1. Introducción
Uno de los
problemas ambientales más críticos a nivel global lo constituye la contaminación
atmosférica provocada por la combustión de hidrocarburos pesados en la
generación de energía [1] y/o procesos productivos. Aspectos como este fueron
alertados desde épocas tempranas como resultados de estudios cuando la temática
de la contaminación y su efecto sobre el Cambio Climático todavía no era
aceptada por muchos [2] pero que el paso del tiempo ha demostrado su certeza y
vigencia [3]. La aplicación consecuente de tecnologías, equipos y
procedimientos ayuda a reducir de manera significativa estos impactos
negativos, llegando incluso hasta reducirlos a cero [4].
En la atmósfera terrestre
el dióxido de azúfre (SO2) se oxida a trióxido de azúfre (SO3)
y este reacciona con el vapor de agua para formar ácido sulfúrico (H2SO4).
Disuelto en vapor de agua el (H2SO4) forma la “lluvia
ácida” cuando precipita; junto con la deposición seca y húmeda, afecta
severamente los ecosistemas y directamente a diversos sectores de la agroindustria
en particular entre otros. Además, los SO2 pueden reaccionar con los
NO y NO2 provocando un aumento de su velocidad de oxidación [1] [2].
El control de las
emisiones de SO2 puede realizarse en tres etapas atendiendo a
medidas que se realizan antes, durante y después de la combustión. Si bien
todas son posibles en teoría, dadas las condiciones actuales de Cuba no es
factible centrarse para ello en el empleo de un combustible de menor contenido
de Azufre (S), ