 10 micras (PM10) en el ambiente. Los datos son mensuales y se cuenta con un seguimiento desde el año 1982. Se han encontrado concentraciones promedio anuales6 3 3 de 60.88 µm/m y una máxima concentración de 142.38 µm/m para PM10 y concentraciones promedio anuales de 83.45 µm/m3 y una máxima concentración de 194.83 µm/m3 para TSP. De acuerdo con los estándares establecidos por la EPA, el municipio se encuentra clasificado como un sector de contaminación media [VEGA, 2005]. Estos antecedentes serán una ayuda para sustentar los resultados que se obtengan en el estudio.
6 Datos tomados del Reporte Otorgado por la CAR para la estación “Checua” – VEGA, 2005
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2.2. Estudios de relacionados con el tema
En Colombia se han desarrollado múltiples estudios referentes a la industria ladrillera parte importante de la economía del país. A continuación se nombrarán algunos que tratan de manera explícita el problema de los chircales en algunos sectores del país. También se hará referencia al capitulo 11.3 del AP-42 documento de la EPA que contiene un compilado de tablas y factores de emisión para diferentes contaminantes y distintas actividades de la industria Norte Americana.
2.2.3. Bases para la investigación de la contaminación Atmosférica en el Valle de Sogamoso: El caso del material particulado generado en la fabricación artesanal de ladrillo y cal [Jaramillo, 2001] Este proyecto se realizó en el Valle de Sogamoso que se encuentra dentro de las cinco regiones más contaminadas de Colombia [CONPES,2005], y cuya fuente de polución corresponde a 1087 pequeñas, medianas y grandes industrias ladrilleras, hornos de cal y siderúrgicas entre otras. En este estudio se evaluaron las propiedades físicas, la composición química, el comportamiento y la formación de material particulado en la industria tradicional. Con el apoyo de EPFL7, Lausana - Suiza se realizaron mediciones y análisis con un Aetalómetro Ae-9, un PAS 1000i y un Wedding High Volume Sampler
PM10. • El Aetalómetro Ae-9 es el analizador más común para medir carbón negro BC, mide la atenuación de un rayo de luz a través de un filtro mientras está reteniendo material particulado. El aumento de la atenuación óptica es debido al incremento del BC en la muestra de aire tomado durante intervalo de tiempo. La concentración de BC se obtuvo dividiendo el incremento de BC entre el volumen de aire tomado y teniendo en consideración la atenuación específica dada por las combinaciones de filtro y óptica utilizadas. • El Sensor Fotoeléctrico de Aerosoles (PAS), es un medidor de Hidrocarburos. A partir de la recolección de una muestra de aire ambiente y pasándola por un precipitador electrostático, libera las partículas ionizadas que provienen del proceso de combustión. Las partículas de carbón contaminadas con Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos son fotoionizados, cuando el flujo neutro de aerosoles es pasado por una unidad fotoionizadora con luz UV de longitud de onda menor a
7 ÉCOLE POLITECHNIQUE FÉDÉDALE DE LAUSANNE - Lausana, Suiza
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185nm. Las cargas negativas resultantes son drenadas hacia las paredes de la unidad por un electrodo. Las cargas positivas restantes pasan luego por un electrómetro de aerosoles donde se separan y se mide su carga, que es proporcional a la concentración de PAH. [JARAMILLO, 2001 – Pág.71].
• Se utilizó un analizador Wedding High Volume Sampler PM10 para la medición de material particulado. La medición consiste en que se toma una muestra de aire que entra por un sistema que se compone de un filtro ciclónico omnidireccional de fraccionamiento que permite la entrada de aerosoles en cualquier ángulo de incidencia. Se efectúa una remoción de partículas grandes (>10µm) en un tubo interno de recolección. El flujo se somete a cambios de dirección donde finalmente
el PM10 llega a un filtro donde se puede hacer un futuro análisis de la muestra. Estos equipos se utilizaron en ensayos para medir el aire ambiente. Con los tres analizadores en funcionamiento en periodos de tiempo continuos se pretendía
llegar a una correlación de PM10, BC y PAH. Se concluyó que no existe ninguna
relación entre el PM10 y los otros dos contaminantes. Figura 1-3. Resultados de las mediciones de BC, PM10 y PAH [JARAMILLO, 2001]
Para este estudio también se contó con antecedentes de medición de TSP en el valle de Sogamoso a partir de una red de monitoreo que funcionó por 7 años (1983-1990), la cual contaba con tres medidores de alto volumen (TSP). Sin embargo los datos eran inconsistentes y poco veraces debido a factores externos de operación. A pesar de esto se contó con datos de una nueva red de monitoreo de la calidad del aire instalada por CORPOBOYACA en el año 1997. La red actual de monitoreo cuenta con 7 estaciones
14 IAMB 200520 17 cada una con un equipo de medición de material particulado y uno de gases contaminantes. Con esto se encontró que las mayores concentraciones de PM10 provenían de las estaciones que se encontraban más próximas a la mayoría de los chircales y caleras de la región.
Los factores de emisión de partículas fueron estimados considerando las fracciones del carbón que contribuyen directamente a la formación de material particulado: carbón fijo (formación de BC), las cenizas y el azufre. Se asumió para los hornos de ladrillo un consumo de 6ton de carbón/hornada y una hornada de 8 días8. A partir de esto se obtuvo una tasa de consumo de carbón de 7.9 g/s. La tasa global de generación de partículas se estimó tomando como base de cálculo un rango del 20-80% del las fracciones del carbón convertible en partículas del análisis químico del carbón de la región de Sogamoso: • Carbón Fijo → BC • Cenizas → Ceniza volante • Azufre → Sulfatos Los resultados se promediaron y se obtuvo un rango de 1.1 – 4.3 gPM/s para un chircal típico artesanal. PM 1.1 – 4.3 g/s
También se simuló la dispersión de las partículas emitidas; a partir de la aplicación de un modelo Gaussiano representado por la ecuación 1-1 y 1-2 para esto se asumió: el comportamiento del horno como el de una chimenea. Para determinar la altura efectiva se tomó una altura de chircal de 3m, despreciable en comparación con H. Para ∆H se tomaron valores de la literatura (WARK 1996, HEMOND 1994); la T de salida de la chimenea se tomó como 400°K, la velocidad de salida 2m/s y el diámetro del chircal 3m así mismo también se supuso una distribución discreta de masa (se asume que las emisiones se comportan como una pluma que se dispersa en la dirección del viento).
8 Las condiciones que se asumieron para los hornos difieren a los hornos que se estudian en este proyecto, ya que se asumió que estas condiciones pertenecen a un horno tipo Árabe o Colmena. El horno con el que se trabaja en este estudio es de Fuego Dormido (una hornada dura 30días y se consumen aproximadamente 11ton de carbón por hornada)
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1-1 y 1-2 A partir de esto se obtuvo el siguiente comportamiento.
Esta figura muestra la distribución de la concentración de las partículas de diferentes diámetros sobre el eje axial determinado por la dirección de viento. Estos resultados evidencian un incremento apreciable de concentración de partículas a una distancia de 2- 4km desde el punto de emisión (horno artesanal) en la dirección del viento.
Figura 1-4. Variación de la concentración de las partículas de diferentes diámetros en la dirección del viento para un horno de ladrillo. [JARAMILLO, 2001]
2.2.1. Determinación de la Emisiones de fuentes fijas - Chircales - en el municipio de Nemocón - Cundinamarca [VEGA, 2005] Este proyecto es de gran importancia para el estudio actual ya que sienta bases importantes del comportamiento de los hornos dentro del marco de la industria ladrillera
16 IAMB 200520 17 de Nemocón, Cundinamarca en la vereda de Patio Bonito. Se evaluó la calidad del aire, a partir de tres estrategias de medición y monitoreo que se basaron en: (1) los datos de la estación de monitoreo de la CAR ubicada en la escuela de la vereda de Patio Bonito, (2) encuestas que ayudaron a determinar y caracterizar la industria ladrillera de Patio Bonito y (3) mediciones directas de CO sobre los hornos artesanales para determinar las concentraciones de CO provenientes de los chircales y la calidad del aire en los alrededores cubriendo hasta una distancia de 20m a la redonda y por último también se hicieron mediciones de exposición personal.
Se evaluaron las emisiones para dos tipos de hornos (Fuego dormido y Cúpula), a partir de la metodología ajustada por la EPA – Environmental Protection Agency – en el manual de monitoreo e inventario de emisiones AP-42, donde según la composición química del combustible (se tomó el análisis Químico de Carbones de la zona Checua – Lenguazaque), la cantidad y los factores de emisión (para carbón bituminoso) reglamentados por la entidad, se dedujeron las emisiones en función del peso de acuerdo con la ecuación 1-1:
E = A× EF × (1− ER ) 1-1 100 Donde: E = Emisión A = Rata de Actividad EF = Factor de Emisión ER = Eficiencia reducción total de emisiones % De acuerdo con el capitulo 19 del AP-42 basado en combustión de carbón bituminoso para fuentes fijas externas y del de estudio del impacto ambiental de ladrilleras en el área del paso Texas frontera con México. Se asumió para PM10, FE=13.2 lb/Ton y para PM, FE=66 lb/Ton correspondientes a un horno con una configuración stoker – fired (se caracterizan por realizar la combustión en el fondo del horno y de forma estática). Los resultados se muestran en la siguiente tabla: PM 2.95 kg/día 0.03414g/s
PM10 0.56 Kg/día 0.00648 g/s (11 Ton carbón/horneada, tiempo de cocción 30días)
9 AP-42, Capítulo 1, Sección Bituminous and Subbituminous Coal Combustión, Environmental Protection Agency, USA. www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch01/index.html
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En es estudio se declaró necesario evaluar a futuro con otras técnicas ya que estos factores cuentan con poca validez, primero por que no se ajustan a las condiciones de los hornos estudiados y segundo la EPA califica los factores de emisión de la siguiente manera A es una alta validez y E es la peor y los factores de emisión que se aplicaron al estudio[VEGA, 2005] están calificados con B y mas específicamente el factor de emisión para PM10 cuenta con una calificación de E indicando una baja validez.
2.2.2. AP-4210 Cap.11.3 Brick And Structural Clay Products La información de este documento está fundamentada en Estados Unidos por la EPA y ha sido revisada por la Oficina de Calidad del aire del mismo país (Office of Air Quality Planning). Este reporte provee información del marco general de la industria ladrillera soportado por estudios y mediciones dentro de esta actividad. Describe los procesos de producción de una ladrillera típica (USA), lo cual permite comparar la tecnología para la cual se hicieron los estudios con la tecnología que se trabajará en este proyecto como se verá mas adelante.
El capitulo 11.3 del AP-42 determina y clasifica las emisiones que provienen de la manufactura de ladrillos, nombrando los siguientes contaminantes, material particulado
(PM10 y PM2.5), dióxido de azufre (SO2), trióxido de azufre (SO3), óxidos de nitrógeno
(NOx), monóxido de carbono (CO), metales, compuestos orgánicos totales (TOC) entre otros, especificando diferentes factores que afectan las emisiones como la composición y humedad del material utilizado, el combustible del horno y los parámetros de operación del horno.
Este manual nombra las principales fuentes de PM en esta industria y califica el proceso de molienda y el proceso de cocción como fuentes importantes de PM haciendo énfasis en los hornos cuya fuente de energía es el carbón. En el Anexo 1 se encuentra la Tabla con los factores de emisión de la EPA para cada fuente, se resaltan los del proceso de cocción en hornos de carbón, que es la actividad en la cual se concentrará este proyecto. En el Anexo 2 está el diagrama 11.3 del AP-42 que especifica cada etapa dentro del proceso de manufactura del ladrillo junto con las emisiones que se generan en cada actividad.
10 Compilation of Air Pollutant Emission Factor/ Manual de monitoreo e inventario de emisiones de la EPA
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2.3. Documentos de gestión 2.3.1. Guía Ambiental Pequeñas Ladrilleras Esta guía hace parte del Programa de Sensibilización Sanitario – Ambiental para la PYME. Trata aspectos sobre: localización, caracterización y tamaño de las ladrilleras en la jurisdicción de la CAR; parámetros conceptuales, valoración de los impactos, consecuencias sanitarias y ambientales y medidas para la elaboración de un plan de manejo ambiental. La información contenida en este manual abarca a grandes rasgos las pequeñas y medianas industrias ladrilleras dentro de las cuales un 59.9% pertenecen a Cundinamarca y en su mayoría al municipio de Nemocón.
2.3.2. Oportunidades de Producción Más Limpia En La Industria Ladrillera (2002) La Corporación Autónoma Regional ha venido desarrollando una gestión para mejorar el desempeño del sector de producción ladrillero dentro de su jurisdicción. Este documento es una guía para empresarios que tiene como fin mejorar e implementar un sistema de producción más limpia en la actividad extractiva transformadora. Clasifica y describe los diferentes impactos ambientales, las técnicas, los procesos y las fases de la actividad y nombra diferentes estrategias de producción más limpia dirigidas a cada fase asociada a la manufactura. Tabla 1-1. Datos asumidos en diferentes estudios referentes a material particulado en industria ladrilleras FE Emisión Emisión Autor Condiciones del Horno asumido PM (G/S) PM10 Horno Árabe o Colmena PM: 7.9g/s (tasa de JARAMILLO carbón/hornada: 6Ton consumo de 1.1 – 4.3 NE (2001) Tiempo cocción: 8días carbón)
Horno Tipo fuego PM10: 5987.42g/Ton VEGA dormido (13.2 lb/Ton ) 0.03414 0.00648 (2005) carbón/hornada: 11Ton PM:29937.096g/Ton Tiempo cocción: 30días (66 lb/Ton) Oportunidades Horno tipo colmena de producción carbón/hornada: 32Ton PM10: 3.10g/Ton NE NE mas limpia en Tiempo cocción: 3días el sector
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ladrillero NE=Dato No Estimado
3. Descripción del proceso de manufactura del Ladrillo Las industrias ladrilleras se clasifican según su nivel tecnológico y su capacidad de producción. La tecnología de las ladrilleras esta directamente relacionada con el tipo de horno manejado; los chircales manejan hornos de fuego dormido, árabe o colmena. Las empresas pequeñas emplean varios hornos colmena, las empresas medianas utilizan hornos continuos tipo Hoffman y las grandes tienen hornos de túnel, de rodillos o Hoffman. Tabla 1-2. Tipos de hornos usados en la industria ladrillera.
TIPO IMPACTO CARACTERISTICAS HORNO AMBIENTAL
• Horno artesanal, construido en forma circular generando una bóveda. • El material se carga por una puerta lateral alternando capas de *Fuego carbón y ladrillo. Impacto Alto Dormido • La cocción dura 30 días. • El material producido es de baja calidad y la producción de ladrillos es de 15000 a 20000/hornada • Horno rectangular. • Posee 8 hornillas laterales e inferiores para el suministro de carbón. Árabe • No tiene techo ni chimenea. Impacto Alto • Rápida cocción (7 días), alta producción y alta contaminación • Consume entre 8 y 10 toneladas de carbón por hornada (15 Ton arcilla) • Similar al funcionamiento del horno árabe, pero con evacuación de los gases por tiro natural Tipo Baúl Impacto Alto • Consume entre 9 y 12 toneladas de carbón por hornada (18 a 20 Ton arcilla)
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• Horno cerrado, intermitente. El tiro puede ser natural o forzado. • La alimentación del material seco se realiza por la puerta lateral Llama • El carbón se suministra en unas parrillas colocadas en la pared del Invertida horno o mediante stocker Impacto Alto • Los humos de combustión son evacuados por chimenea. • Consume entre 15 y 30 toneladas de carbón por hornada. (30 Ton de arcilla) • Horno semiesférico • Evacuación de gases de combustión mediante tiro natural Colmena • Baja capacidad de producción, Impacto Medio • Consume entre 5 a 10 toneladas de carbón por hornada, (8 a 12 Ton arcilla) • Consiste en dos galerías paralelas y está formado por compartimientos contiguos cuyos extremos se unen por un desafueros • Hornos continuos de alta producción • Alta eficiencia térmica Hoffman Impacto Bajo • En 7 días aproximadamente se termina el ciclo de quemado. • La alimentación del combustible se realiza en la parte superior del horno mediante la alimentación manual o con ayuda de carbojet. • Consume cerca de 25 a 30 Toneladas de carbón por quema. (50 Ton arcilla) • Horno continuo • Bajo nivel de contaminación • La longitud del horno fluctúa entre 80 a 120 metros Tunel • Consume cerca de 500 toneladas de carbón por mes Impacto Bajo • El combustible se suministra mediante un sistema de transporte neumático. • Industria altamente tecnificada y con niveles de producción altos. • Cuentan con una serie sucesiva de rodillos cerámicos
De • Tienen dos o tres líneas de flujo por donde circula el material a Impacto Bajo Rodillo cocer • El combustible es gas, introducido en la parte lateral
FUENTE. Tomado de Guía para Empresarios; OPORTUNIDADES DE PRODUCCION MAS LIMPIA EN LA INDUSTRIA LADRILLERA
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*Las mediciones y los análisis se desarrollaron en chircales de tipo Fuego Dormido. La Tabla 1-3 muestra la clasificación de la industria artesanal según su nivel tecnológico.
Tabla 1-3.Clasificación de la industria ladrillera artesanal según su nivel tecnológico y capacidad de producción Capacidad Industria Moldeo Secado Cocción Instalada (Ton/mes) Chircal *Manual o por Hornos de fuego Natural <125 Artesanal extrusora sin vacío dormido Chircal Extrusora sin Horno árabe u Entre 125 y Natural Mecanizado vacío horno de colmena 300 FUENTE: Guía Ambiental Pequeñas Ladrilleras- Programa de Sensibilización Sanitario Ambiental para la PYME del Área de Jurisdicción de la CAR; CINSET
La producción de ladrillo envuelve minería, molienda, moldeo y cocción. La materia prima es la arcilla y se obtiene de la excavación del suelo, todo el material que se extrae del suelo se mezcla con agua para lograr una mezcla moldeable con una humedad determinada. El material se introduce manualmente a un sistema que cuenta con un molino que lo tritura para homogenizarlo y a veces de una extrusora sin vacío que lo moldea, (el moldeo también puede ser manual*); el material sale en forma cúbica y se corta con unos moldes que constan de dos alambres, conformando así los bloques crudos.
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Una vez formados los bloques estos se apilan. Se acondicionan dejándolos secar a la intemperie (naturalmente) por un periodo aproximadamente de 20 a 30 días (sujeto a las condiciones meteorológicas). El secado es bastante importante para someter el producto a una cocción definitiva con las propiedades deseadas (Baja humedad, rigidez). Cuando los bloques han llegado a unas condiciones adecuadas estos se cargan al horno para la
Figura 1-4. Diagrama de flujo del proceso de Manufactura del ladrillo
I Extracción del 8 -15 días * material (arcilla)
Preparación del I-II Material
Molienda del II Material Procesos 8 -15 días * simultáneos Conformación o III moldeo de los Bloques
III-IV IV Secado de los 20 – 30 días * Bloques
Carga del 8días* V horno
V 20 – 30 días* Cocción
Etapa de Estudio (* todos los procesos están sujetos al clima por esto se presenta la duración en intervalos de tiempo) cocción. La Figura 1-5 muestra las diferentes etapas de manufactura.
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La cocción del ladrillo se lleva a cabo en diferentes tipos de hornos, como se mostró en la Tabla 1-2 pero se estudiará la industria artesanal que cuenta con hornos de Fuego dormido Estos hornos constan de una bóveda semicircular (ver Figura 1-6) recubierta de piedra o de ladrillo, tienen una capacidad de producción de 15000 a 20000 ladrillos, su fuente de energía es el carbón, se caracterizan por su forma irregular, bajo aprovechamiento del calor e ineficiencia en la quema del combustible. Los ladrillos son dispuestos dentro del horno en capas horizontales donde cada capa es dividida por una cama de carbón que facilita la cocción a medida que se va quemando. En la cocción los bloques deben llegar a un estado de vitrificación11.
Figura 1-5. Chircal. Pátio Bonito – Nemocón
La ausencia de chimeneas en este tipo de hornos afecta directamente a las personas que se encuentran en las vecindades por sus altas emisiones heterogéneas. Las principales características de estos hornos que los diferencian de las ladrilleras son: su tecnología, su tamaño, sus procesos de producción y la participación de mano de obra no calificada.
3.1 Características generales de las partículas suspendidas en el aire. Las partículas que están suspendidas en el aire tienen diversos tamaños que son definidos por su diámetro. Conocer la gama del tamaño de las partículas es importante en
11 Proceso cerámico por el cual los materiales silicoaluminos se sintetizan formando una capa superficial dura, brillante y generalmente transparente. La sinterización es la reacción entre partículas sólidas, para dar un producto menos poroso. Mucos óxidos son formadores de vidrio, los más comunes son el B2O3, SiO2 y P2O5 que con frecuencia vitrifican por enfriamiento. (Oportunidades de producción mas limpia en el sector ladrillero, Pág. 28)
24 IAMB 200520 17 el control de la contaminación atmosférica ya que de esto depende la eficacia de la recolección de algunos tipos de equipos de muestreo de partículas. La Figura1-7 muestra la distribución de tamaño, típica del material particulado atmosférico. Figura 1-6. Distribución de tamaño de las partículas en la atmósfera. (Fuente: EPA, Module 3: Characteristics of Particles Collection Mechanisms)
Las partículas se clasifican según su tamaño representado en su diámetro:
• Partículas suspendidas totales (TSP): Partículas cuya distribución de tamaño comprende un diámetro desde 0,1 micrómetros a cerca de 30 micrómetros, incluyen una amplia gama de tamaños de partículas incluyendo partículas finas, gruesas, y súper gruesas.
• PM10: La EPA define PM10 como partículas con un diámetro de 10 micrómetros. El
término PM10 será utilizado para incluir todas las partículas que tienen un diámetro aerodinámico igual o menor a 10 micrómetros.
El PM10 se regula como un tipo específico de "agente contaminador" porque se considera respirable. Es decir las partículas con un diámetro menor a 10 micrómetros pueden penetrar en la zona respiratoria más baja. La gama entre 0,1 y 10 micrómetros es especialmente importante en estudios de contaminación atmosférica.
• PM2.5: Al igual que el PM10, la EPA define el PM2.5 como materia de partículas con un
diámetro de 2,5 micrómetros. El término PM2.5 será utilizado para incluir todas las partículas que tienen un diámetro aerodinámico de menos o igual a 2,5 micrómetros.
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La EPA tomó 2,5 micrómetros como la partición de partículas finas y gruesas.
Para diferentes procesos industriales se genera determinado tipo de partículas, la figura 1-8 resume el rango de partículas que se produce en diferentes mecanismos. Para este estudio son de interés las partículas que están en el rango de 1-100µm de diámetro, ya que se generan en procesos generalmente de combustión.
Figura 1-7. Rango de tamaño de partículas según mecanismos de formación (Fuente: EPA, Module 3: Characteristics of Particles Collection Mechanisms)
3.2 Generación de material particulado en el proceso combustión de carbón El carbón es el principal combustible utilizado en los procesos de cocción de ladrillo, además es el factor determinante en la generación de contaminación atmosférica. Del 85% al 90% de las emisiones de partículas proviene de las fuentes de producción de energía, y la gran mayoría se debe al consumo de carbón bituminoso** y de lignitos*12[WARK-WARNER, 2000].
La calidad del carbón está constituida por las siguientes propiedades: • % Humedad Total: Una humedad alta en el carbón induce a pérdidas de energía en los hornos al consumirse el calor en la evaporación del agua.
12 Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo. La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. El lignito*, es el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. El carbón bituminoso** tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico también es superior. La antracita es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico.
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• % Cenizas: Un bajo porcentaje de ceniza aumenta la capacidad de los equipos. Sin embargo se debe presentar siempre un contenido de ceniza ya que esta también desempeña un papel aislante evitando el sobrecalentamiento. • % Materia volátil: Corresponde a aquellos productos que se liberan en forma de gas durante el proceso. Un porcentaje alto facilita la iniciación de la combustión mientras que con un porcentaje bajo se necesita precalentar más el carbón para el proceso. • % Azufre: el contenido de S debe ser conocido desde el punto de vista ambiental.
Durante la combustión, el azufre se convierte en óxidos de azufre (SO3 y SO2) que se emiten al aire y son compuestos altamente corrosivos y nocivos para la salud humana. • Poder calorífico: Es la energía de combustión del carbón y determina la cantidad de carbón que debe ser quemado para llegar a una capacidad dada en el horno. Mientras más poder calorífico mejor es el carbón.
Estas propiedades varían según su procedencia. El carbón utilizado en los hornos de patio Bonito proviene de las diferentes minas de los municipios de Cucunubá, Nemocón, Suesca, Sutatausa, Tausa13 de la zona carbonífera de Cundinamarca. En general el carbón de los municipios nombrados se caracteriza por ser Bituminoso. La tabla 1-4 muestra la calidad promedio de los carbones utilizados en la jurisdicción de la CAR.
13INGEOMINAS, Instituto Colombiano de Geología y Minería http://www.ingeominas.gov.co
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Tabla 1-4. Calidad Promedio de los carbones utilizados en los procesos de combustión de las ladrilleras ubicadas en la jurisdicción de la CAR Poder Humedad Materia Procedencia Cenizas (%) Azufre (%) Calorifico Total (%) Volátil (%) (BTU/lb) Checua Lenguazaque 3.9 10.2 28.4 0.84 13194 (Cund.) Suesca Albarracín 3.9 13.3 32.6 0.77 12265 (Cund.) Samacá 3.9 10.2 28.4 0.84 13194 (Boyacá) Tunja Duitama 17 13.4 33.9 3.44 7254 (Boyacá) Sogamoso Jericó 3.7 9.5 24.2 1.08 13367 (Boyacá) Depto. De 2.8 22.6 1.7 1.7 11421 Santander
FUENTE: Guía Ambiental Pequeñas Ladrilleras- Programa de Sensibilización Sanitario Ambiental para la PYME del Área de Jurisdicción de la CAR; CINSET
El proceso de combustión determina diferentes factores dentro de la producción como la calidad del producto y las emisiones del horno. La configuración de los ladrillos dentro del horno, dificulta la presencia de oxígeno, ocasionando una combustión incompleta y deficiente a temperaturas que no son suficientemente altas para quemar todo el carbón [Jaramillo, 2001], impidiendo también que los bloques alcancen un estado de vitrificación, obteniendo ladrillos de baja calidad y frágiles. La combustión debe efectuarse a temperaturas superiores a 816°C para que se destruyan todos los vapores orgánicos y aerosoles [Bethea, 1978].
Para una combustión eficiente se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: • Mezcla íntima combustible – oxigeno • Suministro de suficiente aire para quemar todo el combustible
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• Una temperatura apta para iniciar la combustión (Precalentamiento) • El tiempo necesario para que la combustión sea completa • La calidad del combustible
14 En el proceso se debe formar CO2 y H2O idealmente como productos (Ver ecuaciones 1- 1 y 1-2).
C + O2 → CO2
4Cn H m + (m + 4n)O2 → 4nCO2 + 2mH 2O (1-1 y 1-2) Si las reacciones en cadena son interferidas o si no hay suficiente oxigeno, se generarán productos intermedios generalmente dañinos. La fracción no combustible de carbón genera principalmente ceniza y su composición depende de las condiciones de combustión y de las propiedades iniciales del combustible. Entre más incompleta la combustión mayor será la generación de material particulado. Las partículas generadas están compuestas por cenizas e inquemados (Hollín). La presencia de humo (partículas en suspensión) es un indicador de qué tan eficiente es la combustión, notorias emisiones representan una combustión incompleta [HESKETH, 1979 (Jaramillo, 2001)]
Las emisiones de material particulado dependen principalmente de la configuración del horno, la práctica de combustión, del contenido de ceniza y de azufre en el carbón. Generalmente las emisiones de PM se acrecientan durante el inicio del proceso (mientras se consigue una temperatura de combustión óptima) y cuando hay una muy alta cantidad de combustible frente a la cantidad de aire que estequiometricamente debe ser suministrado. La Figura 1-9 sintetiza las causas de la generación de PM que se han nombrado en este capítulo.
14 JARAMILLO, 2001
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Figura 1-7. Factores que intervienen en la generación de PM en el proceso de cocción de ladrillos de la industria artesanal
Directamente relacionado Tipo de Configuración Calidad horno ladrillos dentro del carbón del horno
Baja ↑% azufre Temperatura ↑ % cenizas de cocción ↓ Poder calorífico Baja relación oxigeno- combustible
COMBUSTIÓN INEFICIENTE O INCOMPLETA
Formación de subproductos
Material particula do
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CAPITULO II
4. Metodología
Cualquier medición de contaminación del aire comprende dos grandes problemas. El primero es obtener una muestra representativa y adecuada y el segundo es determinar correctamente la concentración del contaminante de interés [NEVERS, 2000]. La metodología de medición que se planteará busca obtener muestras representativas.
Este estudio está basado en observaciones y en mediciones de concentración de masa por medio de recolección de material particulado por filtración. Para llegar a determinar una metodología específica se desarrollaron dos etapas; en la Etapa 1 se llevó a cabo un procedimiento de exploración de campo, con el fin de apreciar, investigar y captar ciertos comportamientos del horno estudiado, para esto se desarrollaron campañas donde se efectuaron mediciones y un seguimiento fotográfico. La etapa 2 se basó en analizar los resultados obtenidos en la exploración inicial para finalmente proponer una metodología precisa de medición.
4.1. Equipo empleado para la medición de Material Particulado Existen diferentes métodos para medir material particulado que dependen del tipo de información de interés: la distribución de tamaños, concentración másica y la composición química. En este proyecto se empleará un medidor puntual de material particulado, fabricado por el profesor Néstor Y. Rojas del departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes.
El equipo consta de (Ver Fig. 2.1 y Fig. 2.2): • Una Sonda de cobre Ф=¼” y 1m de largo • Bomba de succión de gases de escape • Trampa de muestreo o sistema de porta filtros • Rotámetro, termostato • Además se acopló al final de la sonda un cono de tal manera que se pudiera obtener la mayor muestra posible.
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Figura 2-1. Equipo utilizado para medir material particulado
Figura 2-2. Muestreador de material particulado
El mecanismo radica en recoger las partículas en una superficie de filtración (Filtros de 47mm de diámetro Whatman Glass Microfibre Filtres 934-AH) por medio de una bomba de succión de gases. La obtención de masa se determina pesando el filtro antes y después del muestreo. La concentración se halla de la siguiente manera (Ver ecuación 2.1): (P − P ) [masa] C = i 0 2.1 F *t [volúmen] Donde C: Concentración
Pi: Peso filtro acondicionado antes de muestreo
P0: Peso filtro acondicionado después de muestreo
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F: Caudal de Flujo corregida t: Tiempo de muestreo
Para los filtros se debe tener en cuenta un manejo especial:
1. Manipularlos con pinzas 2. Acondicionarlos antes y después del muestreo en un desecador
con solución de acido sulfúrico (H2SO4) de grado reactivo al 43% por un periodo mínimo de 24 horas, para mantener la humedad del desecado de 50%. 3. Pesarlos después de cada acondicionamiento en una balanza de precisión de +/- 0.0001g.
La calibración es un aspecto fundamental referente al equipo que se va a emplear para realizar las mediciones. Ésta certifica la precisión de una medición al ajustar la relación entre un estándar de concentración conocida y el resultado de un proceso de medición. El equipo de medición de material particulado no cuenta con una calibración formal, y por esto realizadas las mediciones se van a estimar todas las posibles pérdidas que se pueden presentar en el equipo.
4.1.1. Antecedentes del equipo El equipo de medición de material particulado se ha empleado en otros proyectos dentro de los cuales están: • Tesis de maestría en Ingeniería Mecánica. Moreno, Gonzalo. 2004: “Estudio de un sistema incinerador de combustible sólido seco y construcción de un prototipo”. En este estudio se recurrió al equipo de medición de material particulado como un complemento para estimar las emisiones de partículas generadas en un Reactor de Lecho Fluidizado Burbujeante RLFB que contaba con una cámara de combustión donde se realizaron ensayos de combustión de carrasquilla de arroz y de cisco de café. A partir de la toma de muestras con el medidor de material particulado se obtuvo un aproximado de las emisiones de PM generadas por el RLFB. • Proyecto de pre-grado en Ingeniería Mecánica. Ruiz Ramos, Cristhian Fabián, 2005: “Evaluación del desempeño de un motor Diesel operado con mezclas de Diesel-Biodiesel”. Se desarrolló un estudio comparativo de mezclas de Diesel
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y Biodiesel. Se estimaron las emisiones de material particulado para cada combustible en un régimen de operación del motor especificado, para esto se utilizó el equipo de medición de material particulado nombrado anteriormente. A partir del muestreo se obtuvo la concentración de material particulado en el gas de escape para diferentes combustibles ACPM, Diesel y mezclas con diesel. • El equipo también se utilizó para ensayos en escapes de automóviles por alumnos en el curso de Material Particulado del departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes, dirigido por el Profesor Néstor Y. Rojas.
4.2. Etapa 1: Procedimiento Exploratorio
La Etapa 1 se basa en un proceso de prueba donde se realizaron campañas de exploración con el objetivo de ampliar el conocimiento acerca del comportamiento del horno estudiado. Las muestras se tomaron en puntos aleatorios según la emisión que se observaba. Las mediciones de PM se realizaron con el muestreador de material particulado descrito anteriormente.
Se pretendió con estas muestras encontrar un patrón de comportamiento del horno con el fin de obtener un estimado de emisiones totales del mismo. Los puntos de medición se marcaron con el propósito de llevar un registro de muestreo y facilitar la observación de las zonas sobre el horno para captar posibles pautas de conducta del chircal (Ver Figura 2.3). Las mediciones se iniciaron con algunos días de prendido el horno y se programaron campañas con una frecuencia de 3 días a la semana durante 2 a 3 horas en las mañanas (Ver Tabla 2.1).
Tabla 2-1. Cronograma de campañas de la Etapa 1 Mediciones (Septiembre/2005)
L M I J V S D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Encendido del horno 19 20 21 C122 23 C224 25 Preparación campañas 26 27 28 29 30 1 2 C Campañas C3 C4 3 4 5 6 Extinción del Fuego C5
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La Figura 2-3 muestra los pasos que fueron necesarios para la práctica de cada campaña de medición: Figura 2-2. Diagrama de operación para las campañas de medición
Acondicionar los Filtros en un desecador durante 24h
Pesar cada filtro (P1)
Escoger los puntos de medición En el horno se escogieron puntos según el flujo que estos emitían, para cada punto se tomaron de una a tres Precalentar el muestras dependiendo se su equipo por 15 min comportamiento ya que en Para garantizar su algunas ocasiones se buen funcionamiento observaba que el punto escogido no generaba un flujo Introducir el filtro característico (ver Fig. 2.3 y Fig. 2.4).
Tomar la muestra Realizar el muestreo introduciendo el filtro en el equipo y acomodando la Re-acondicionar los sonda en el punto escogido Filtros con la anteriormente, durante 5 min. muestra
Pesar
(P2)
Obtener masa (mg) de la muestra Pneto PM= P2 – P1
Llevar un registro de cada filtro correspondiente a cada punto
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Figura 2-3. Marcación de Puntos de muestreo
Figura 2-4.Puntos de muestreo Etapa 1
A partir de la primera campaña realizada el 22 de septiembre se hicieron ciertos ajustes sobre la metodología de prueba; se determinó que era necesario realizar un seguimiento
36 IAMB 200520 17 fotográfico del horno en intervalos de tiempo de 15 minutos durante algunos días para observar el cambio de flujo de la emisión visible y detallar la periodicidad de emisión en cada sección del horno. Para esto se dividió el horno en 4 secciones (Ver Fig. 2.6).
Figura 2-5.Vistas de las secciones del horno para el Registro Fotográfico Vista 1 - Sección 1 Vista 2 – Sección 2 Vista 3 – Sección 3 Vista 4 – Sección 4
4.2.1. Resultados de las Mediciones
En la Tabla 2.2 se presentan los datos de las campañas de medición con los cuales se realizará el análisis para la Etapa 1.
A partir de mediciones en puntos escogidos aleatoriamente, se obtuvo un registro de diferentes concentraciones que mostró la variación de la emisión y de la concentración punto a punto y momento a momento. La Fig. 2.7 y la Fig. 2.8 presentan todas las muestras obtenidas en la etapa 1 (en términos de Masa (mg) y concentración (mg/L)) y en la Fig. 2.9 se exponen todas las muestras obtenidas en cada punto.
Tabla 2-2. Datos de las campañas de medición.
Q Corrección # Peso i Peso f ∆ Peso ∆ Peso [C] Punto muestreo Q(L/min) Filtro (g) (g) (g) (mg) (mg/L) (L/min) Q*1.11 1 Blanco 0.1117 0.1117 0.0000 0.0 2 1 0.1104 0.1295 0.0191 19.1 3.5 3.9 0.89 3 1 0.1091 0.1177 0.0086 8.6 3.5 3.9 0.44 4 1 0.1098 0.1250 0.0152 15.2 3.5 3.9 1.30 a 1 Sept.
22/05 5 1 0.1095 0.1411 0.0316 31.6 3.7 4.1 1.44 6 2 0.1102 0.1244 0.0142 14.2 4.1 0.61
mpañ 3.7
Ca 7 2 0.1088 0.1192 0.0104 10.4 3.7 4.1 0.50 8 2 0.1089 0.1125 0.0036 3.6 3.7 4.1 0.16 9 3 0.1086 0.1088 0.0002 0.2 3 3.3 0.01 a 2 10 4 0.1080 0.1147 0.0067 6.7 3 3.3 0.40 mpañ 11 4 0.1086 0.1158 0.0072 7.2 4.1 0.35 Sept 24/05 Ca 3.7
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12 Blanco 0.1164 0.1164 0.0000 0.0 13 5 0.1180 0.1204 0.0024 2.4 3.5 3.9 0.12 14 5 0.1171 0.1183 0.0012 1.2 4 4.4 0.05 a 3 Sept 15 6 0.1172 0.1192 0.0020 2.0 4 4.4 0.09
27/05 6 0.1160 0.1174 0.0014 1.4 3.5 3.9 0.07 mpañ 17 7 0.1164 0.1229 0.0065 6.5 4 4.4 0.29
Ca 18 7 0.1189 0.1232 0.0043 4.3 4 4.4 0.19 19 Blanco 0.1173 0.1173 0.0000 0.0 ) 20 8 0.1163 0.1214 0.0051 5.1 5 5.6 0.18 21 8 0.1171 0.1272 0.0101 10.1 5 5.6 0.36 22 9 0.1177 0.1185 0.0008 0.8 5 5.6 0.22 23 9 0.1165 0.1274 0.0109 10.9 4.7 5.2 0.03 24 10 0.1166 0.1220 0.0054 5.4 4.7 5.2 0.40 a 4 (Sept. 29/05 25 10 0.1174 0.1195 0.0021 2.1 4.7 5.2 0.02 26 10 0.1173 0.1210 0.0037 3.7 5 5.6 0.18 mpañ 27 9 0.1160 0.1166 0.0006 0.6 5 5.6 0.08 Ca 28 8 0.1158 0.1224 0.0066 6.6 4.8 5.3 0.14
Figura 2- 6. Muestras (mg) Obtenidas en la Etapa 1.
Muestras obtenidas en la Etapa 1
36.00 0 6 .
32.00 31
28.00
24.00 ) 10 g
20.00 19. m 20 0 ( 2 .
16.00 15. 14 asa 0 90 40 1 M . 0 12.00 10. 10. 6 10 8. 20 70 7. 40 6. 6.50 8.00 10 6.60 30 5. 60 70 5. 7 4. o o o 3 0 3. 3. 00 10 c c c 4 4.00 20 2. n n n 80 2. 2. 60 20 1. a a a 1. 0. 0. 0. 0.00 Bl Bl Bl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728 Filtro de la muestra
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Figura 2-7. Concentraciones (mg/L) obtenidas en la Etapa 1.
Muestras (mg/L) obtenidas en la Etapa 1
1.6 441 1.
1.4 303 1.
L) 1.2 g/ m 893
( 1 0. n ó i
c 0.8 a r t 0.610 n
e 0.6 0.506 442 398 nc 0. 364 350 0.402 0. o 0. 293 0.4 0. C 0. 194 159 0.216 o o o 0. 0.183 0.184 0. 090 075 0.139 0.2 072 0.122 031 0. 012 0. 0. anc anc anc l l l 0.054 0. 0.023 0. 0 B B B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728 No. de muestra
Figura 2-8. Concentraciones Obtenidas en cada punto de medición
Fig. 2-9 Concentraciones obtenidas /punto de medición
P1 P 2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10
1.6 441 1. 303 1.4 1. ] g
1.2 3 m 89 [ 0. n 1 ò i 6 1
ac 0.8 50 r 2 2 0.6 t 0. 0 8 4 44 364
en 0.6 35 0. 39 0. c 0. 0. 184 3 0. n 293 0. o
0.4 18 122 0. 194 159 2 1 139 2 C 0. 3 216 0. 075 0. 09 0. 0. 054 07 03 0. 01 0. 0.
0.2 02 0. 0. 0. 0. 0. 0 1234 No. Muestra
Generalmente en las chimeneas, la velocidad y la concentración es muy variable, el comportamiento del tipo de horno que se está trabajando se ajusta a estas condiciones de tal manera que se deben hacer y promediar muchas mediciones separadas para lograr acercarse a una muestra representativa. En la Etapa 1 se tomaron 25 muestras distribuidas en 10 puntos diferentes sobre el horno. A partir de las concentraciones
39 IAMB 200520 17 obtenidas de las muestras se promedió la concentración de cada punto y con esto se promediaron los datos obtenidos para cada punto para estimar la concentración media en un punto cualquiera del horno. (Ver Tabla 2-3). Los datos de la Tabla 2-3 se representan en la Fig.2.10 y Fig. 2.11.
Tabla 2-3. Concentración, masa y tasa de salida promedio obtenida en cada punto de muestreo
Punto de Mi(mg) muestreo Ci(mg / L) E i(mg/min)
1 18.6 1.0 4.1 2 9.4 0.4 1.8 3 0.2 0.01 0.1 4 6.9 0.4 1.4 5 1.8 0.09 0.3 6 1.7 0.08 0.3 7 5.4 0.2 1.1
8 7.3 0.3 1.4
9 4.1 0.2 0.8 10 3.7 0.1 0.7 Promedio 5.9 0.3 1.2
Figura 2- 9.Tasa de salida promedio en cada punto de muestreo (mg/min)
Tasa de salida promedio en cada punto de muestreo (mg/min)
mg/min promedio en cada punto Tasa de salida media / punto=1.192mg/min 4.5
) 4.0 n i 3.5 m /
g 3.0 m
a ( 2.5 d i 2.0 sal
e 1.5 d 1.0 asa
T 0.5 0.0 1234567891011 Punto de muestreo
40 IAMB 200520 17
Figura 2-10. Concentración promedio (mg/L) en cada punto de muestreo.
Concentración promedio en cada punto de muestreo (mg/L)
mg/L promedio en cada punto concentración media / punto=0.278mg/L 1.2
) 1.0 L / g
m 0.8 ( n ó 0.6 aci r t 0.4 cen n o
C 0.2
0.0 1234567891011 Punto de muestreo
De las figuras anteriores se puede observar que se presentó una concentración máxima de ≈1 mg/L en el punto 1 con una tasa de salida de ≈4 mg/min, y un mínimo en el punto 3 de ≈0.01 mg/L con una emisión de ≈0.040 mg/min, la concentración de este último punto podría no ser representativa debido a que solo se tomó una muestra por la baja emisión visible que presentaba en el momento de la medición, sin embargo se tuvo en cuenta ya que como todos los puntos tienen instantes donde se presenta alta emisión e instantes donde presenta baja emisión, esta muestra se interpreta como un momento de baja emisión.
mg Según la Fig. 2.11 la concentración media para un punto i es Ci = 0.278 lo cual se va L a asumir como la concentración de la emisión que se presenta en cualquier punto del mg horno y la tasa de salida promedio es Ei = 1.192 . min
La emisión media obtenida se puede ajustar bien a los puntos del horno ya que la información de las muestras es bastante amplia y abarca los diferentes escenarios que puede presentar un punto (alta emisión, media emisión y baja emisión visible).
41 IAMB 200520 17
4.2.2. Resultados del registro fotográfico
Para el registro fotográfico se dividió el horno en cuatro secciones con la intención de cubrir todo el horno, se realizó por intervalos de 15min durante 2 horas y media en cada campaña, esto con el fin de hacer un seguimiento a los cambios de las emisiones en cada punto para tratar de obtener un patrón de comportamiento del chircal.
Se realizaron tres exploraciones fotográficas en días diferentes, en la campaña 2 (C2), campaña 3 (C3) y campaña 4 (C4), en la última campaña (C5) no se llevó a cabo el seguimiento fotográfico ya que el horno estaba en su última etapa de cocción y no se presentaba emisión visible. En la primera campaña (C1) tampoco se hizo el registro ya que en ese momento no estaba planteado dentro de la metodología. Los seguimientos fotográficos se tomaron durante dos horas y media, en las horas de la mañana y en cuatro puntos diferentes mostrados anteriormente (Fig.2.6). La secuencia de los registros fotográficos de cada sección se encuentra en el Anexo 3.
Del seguimiento fotográfico se evidenciaron dos zonas de emisión visible persistente, correspondiente a un sector de la sección 1 y la sección 3. Esta última está vinculada a la parte superior del horno que consta de cuatro chimeneas que emitieron la mayoría del tiempo; la sección 2 presentó una emisión no tan abundante y la sección 4 no mostró emisiones frecuentes haciendo de este el sector con menos emisión visible.
Para facilitar el manejo de la información dada por las fotos se realizó una sectorización de las diferentes secciones. (Ver Tabla. 2.4)
42 IAMB 200520 17
Tabla 2-4. Secciones del horno Sección 1 Sectores 1-2-3 Sección 2 Sector 4
SECCIÓN 3 SECTOR 5 SECCIÓN 4 SECTOR 6
4
A partir de la segmentación del horno se realizó una exploración de las fotos una a una y se calificó el tipo de emisión que se presentaba, siendo 0= emisión visible nula, 1= emisión visible baja, 2= emisión visible media y 3= emisión visible alta. En la figura 2.11 se muestra un ejemplo de la clasificación de la emisión visible.
43 IAMB 200520 17
Figura 2-11. Sección 1- Sector 1-2-3 (Foto Septiembre 24/05 10:48 am**)
1 2 3
Sector 1= Emisión 3 - Sector 2 = Emisión 3 - Sector 3 =Emisión 2
La Tabla 2.5 muestra la calificación de las fotos según la emisión visible, también se encuentra especificada la hora y el día en que se tomo la fotografía para así poderlas identificar fácilmente en el Anexo 3.
Tabla 2-5. Calificación de las Emisiones en cada sector
Día del Hora SECTOR Registro (am) 1 2 3 4 5 6
9:14 1 0 0 2 3 2 9:30 3 0 0 0 1 0 9:45 0 0 0 0 1 0
Septiembre 10:00 0 0 0 0 2 0 e
d 10:15 1 0 0 0 2 0 /2005 4 10:30 1 0 0 0 2 2 10:45 1 0 0 1 2 1 **10:48 3 3 2 1 1 2 Sábado 2
44 IAMB 200520 17
11:00 3 0 0 0 2 1 11:15 0 0 0 0 2 1 11:30 3 0 0 0 2 1 9:42 2 0 2 2 2 0 9:58 3 0 2 0 3 1 10:12 3 0 0 0 3 1 10:28 1 0 3 2 3 1
Septiembre 10:42 1 0 2 2 3 0 10:58 2 0 0 0 3 0 /2005 11:12 3 0 1 1 3 0 27 de s 11:27 2 0 2 2 2 1 11:42 2 0 1 1 2 0 Marte 11:57 3 0 1 1 2 0 9:42 1 0 0 1 3 2
2005 9:58 1 0 0 1 2 1 10:13 1 0 0 0 3 0 10:28 0 0 0 0 2 1 10:43 0 0 0 0 3 1
Septiembre / 10:58 1 0 0 1 3 1 e 11:12 0 0 0 1 2 0
29 d 11:28 3 0 1 0 2 0 s e
v 11:43 3 0 0 0 2 0
Jue 11:55 1 0 1 0 3 0
A partir de la información de la Tabla 2.5 se obtuvo una distribución de la emisión en cada sección del horno (Ver Tabla 2.6 y Figura 2.13).
Tabla 2-6. Porcentaje de emisión en cada sección alrededor del horno
Sección 1 Sección 2 Sección 3 Sección 4 Tipo de Emisión SECTOR 1 2 3 4 5 6 Emisión nula 19% 97% 55% 55% 0% 48% visible Emisión Baja 35% 0% 29% 29% 10% 39% visible Emisión media 13% 0% 16% 16% 52% 13% visible Emisión Alta 32% 3% 0% 0% 39% 0% visible % Emisión total 81% 3% 45% 45% 100% 52% visible
45 IAMB 200520 17
Figura 2-12. Distribución de la emisión alrededor del horno
Distribución de la emisión alrededor del horno
Emisión Nula Emisión Baja Emisión Media Emisión Alta
100% 90% 80% 70% 60% ión
is 50% m
e 40% % 30% 20% 10% 0% 123Sector 456
Según esto se puede observar que hay dos sectores que presentaron un porcentaje importante de emisión visible alta. El sector 1 mostró un 32% de emisión visible alta y un total de emisión visible de 81%. El sector 5 (parte superior del horno, chimeneas) manifestó un 45% de emisión visible alta y un 100% de emisión visible, es decir siempre se observó emisión en este sector. Estos son los sectores que presentaron mayor emisión. Los sectores 3 y 4 mostraron coincidencialmente un comportamiento exacto, indicando que emiten el 45% del tiempo, esta conducta similar puede ser debida a que son sectores contiguos y lo que se registró fotográficamente se puede interpretar como un solo sector. En el sector 4 se observó que se emitía el 52% del tiempo. El sector 2 reveló una baja emisión en la mayoría del tiempo (97% emisión nula).
4.2.3. Análisis de los datos obtenidos en la Etapa 1
Con las muestras obtenidas se asumió un rango para clasificar la tasa de salida (mg/min) en emisión alta, media y baja. En cada campaña y en cada muestreo se registraron observaciones con respecto al flujo que se evidenciaba, esta observación cualitativa fue de ayuda para realizar la categorización de las muestras. La tabla 2-7 muestra los datos clasificados según la emisión y en la figura 2-14 se muestra la clasificación obtenida.
46 IAMB 200520 17
Tabla 2-7. Clasificación de las muestras según la Tasa de salida (mg/min)
Q Q Tasa de Tipo de OBSERVACIONES DURANTE Punto Masa t(min) C FILTRO muestreo corregido salida LA CAMPAÑA Muestreo (mg) muestreo [mg/L] Emisión (L/min) (L/min) (mg/min) Hubo un cambio de viento y
de flujo alto paso a muy bajo
9 3 0.2 3 5.1 3.3 0.01 0.04
en el momento de tomar la
muestra
Flujo Variado 27 9 0.6 5 5.0 5.6 0.02 0.12
Flujo medio estable bajo 22 9 0.8 5 5.0 5.6 0.03 0.16
-
)
Flujo bajo 14 5 1.2 4 5.0 4.4 0.05 0.24
n
i
Flujo alto al comienzo, hubo mg/L] m a / j
g un cambio de viento y 16 6 1.4 3.5 5.0 3.9 0.07 0.28 a b m
disminuyó notablemente 9 n 9 ó 1 i Flujo alto al comienzo, hubo . s 1 i
- un cambio de viento y 15 6 2.0 4 5.0 4.4 0.09 0.40 9 m
9 disminuyó notablemente E 0 0
. Flujo Variado 25 10 2.1 4.7 5.1 5.2 0.08 0.41 0 (
[0,01mg/L - 0,199 Flujo bajo 13 5 2.4 3.5 5.0 3.9 0.12 0.47 Flujo bajo 8 2 3.6 3.7 5.5 4.1 0.16 0.65 Flujo Variado 26 10 3.7 5 5.0 5.6 0.13 0.74 Flujo cte medio bajo 18 7 4.3 4 5.0 4.4 0.19 0.86 Flujo medio estable 24 10 5.4 4.7 5.3 5.2 0.19 1.02
Flujo cte medio bajo 20 8 5.1 5 5.0 5.6 0.18 1.02
Flujo Variado 28 8 6.6 4.8 5.5 5.3 0.23 1.20
Flujo constante medio 17 7 6.5 4 5.0 4.4 0.29 1.30 in)-
/L] Flujo constante (chimenea) 10 4 6.7 3 5.0 3.3 0.40 1.34 g /m
g Flujo constante (chimenea) 11 4 7.2 3.7 5.0 4.1 0.35 1.44 Hubo un cambio de viento en 3 1 8.6 3.5 5.0 3.9 0.44 1.72 el minuto 2 isión media Flujo medio estable 21 8 10.1 5 5.0 5.6 0.36 2.02 Em [0,2-0,599m
(1.2-2.099m Flujo medio estable 23 9 10.9 4.7 5.3 5.2 0.40 2.08 Flujo medio estable 7 2 10.4 3.7 5.0 4.1 0.51 2.08
Flujo continuo alto 6 2 14.2 3.7 5.7 4.1 0.61 2.51 Flujo constante alto 2 1 19.1 3.5 5.5 3.9 0.89 3.47 Flujo constante alto 4 1 15.2 3.5 3.0 3.9 1.30 5.07 isión alta [0,6-1,5mg/L] Em Flujo constante alto 5 1 31.6 3.7 5.3 4.1 1.44 5.93 (2.1-5.99mg/min)-
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Tabla 2-8. Clasificación de las muestras
Emisión Tipo de Emisión Emisión alta Ealta Emedia Emisión baja Ebaja media Rango de tasa de salida 1.2 - 0.0099 - 2.1 – 5.99 mg/min 2.099 1.199 4.2 1.7 0.5 Rango de concentración 0,2 - 0,6 - 1,5 0,01 - 0,199 mg/L 0,599
Tabla 2-9. Filtros con muestra para cada rango de Emisión
[C] = 1.4mg/L [C] = 0.4mg/L [C]= 0.2mg/L
Figura 2-13. Clasificación de las muestras obtenidas en la Etapa 1
Muestras obtenidas en la Etapa 1 (mg/min)
Tasa de salida Baja Promedio =0.493mg/min Tasa de salida Media Prom = 1.647mg/min Tasa de salida Alta prom =4.242mg/min 7.0 93
6.0 5. ) n 5.07 i 5.0 m / Emisión Alta g m
4.0 47 3. a ( d
3.0 51 sali 2. 08 08 02 e 2. 2.
2. Emisión Media
2.0 1.72 34 20 1.44 asa d 1. 1.30 1. T 1.02 1.02 0.86 47 0.74 1.0 Emisión Baja 41 0.65 28 0. 0. 0.40 0. 0.24 0.16 0.12 0.0 0.04 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Muestra
En la tabla 2-9 se exponen algunas las muestras que se tomaron en el horno, y están dentro de los rangos mostrados en la tabla 2-8, aparentemente la intensidad del color está directamente relacionada con la concentración de la muestra. Las concentraciones de los
48 IAMB 200520 17 filtros mostrados se aproximan a la concentración media para cada rango. Según esto la apariencia de los filtros se aproximaría a la mostrada en la tabla 2-9 para cada rango.
En la Figura 2-14 se puede apreciar la tasa de salida promedio para cada tipo de emisión definido anteriormente. Una vez contando con valores para tasa de salida alta, media y baja (ver Tabla 2-8) y un porcentaje de emisión visible alta, media, baja y nula en cada sector del horno, se debe estimar un número de puntos correspondiente a cada sector (Ver tabla 2-10).
En la Tabla 2-10 se muestran un número estimado de puntos de emisión, a partir de la observación y el conteo detallado de estos en cada sección del horno captada fotográficamente. En particular en el sector 4 referente a las chimeneas se asumió que cada chimenea presentaba la emisión de 5 puntos del horno llegando a suponer que las cuatro chimeneas representan 20 puntos.
Tabla 2- 10.Número de puntos aproximado en cada sector
SECTOR 1 SECCION 1-2-3 (≈258 PUNTOS DE EMISÓN)
≈ 109 PUNTOS ≈ 106 PUNTOS ≈ 78 PUNTOS
SECTOR 2 SECCIÓN 4 (≈ 78 PUNTOS DE EMISIÓN)
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≈ 78 PUNTOS
SECCIÓN 3 SECTOR 5 (4 CHIMENEAS ≈ 5 PUNTOS / CHIMENEA)
≈ 20 PUNTOS
SECCIÓN 4 SECTOR 6 (≈ 127 PUNTOS DE EMISIÓN)
50 IAMB 200520 17
≈ 127 PUNTOS
Tabla 2-11. Porcentaje de emisión y número de puntos aproximado en cada sector SECCIÓN 1 SECCIÓN 2 SECCIÓN 3 (106 PUNTOS DE EMISIÓN) (109 PUNTOS DE EMISIÓN) (42 PUNTOS DE EMISIÓN)
SECCIÓN 4 SECCIÓN 5 SECCIÓN 6 (78 PUNTOS DE EMISIÓN) (20 PUNTOS DE EMISIÓN) (127 PUNTOS DE EMISIÓN)
51 IAMB 200520 17
A partir de esta información (ver tabla 2-11) se podrá estimar una emisión aproximada en todo el horno.
Con un número aproximado de puntos en cada sección y con un rango de emisión (alto, medio y bajo) se podrá llegar a una emisión parcial sobre el horno aplicando la ecuación 2-2:
ETOTAL1 = ∑(xi * ai * E1 + yi * ai * E 2 + zi * ai * E 3 ) 2-2 i
Donde: i= sector
ai = Numero de puntos del sector
X = Fracción de emisión visible baja en el sector i
Y = Fracción de emisión visible media en el sector i
Z = Fracción de emisión visible alta en el sector i
E1 = Emisión promedio baja = 0.5 mg/min
E2 = Emisión promedio media = 1.6 mg/min
E3 = Emisión promedio alta = 4.2 mg/min
La Tabla 2-12 muestra los resultados de los cálculos efectuados según los supuestos presentados anteriormente:
Tabla 2-12. Cálculo de la emisión de cada sector del horno
SECCIÓN SECCIÓN SÉCCIÓN SECCIÓN 1 TIPO DE E [mg/min] 2 3 4 EMISIÓN SECTOR 1 2 3 4 5 6 No. Puntos de emisión 106 109 42 78 20 127 E. nula 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 E. Baja 0.5 18.6 0.0 6.0 11.2 1.0 24.3 E. media 1.6 22.5 0.0 11.1 20.7 17.0 27.0 E. Alta 4.2 145.1 14.9 0.0 0.0 32.8 0.0 Total (mg/min) 352.3 186.2 14.9 17.2 31.9 50.8 51.3
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Tabla 2-13. Emisión del horno
RESULTADOS EMISIÓN/HORNADA EMISIÓN/DÍA EMISIÓN/S Tiempo de hornada 10145.6 g/hornada 507.3 g/día 0.006 g/s 20días 10.1 Kg/hornada 0.5 kg/día
Según los datos y las observaciones realizadas en la Etapa 1, se encontró que la emisión del horno es 0.006 g/s de PM. Sin embargo los resultados anteriormente presentados se obtuvieron a partir de una serie de supuestos las cuales involucran una desviación sobre los valores adquiridos, por lo tanto es necesario considerar todos aquellos aspectos que involucran resultados imprecisos.
4.2.3.1. Estimación de error en los resultados
A continuación se van a nombrar todos aquellos factores que se considera que pudieron alterar los resultados, como también se van a considerar los posibles agentes de pérdidas de muestra.
• Cálculos inexactos: Debido a que los cálculos se realizaron a partir de observaciones y suposiciones esto constituye una desviación constante de la realidad. • Muestreo: En el muestreo de partículas, la concentración medida y la distribución de tamaños debe ser representada lo mas cercano posible al estado original (salida del horno). El muestreo que se realizó es no isocinético, debido a que la velocidad de muestreo es diferente a la del flujo de salida del horno. Hay diversas razones por las que la concentración medida puede diferir de la concentración verdadera. Una puede ser por la recolección selectiva en la boca de la sonda lo cual se puede ligar con pérdidas de grandes o pequeñas de partículas. También se puede presentar la deposición inercial o impactación de la muestra mientras fluye por la sonda del equipo, esto se puede ver representado en pérdidas importantes de partículas gruesas. [REIST, 1993]. Para describir estas pérdidas Reist considera los siguientes casos mostrados en la Fig.2-15:
53 IAMB 200520 17
Figura 2-14. Tipos de muestreo no isocinético [REIST, 1993]
En este caso la punta de la sonda no está alineada con el flujo. Algunas partículas se pueden perder por impactación dando como resultado una muestra con una concentración menor a la real.
En el caso B, cuando la velocidad del flujo es menor que la velocidad de muestreo, algunas partículas podrían fallar al seguir la corriente de muestreo y como resultado podrían no ser recolectadas, dando una concentración en la muestra menor a la actual.
Este último caso es el inverso del B, en este la velocidad de muestreo sería menor que la del flujo y la concentración de la muestra sería mayor que la real.
Según esto a continuación se cuantificará un aproximado de las posibles pérdidas que se presentaron en el muestreo.
Durante las mediciones se observó que las muestras que se tomaban en cada punto no representaban la emisión total del orificio. En cada muestreo se evidenciaba una fuga de humo debido al área irregular del punto de emisión, esto implica pérdidas significativas en cada muestra y por lo tanto un desvío importante en los datos obtenidos.
Para considerar estas pérdidas se calculó la emisión para diferentes escenarios. Estos escenarios se definieron asumiendo que las muestras obtenidas representan diferentes porcentajes del total de la emisión real. Por ejemplo suponiendo que se tomó solo un 20%
54 IAMB 200520 17 se calculará el 100% de la emisión. Esto se aplicó a los resultados obtenidos sobre cada sector del horno que se enseñó en la Tabla 2-12.
Asumiendo diferentes porcentajes de muestreo se obtuvo un rango de emisión del horno de (0.006 – 0.06g/s), como se muestra en la Tabla 2-14.
Tabla 2-14. Evaluación de pérdidas en el muestreo % Emisión total Emisión Emisión Pérdida Muestreado (mg/min) total (g/s) muestreada (g/s) asumido 10% 3522.8 0.059 0.006 0.053 20% 1761.4 0.029 0.006 0.023 30% 1174.3 0.020 0.006 0.014 40% 880.7 0.015 0.006 0.009 50% 704.6 0.012 0.006 0.006 60% 587.1 0.010 0.006 0.004 70% 503.3 0.008 0.006 0.003 80% 440.3 0.007 0.006 0.001 90% 391.4 0.007 0.006 0.001 100% 352.3 0.006 0.006 0.000
Figura 2-15. Perdidas según porcentaje (%) muestreado asumido
Pérdidas según porcentaje (%) muestreado asumido
% muestreado Pérdida 0,0700 ) s
/ 0,0600 g (
o 0,0500 n r 0,0400 ho 28 l
0,0300 05 , de 0 35 ón 0,0200 37 s 88 59 39 15 07 00 i 02 , 025 01 00 0 , m 0 00 00 00 00 00 0,0100 , , , , , , 0 0 E 0, 0 0 0 0 0 0,0000 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% % muestreado asumido
En la Tabla 2-14 y la figura 2-16 se observa que se pueden presentar pérdidas muy importantes en el peor contexto situado en el supuesto de que los resultados obtenidos en el muestreo de la etapa 1 corresponden a solo un 10% de todo lo que emite el horno. Para considerar las imperfecciones o fallas en el muestreo se tomará la emisión del horno como un rango de 0.006 – 0.06g/s.
55 IAMB 200520 17
• Pérdidas en la sonda: Se pueden presentar diferentes tipos de pérdidas en la sonda que se deben tener en cuenta, como se mencionó anteriormente. Para este caso se van a considerar las pérdidas en la sonda que impliquen partículas gruesas, es decir una pérdida importante en masa.
1. Pérdidas por sedimentación: Las partículas en el aire tienen dos fuerzas que actúan sobre ellas; (1) una fuerza gravitacional hacia abajo y (2) la resistencia del aire (o la fricción) fuerza hacia arriba. Cuando las partículas comienzan a caer, alcanzan rápidamente una velocidad terminal (vt), que representa la velocidad constante de una partícula que cae cuando la fuerza gravitacional hacia abajo es balanceada por la fuerza de la resistencia del aire (o fricción) hacia arriba. Se considera que se puede presentar sedimentación de partículas dentro de la sonda debido a la velocidad baja con la que se transportan. La sedimentación de las partículas en la sonda se representa en la figura 2-17.
Figura 2-16. Sedimentación de las partículas dentro de la sonda
La longitud de la sonda es de 100 cm pero adentro del equipo hay 42cm más de tubo.
Para determinar la velocidad Terminal para diferentes tamaños de partículas primero se calcula el tiempo de relajación τ (s) dado por la ecuación 2-3:
1 d 2 τ = ρ Cc 2-3 18 µ p
56 IAMB 200520 17
Donde: d: Diámetro de la partícula (cm)
ρp : 3 Densidad de la partícula (g/cm )
µ: Viscosidad dinámica del aire (g/cm*s)
Cc: Factor de corrección Cunningham (20°C)
Y Cc está dado por la ecuación 2-4
2λ (2*7 ×10−6 ) Cc = 1+ (1.257) = *1.257 2-4 d d
Una vez se tiene τ se calcula vt =τ *g. (Ver Tabla 2-12)
Vh es la velocidad inicial de la partícula que se va a asumir como el promedio de la velocidad de muestreo. Teniendo Vh y la distancia total del recorrido de la partícula es decir 142cm se calculará el tiempo de recorrido dado por. t=Vh/142cm, con el tiempo de recorrido y la velocidad terminal Vt se calculará la altura recorrida por la partícula, si esta es mayor que el diámetro Ф de la sonda esto significará que la partícula se sedimentó.
Según esto se va a revisar que tamaño de partículas se perdieron en el muestreo debido a la sedimentación en la sonda. Los resultados de los cálculos se muestran en la Tabla 2-15.
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Tabla 2-15. Cálculo de la distancia de sedimentación según el tamaño de la particular Datos iniciales Q mue st r e o (L/min) 4,5 (m3/s) 7,5E-05 Q muestreo Фsonda (cm) 0,6
As sonda(cm2) 0,3
Vh (muestreo) (cm/s) 237,7
x (cm) 142
t (s) [t=Vh/x] 0,6
ηaire(g/cm*s) 0,0002
ρp(g/cm3) 1,00
Γ(s)= tiempo de relajación Cc = Factor de corrección Cunningham (20°C)
Фp Vh Фp (cm) Γ(s) Cc (20°C) Vt(cm/s) y (cm) (µm) (cm/s) 1 0,0001 3,6E-06 1,2 3,5E-03 238 0,0 2 0,0002 1,3E-05 1,1 1,3E-02 238 0,01 4 0,0004 5,1E-05 1, 5,0E-02 238 0,03 6 0,0006 1,1E-04 1,0 1,1E-01 238 0,1 8 0,0008 2,0E-04 1,0 2,0E-01 238 0,1 10 0,001 3,1E-04 1,0 3,0E-01 238 0,2 ↓ s P e a d ↓20 0,002 1,2E-03 1,00 1,2E+00 238 0,7 r t i m í c u 40 0,004 4,9E-03 1,00 4,8E+00 238 2,9 e l n a t s a
60 0,006 1,1E-02 1,00 1,1E+01 238 6,4 n q
u
80 0,008 2,0E-02 1,00 1,9E+01 238 11,5 e
s e
90 0,009 2,5E-02 1,00 2,4E+01 238 14,5 100 0,01 3,1E-02 1,00 3,0E+01 238 17,9
Los cálculos realizados muestran que las partículas que comprenden un diámetro ≈Фp≥20µm se sedimentan, suponiendo que entran desde la parte superior de la sonda. Si entran por el centro habría pérdidas de partículas Фp≥15µm. Esto representa una pérdida importante de partículas gruesas, pero no de partículas respirables.
2. Pérdidas inerciales o por impactación: Como se mencionó en uno de los tres casos nombrados se pueden presentar pérdidas inerciales en la sonda. En la trayectoria
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de las partículas, estas se pueden encontrar con obstáculos que en el caso de la sonda se pueden traducir en codos o curvas que se presentan en esta. Estos cambios de dirección tienden a hacer salir a las partículas del eje de rotación, las partículas por su inercia tienden a seguir su trayectoria original. Debido a la inercia, una partícula que se mueve en una corriente de gas puede chocar en su trayectoria con obstáculos en movimiento lento o estacionarios. Hay dos factores que afectan la probabilidad de que la impactación ocurra: (1) el tamaño de la partícula y (2) la diferencia de la velocidad entre la partícula y el obstáculo. Las partículas más grandes son recolectadas más fácilmente que las pequeñas debido a su mayor inercia.
Figura 2-17. Impactación por cambio de dirección
La impactación inercial es usualmente efectiva para partículas de diámetro mayor a 10 micrómetros, se vuelve menos efectiva a medida que el diámetro disminuye [REIST, 1993]. El proceso de impactación puede ser modelado usando la ecuación de movimiento de partículas de aerosol. Se considera una ranura larga de ventilación de ancho W a una velocidad u. Una superficie es colocada normal al flujo que se descarga a la distancia S, como se puede ver en la fig. 2-19.
Figura 2-18. Modelo simple de impactación. [REIST, 1993]
Ф
C C W L C B
S
Trayectoria de la partícula
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Con esta configuración el aire debe virar 90° antes de escapar. Las partículas que no sigan el flujo de aire impactarán en la superficie. Como una aproximación a grandes rasgos [FUCHS, 1964 - Reist], se puede ver la extremidad como un ¼ de circulo con el centro en C y S=W/2. En el punto B la partícula tiene una velocidad tangencial dada por vw=u y una velocidad radial data por la ecuación 2-6
dr v 2 v = = w τ 2-6 r dt r
En el tiempo dt la partícula se desplaza:
v 2 dδ = w sen(φ)dt 2-7 r
Ф es el ángulo formado por la línea que conecta los puntos B y C como se muestra en la Fig. 2-19.c. Como las líneas de corriente giran para ser paralelas con la superficie Ф varía de 0° a 90° este cambio de ángulo se puede expresar como: v dφ = w dt (2-8), entonces la partícula se desplazará r
δ = π / 2v τsenφdφ = v τ = uτ ∫ 0 w w 2-9
Todas las partículas que son retenidas a una distancia δ son consideradas removidas, la eficiencia sobre toda la remoción esta dada por:
δ 2uτ ε = = 2-10 W / 2 W
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Figura 2-19. Modelo simple de impactación aplicado a la sonda de muestreo.
Figura 2-20. Diagrama de velocidades en el punto B. [REIST, 1993]
C
B r
2 vw = u vr = vw τ / r vδ
Para saber si pudo haber pérdidas inerciales se sacará la velocidad u para una eficiencia de 50%, 20% y 10% para diferentes diámetros como se muestra en la Tabla 2-16, si la velocidad calculada es menor o igual a la velocidad de muestreo, hay pérdidas.
Tabla 2-16. Cálculo de pérdidas inerciales o por impactación en la sonda
u para u para u para Фp (µm) Фp (cm) τ (s) Cc (20°C) E=0.5 E = 0.2 E = 0.1 1 0.0001 3.6E-06 1.176 44223.2 17689.3 8844.6 2 0.0002 1.3E-05 1.088 11950.0 4780.1 2390.0 4 0.0004 5.1E-05 1.044 3113.4 1245.4 622.7 6 0.0006 1.1E-04 1.029 1403.9 561.6 280.8 8 0.0008 2.0E-04 1.022 795.1 318.0 ↓159.0 10 0.001 3.1E-04 1.018 510.9 ↓204.4 102.2 20 0.002 1.2E-03 1.009 ↓128.9 51.5 25.8 40 0.004 4.9E-03 1.004 32.4 12.9 6.5 60 0.006 1.1E-02 1.003 14.4 5.8 2.9 80 0.008 1.9E-02 1.002 8.1 3.2 1.6 90 0.009 2.5E-02 1.002 6.4 2.5 1.3 100 0.01 3.1E-02 1.002 5.2 2.1 1.0
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Las casillas que están en gris señalan a partir de donde se encontró una velocidad u menor a la velocidad de muestreo (≈238cm/s)
Según estos cálculos se puede decir que las pérdidas por impactación consiguen ser importantes para partículas gruesas en el caso de una eficiencia de impactación de 50% se podrían dar pérdidas de partículas de 15 µm de diámetro lo cual es bastante representativo en masa. Para una eficiencia de 20% se encontró que se pierden partículas de diámetro mayor a 10 µm. Por último se evaluó una eficiencia baja de 10% y se encontró que se pierden partículas de tamaño mayor a 7µm aproximadamente. En la sonda del medidor de PM se pueden presentar pérdidas por cambios de dirección pero se podría decir que la eficiencia de la impactación probablemente sería baja debido a que en la sonda no se presentan codos o curvaturas muy pronunciadas.
3. Otras pérdidas. También se pueden presentar pérdidas por difusión y por electroforesis pero no se van a considerar ya que estas se dan en partículas finas las cuales no son significativamente representativas en masa.
4.2.4. Observaciones de la Etapa 1.
A partir de los resultados obtenidos y la exploración del horno durante varios días en la Etapa 1, se llegó a las siguientes observaciones.
• La concentración y la velocidad varían punto a punto y de instante a instante, de modo que se deben hacer y promediar muchas mediciones separadas. • El flujo de las emisiones en cada punto es muy variable y está directamente relacionado al cambio de la velocidad y la dirección del viento. A partir de esto se encuentra que cada punto tiene un comportamiento diferente ya que hay orificios donde se observó que se emite más que en otros. También hay orificios que aparentan la mayoría del tiempo ser puntos muertos pero esporádicamente emiten. • En el seguimiento fotográfico se aprecia el comportamiento de las emisiones del horno, mostrando en algunos momentos alta emisión visible como en otros momentos emisión visible baja.
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• El seguimiento fotográfico podría ser más efectivo si se hace a intervalos de tiempo menores y durante periodos de tiempo mayores ya que así se puede observar más fácilmente un comportamiento del horno más continúo y se pueden captar patrones más representativos. • Marcar cada punto de muestreo es de gran apoyo ya que esto ayuda a estimar la fracción de horno que se ha muestreado y a hacer un barrido de los puntos muestreados como también a determinar las secciones por donde más se emite. • Se deben tomar puntos significativos para procurar captar las mayores emisiones del horno. • A partir de las emisiones observadas durante las campañas se propone categorizar y clasificar las emisiones que se observan en las fotografías para estandarizarlas y poder describir más fácilmente su comportamiento como también hacer una extrapolación de las emisiones de todos y cada uno de los orificios posibles del horno. Esto se puede hacer según el flujo observado, calificando así los tipos de flujo que se pueden presentar en un orificio: 0=emisión visible nula, 1=emisión visible baja, 2=emisión visible media y 3=emisión visible alta, para así asignar una distribución de emisiones representativa de cada sección del horno y poder sacar una emisión aproximada total del horno. • Para el análisis del registro fotográfico se propone realizar la sectorización mas puntual, ya sea delimitando cada sector en el horno para así captar su comportamiento mas fácilmente en las fotografías. • Para facilidad de mediciones se sugiere contar idealmente con un equipo más portátil, el cual haría más sencillo y más eficiente el muestreo en los diferentes puntos, permitiendo también mas libertad para moverse alrededor del horno. • Se debe minimizar o atenuar los posibles factores de pérdidas para llegar a resultados más confiables y representativos del horno. • Para impedir las pérdidas en el muestreo se sugiere aumentar la velocidad de muestreo del equipo para que la succión sea eficiente tomando muestras más características de cada punto de emisión.
4.3. Etapa 2: Propuesta de metodología de medición de material particulado
La medición de material particulado en un chircal no es un proceso sencillo, sus características físicas y operacionales, condicionan la medición la cual deberá ser
63 IAMB 200520 17 planificada cuidadosamente. El muestreo de material particulado; el análisis, el cálculo de la emisión y la concentración; y el uso de la información recopilada son los componentes de la metodología que se va plantear.
A partir del procedimiento exploratorio se sugerirá una metodología de medición precisa de tal forma que se consiga un muestreo representativo y confiable que se ajuste al comportamiento del horno estudiado.
Como se mencionó anteriormente y según las observaciones en la Etapa 1, la velocidad y la concentración de PM varían punto a punto y momento a momento, de acuerdo a esto se deben hacer y promediar muchas mediciones separadas. Para obtener muestras confiables; se debe tratar en lo posible de estandarizar cada etapa o proceso del muestreo. Para esto se van a perfeccionar y a mejorar los procedimientos que se produjeron en la etapa de exploración. Para tal fin, el sesgo de error se debe disminuir, esto se puede lograr sistematizando al máximo los procesos que intervienen en la medición.
Partiendo de las observaciones logradas en la Etapa 1 se proponen las siguientes pautas para las mediciones:
1. En primera instancia, antes de las mediciones se debe estudiar, conocer y realizar la sectorización precisa del horno, para ubicar más fácilmente los puntos que se van a muestrear. 2. Es importante hacer una programación o planeación de una agenda para las campañas, la cocción dura aproximadamente 20 días. A medida que se tomen más muestras más precisos serán los resultados, por esto es conveniente tomar el mayor número de muestras posible durante toda la etapa de cocción. Se recomienda medir día de por medio desde el día en que el horno se enciende hasta el día 20. 3. Para sistematizar los procesos se debe procurar realizar todas las campañas bajo condiciones similares, por esto es conveniente optar por un horario fijo para realizar los muestreos. 4. En cada campaña se deben hacer las mediciones en mínimo 2 puntos de cada sector, las mediciones que se realicen deben ser homogéneas con respecto a cada sector:
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• El mismo número de muestras • El mismo número de puntos medidos. 5. En cada punto se deben tomar de dos a tres muestras. Debido a la variación de las emisiones a cada instante, al tomar varias muestras sobre el mismo punto se cuenta con un rango de emisión que abarca a grandes rasgos el comportamiento del punto.
Como en la etapa de exploración las mediciones se deben complementar con un registro fotográfico de los sectores ya definidos. Para esto se deben determinar los puntos desde donde se efectuará el seguimiento fotográfico de cada sector del horno.
Para el seguimiento fotográfico se sugieren los siguientes parámetros:
1. En el reconocimiento del sitio de medición que se mencionó anteriormente se debe incluir la selección de los puntos desde donde se va a realizar el seguimiento fotográfico. Para esto es necesario escoger puntos de tal manera que cubran todos y cada uno de los sectores del horno que fueron marcados y seleccionados previamente y también se debe tener en cuenta que los puestos estén a una distancia adecuada para distinguir y visualizar mejor las emisiones del horno. 2. El objetivo del registro fotográfico es complementar la información captada en las mediciones, para esto es necesario captar la variación de las emisiones del horno en el tiempo. En la Etapa 1 se realizó un seguimiento fotográfico con un intervalo de 15 minutos durante 2 horas y media, ésta exploración fue de gran ayuda, sin embargo se consideró que el intervalo de tiempo se podría disminuir para registrar un comportamiento más continuo y captar más fácilmente los cambios que se presenten. Para esto se sugiere realizar el seguimiento en intervalos de tiempo de máximo 10 minutos (entre menor sea el tiempo entre foto y foto mas completa es la información para cada sector). 3. Al igual que se observó que el intervalo entre foto y foto era muy amplio también se consideró que se debe ampliar el tiempo del registro fotográfico a mínimo 3 horas.
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Figura 2-21. Propuesta para la división del horno en la medición y el seguimiento Fotográfico
HORNO TÍPICO VISTA DE PLANTA ARTESANAL (CHIRCAL) Sector 1 Sector 2
A B
Chimeneas Sector 5
D C
Sector 4 Sector 1
Puntos A, B, C, D – Puestos para el registro fotográfico
La Figura 2-22 muestra la posible sectorización para un horno típico artesanal. Como se puede ver en la figura se trata de proponer una división simétrica del tal forma que todos los sectores estén bajo las mismas condiciones a excepción de la parte superior que es donde están ubicadas las chimeneas. Para este sector del horno se propone tratarlo por separado como un sector diferente.
En cuanto a la medición de la emisión sobre las chimeneas se deberá muestrear como mínimo una chimenea en cada campaña y al igual que los puntos se deben tomar tres muestras. En cada campaña se deberán tomar en total 27 muestras:
2 puntos 3muestras 3muestras No.muestras / campaña = 4sectores × × + 1chimena × = 27 sector secotr chimenea
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Figura 2-22. Diagrama de la Metodología de medición propuesta
Diagrama de la metodología Propuesta
Seleccionar el lugar de medición Escoger mínimo 2 puntos de medición en cada sector
Programar una agenda de medición para la temporada Tomar tres muestras Registro de cocción desde el día para cada punto fotográfico 1hasta el día 20
Anotar las observaciones de la emisión en cada punto durante Definir la ubicación para Dividir el horno en el muestreo Alta – Media- Baja el registro fotográfico de secciones iguales e –Nula y cambios visibles de la cada sector identificar cada sección emisión
Marcar sobre el horno Inicio Inicio los puntos que se han seguimiento mediciones fotográfico muestreado
Llevar un registro de todos y cada uno de las muestras y datos Intervalo de 10 minutos correspondiente a cada punto durante 3 horas para cada sector
Llevar un registro de todas y cada una de las fotografías correspondientes a cada sector
ANALISIS DE DATOS A PARTIR DE LA INFORMACIÓN RECOPILADA
CÁLCULO DE LA EMISIÓN DEL HORNO
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Figura 2-23. Diagrama de la metodología propuesta para determinar la emisión del horno
METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE DATOS A PARTIR DE LA INFORMACIÓN RECOPILADA
Registro Fotográfico Datos de las mediciones
Calificar la emisión visible Registrar todos los datos en: obtenidos de las muestras
Calificación E. Visible 3 Alta 2 Media Clasificar los datos en 1 Baja emisión alta, media, baja 0 Nula
Observar y Clasificar la Obtener un valor promedio emisión en cada sector para Emisión alta – media - según las fotografías de baja cada seguimiento:
campaña SECTOR Aplicar la ecuación 2-2 Hora 1 2 3 4 5 E = (x * a * E1 + y * a * E 2 + z * a * E TOTAL1 ∑ i i i i i i i
Obtener el porcentaje de EMISIÓN DEL HORNO emisión visible Alta – Media – Baja y Nula para cada sector:
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CAPITULO III.
5. Resultados 5.1. Estimación de la emisión de material particulado Según los resultados obtenidos en el numeral 4.2.3 se encontró que el horno tiene una tasa de emisión que se encuentra dentro de un rango de 0.006 – 0.06 g/s. Ésta tasa se presenta como un rango debido a las posibles pérdidas que se pueden presentar en el muestreo. El resultado hallado se encuentra dentro del rango que mostró el estudio de VEGA, 2005 que se realizó en Patio Bonito. Por lo contrario comparando este resultado con el estudio de JARAMILLO, 2001 se ubica por debajo de lo estimado en este.
Según la Tabla 2-14 se encuentra que la tasa de emisión obtenida en este estudio esta dentro de un rango razonable pero igualmente se cuenta con una alta incertidumbre debido a las pérdidas calculadas tanto en el muestreo como en la sonda ya que los resultados de las pérdidas en esta última, muestran que una parte importante de masa se está perdiendo.
Los resultados fluctúan en un rango bastante amplio, esto genera una brecha grande en la confiabilidad de los datos obtenidos. Sin embargo es importante tener en cuenta que el resultado expuesto proviene de la primera etapa que fue de prueba y en la cual se buscaba principalmente definir una metodología más precisa para llegar a resultados más certeros. En este orden de ideas las deducciones logradas indican que el método utilizado puede ser válido ya que los resultados no se alejan de la realidad comparada con otros estudios.
Se puede decir que los datos encontrados validan de alguna manera la metodología propuesta en la etapa 2. Si se llegó a cifras congruentes con respecto a otros estudios, perfeccionando los procesos se puede llegar a resultados aún más certeros. A continuación se presenta una tabla comparativa de datos encontrados en diferentes estudios referentes a material particulado en hornos de cocción de ladrillos.
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Tabla 3-1. Tabla comparativa de los datos asumidos y encontrados en diferentes estudios referentes a material particulado en la industria ladrillera. FE Emisión PM Emisión Autor Condiciones del Horno asumido (G/S) PM10 (G/S) Horno Árabe o Colmena PM: 7.9g/s (tasa de JARAMILLO carbón/hornada: 6Ton consumo de 1.1 – 4.3 NE (2001) Tiempo cocción: 8días carbón)
Horno Tipo fuego PM10:5987.42g/Ton VEGA dormido (13.2 lb/Ton ) 0.03 0.006 (2005) carbón/hornada: 11Ton PM:29937.096g/Ton Tiempo cocción: 30días (66 lb/Ton) PM: 1.8 lb PM/Ton Coal-fired kiln de ladrillo producido AP-42 (SCC 3-05-003-13) NE NE PM10: 1.8 lb/Ton de Sin control ladrillo producido MPF (material particulado Oportunidades filterable) : 7.5 de producción Horno tipo colmena g/Ton (MPF) mas limpia en carbón/hornada: 32Ton 0.0004 PM10: 3.10g/Ton 0.001 el sector Tiempo cocción: 3días Tasa de consumo ladrillero de carbón: 0.44Ton/hora Horno Tipo fuego Estudio actual dormido PM: 21 lb /Ton 0.006 – 0.06 NE carbón/hornada: 11Ton carbón Tiempo cocción: 20 días
NE=Dato No Estimado
5.2. Estimación del Factor de Emisión El Factor de emisión se va a calcular según las unidades que trata el AP-42, [lb] de contaminante / Toneladas de Combustible. Para esto se va a calcular la emisión total del
70 IAMB 200520 17 horno asumiendo 20 días de cocción y este resultado se dividirá en 11 Toneladas de carbón que va a ser la cantidad de carbón asumido para un horno de este tipo.
Para obtener el Factor de emisión del horno se va a recurrir a las a la metodología expuesta por la EPA en el Capitulo 4, de la sección 1-2 del AP 42 (Emisión Factor for AP- 42 section 1.2 ANTHRACITE COAL COMBUSTION).
Los factores de emisión son corregidos en base al combustible que se alimentó al proceso para PM se usa el porcentaje en peso de ceniza del carbón que fue utilizado en el horno.
Si por ejemplo la emisión del horno fue de 12 lb PM /Ton Carbón y el porcentaje de ceniza en peso fue de 8 entonces:
Así como lo plantea el AP-42, el Factor de emisión debe incluir el porcentaje en peso del precursor de producción de PM, en este caso porcentaje en peso de ceniza.
Para calcular el Factor de Emisión para el horno estudiado se va a tomar la tasa de emisión más alta que se obtuvo que fue de 0.06g/s, se va a asumir un tiempo de 20días de cocción y 11Toneladas de Carbón por hornada. gPM 1g 86400s 20días 1hornada lbPM FEPM ≈ 0.06 × × × × ≈ 20.780 s 0.002lb 1día 1hornada 11Toncarbón Toncarbón
Según esto el factor de emisión obtenido es ≈ 21 lb PM /Ton
El carbón que se utilizó en la hornada estudiada, es de la región de Cucunubá. Para presentar el factor de emisión como lo estipula la EPA, se presenta la composición de carbón que fue utilizado para la producción que se estudió:
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Tabla 3-2. Composición promedio del carbón de Cucunubá [ECOCARBÓN,1997] Poder Humedad Materia Procedencia Cenizas (%) Azufre (%) Calorifico Total (%) Volátil (%) (BTU/lb) Cucunubá 2.87 9 37.8 1.14 7306.79 Fuente: Promedio de los datos almacenados en la Base de datos para normalización de reservas de recursos de carbón Departamento de Cundinamarca-zona Norte. Anexo 15 pág. 20-21
Los datos de la tabla anterior se obtuvieron de promediar los datos de algunas de las minas del Bloque carbonífero Oriental Cucunubá del sector Lenguazaque-Cucunubá- Nemocón [Ecocarbón, 1997].
Según la Tabla 3-2, el porcentaje en peso de ceniza para el carbón que se utilizó en el horno en estudio es: 9% y el factor de emisión en términos de la composición del 20 combustible sería FE = = 2.22A 9
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6. CONCLUSIONES
• La metodología propuesta puede ser bastante útil para llegar a resultados con menos incertidumbre ya que ofrece traducir el comportamiento de los chircales a cifras y términos más cuantificables. Sin embargo la metodología también tiene restricciones ligadas a las condiciones artesanales de los hornos que limitan la obtención de resultados exactos.
• De la Etapa de exploración del horno se obtuvo un rango bastante amplio de emisión de 0.006-0.6 g/s de material particulado. Este rango tan amplio se traduce a incertidumbres y pérdidas que se presentaron en todo el proceso de muestreo y es este sesgo el que la metodología propuesta pretende minimizar. A partir de la emisión estimada se obtuvo un factor de emisión de ≈21lb PM/Ton de carbón. Este factor de emisión esta atado a las mismas incertidumbres con las que se calculó el rango de emisión del horno.
• La tasa de emisión obtenida esta dentro de un rango razonable pero igualmente se cuenta con una alta incertidumbre debido a las pérdidas calculadas tanto en el muestreo como en la sonda ya que los resultados de las pérdidas en esta última, muestran que una parte importante de masa se está perdiendo. Se estimaron posibles pérdidas por impactación y por sedimentación. A pesar de esto se obtuvo que estas perdidas corresponden a partículas gruesas no respirables es decir partículas cuyo diámetro es mayor a 15µm.
7. RECOMENDACIONES
• Para el estudio de estos hornos se recomienda buscar puntos en común mediante los cuales se puedan marcar pautas generales de comportamiento para generalizar y llegar a posibles modelos y esquemas de su funcionamiento. • Para obtener muestras confiables se debe tratar en lo posible de estandarizar cada etapa o proceso del muestreo. Para tal fin, el sesgo de error se debe disminuir, esto se puede lograr sistematizando al máximo los procesos que intervienen en la medición. • Entre mas mediciones mejor es la aproximación de las muestras a la realidad, para hacer esto sencillo se recomienda contar con un equipo de fácil manejo y lo mas
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importante que sea portátil, de tal manera que en una sola campaña se pueda tomar el mayor número de muestras posible. • Debe hacerse una estandarización del equipo muestreo de partículas ya que debe tener una eficiencia de muestreo documentada y conocida. Esta eficiencia en el muestreo está determinada por elementos tales como: el dispositivo de entrada de aire y la zona de captación. Esto es importante tenerlo en cuenta a la hora de elegir el equipo con el que se va a muestrear ya que con un equipo debidamente calibrado se puede saber con certeza las posibles pérdidas de muestra.
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BIBLIOGRAFÍA
[1] EPA - AP-42 Capítulo 11.3 Brick and Structural Clay Manufacturing [2] Documento CONPES 3344 Lineamientos para la formulación de la política de prevención y control de la contaminación del aire, (Mayo, 2005). [3] Vega Camilo - Proyecto de Tesis de pregrado en Ingeniería Ambiental- “Determinación de la Emisiones de fuentes fijas - Chircales - en el municipio de Nemocón – Cundinamarca”, 2005. [4] Jaramillo Espinosa Fernando- Proyecto de Tesis de Maestría “Bases para la investigación de la contaminación Atmosférica en el Valle de Sogamoso: El caso del material particulado generado en la fabricación artesanal de ladrillo y cal”, 2001. [5] William F. Christensen - Chemical mass balance analysis of air quality data when unknown pollution sources are present. Atmospheric Environment 38 4305 4317, 2004. [6] EPA-CMB8.2 Users Manual,2004 [7] Tony Helda, Qi Yinga, Michael J. Kleemana,, James J. Schauerb, Matthew P. Fraserc -A comparison of the UCD/CIT air quality model and the CMBsource–receptor model for primary airborne particulate matter [8] Vlad Isakov; Todd Sax; Akula Venkatram; David Pankratz, Near-Field Dispersion Modeling for Regulatory Applications; et al Journal of the Air & Waste Management Association; Apr 2004; 54, 4; Wilson Applied Science & Technology Abstracts pg. 473 [9] Receptor-dispersion model for emission factors [10] Moreno Contreras, Gonzalo Guillermo, Proyecto de Tesis de maestría de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Bogota-Colombia “Estudio de un sistema incinerador se combustible sólido seco y construcción de un prototipo”, 2004. [11] Ruiz Ramos, Cristhian Fabián, Proyecto de Tesis de pre-grado de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes Bogota-Colombia “Evaluación del desempeño de un motor Diesel operando con mezclas de Diesel-Biodiesel”, 2005. [12] Manzi, Verónica, Proyecto de Tesis de Maestría de Ing. Ambiental y Civil, Universidad de los Andes Bogota-Colombia “Estimación de los Factores de Emisión de las Fuentes Móviles de la ciudad de Bogotá”, 2000. [13] Calderón Arteaga, Christian Hugo “Producción y comercialización del ladrillo en Colombia”– Universidad Nacional de Colombia sede Medellín
75 IAMB 200520 17
[14] Corporación Autónoma Regional, CAR, “Plan de Acción Trienal (PAT)”, 2004- 2006, [15] Trabajo Infantil en la minería artesanal de la arcilla – Diagnostico sociocultural y Económico del Municipio de Nemocón en Cundinamarca. / MINERCOL – IPEC – Oficina Internacional del Trabajo (OIT-IPEC, 2001) [16] Guía para Empresarios; “OPORTUNIDADES DE PRODUCCION MAS LIMPIA EN LA INDUSTRIA LADRILLERA”, Centro de Documentación de la CAR, CINSET y ACOPI; Seccional Bogotá; Referencia Bibliográfica LB 14.07 [17] Guía Ambiental Pequeñas Ladrilleras – “PROGRAMA DE SENSIBILIZACIÓN SANITARIO AMBIENTAL PARA LA PYME” Área de Jurisdicción de la CAR; CINSET [18] Cecil F. Warner, Kenneth Wark, “Air pollution, its Origin and Control”, Universidad de Purdue, 2002. [19] De Nevers, Noel, “Ingeniería de control de la contaminación del aire”, 2000. [20] Reist, Parker C. “Aerosol Science and Technology”, Segunda Edición, 1993. [21] ECOCARBÓN, Base de datos para normalización de reservas y recursos de carbón departamento de Cundinamarca - Zona Norte, 1997
Paginas Web
• INVENTARIO MINERO NACIONAL; http://www.ingeomin.gov.co/web/subdirecciones/geoamenazas/parque/web/informes/Capit ulo5.htm. Fecha de consulta: Septiembre 24/2005 • NATIONAL GEOGRAPHIC; www.nationalgeographic.com. Fecha de consulta: Agosto 13/2005 • INVIAS; www.invias.gov.co/ info/mapas/mapas.asp. Fecha de consulta: Agosto 13/2005 • EPA; www.EPA.com. Fecha de consulta: Agosto 12/2005 • EPA; Module 3: Characteristics of Particles Collection Mechanisms http://www.epa.gov/eogapti1/module3/collect/collect.htm. Fecha de consulta: Agosto 12/2005 • Ministerio de trabajo y asuntos socials de España - Instituto Nacional de se seguridad e Higiene en el trabajo NTP 609: Agentes biológicos: equipos de muestreo (I) http://www.mtas.es/insht/ntp/ntp_609.htm. Fecha de consulta Marzo 11/2005 • Emission Factor for AP-42 section 1.2 ANTHRACITE COAL COMBUSTION. • http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch01/bgdocs/b01s02.pdf. . Fecha de consulta Marzo 11/2005
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ANEXOS
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ANEXO 1 15FEPM EN LA MANUFACTURA DE LADRILLO – AP-42
15 Table 11.3-1. PARTICULATE MATTER EMISSION FACTORS FOR BRICK MANUFACTURING OPERATIONS a / http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch11/final/c11s03.pdf
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ANEXO 3 REGISTRO FOTOGRAFICO C2 –C3- C4
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ANEXO 2 PROCESO TÍPICO DE MANUFACTURA DE LADRILLOS (AP-42, 11.3)16
16 AP-42-Chapter 11.3, Figure 11.3.1 Typical brick manufacturing process
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ANEXO 4
CÁLCULO DE LA EMISIÓN DEL HORNO A PARTIR DE LOS DATOS Y LAS OBSERVACIONES OBTENIDOS EN LA ETAPA 1
CALCULO DE LA TASA DE SECCIÓN 1 SECCIÓN 2 SECCIÓN 3 SECCIÓN 4 EMISIÓN DEL HORNO Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6 No. Puntos de emisión 106 109 42 78 20 127 Clasificación Tasa de salida % E % E % E % E % E E(mg/min) E(mg/min) % E visible E(mg/min) E(mg/min) E(mg/min) E(mg/min) (mg/min) visible visible visible visible visible E. nula 0.000 19.4% 0.000 96.8% 0.000 54.8% 0.000 54.8% 0.000 0.0% 0.000 48.4% 0.000 E. Baja 0.494 35.5% 18.581 0.0% 0.000 29.0% 6.024 29.0% 11.187 9.7% 0.956 38.7% 24.286 E. media 1.647 12.9% 22.527 0.0% 0.000 16.1% 11.157 16.1% 20.720 51.6% 17.001 12.9% 26.990 E. Alta 4.243 32.3% 145.083 3.2% 14.919 0.0% 0.000 0.0% 0.000 38.7% 32.849 0.0% 0.000 Total (mg/min) 352.279 186.191 14.919 17.181 31.907 50.806 51.275
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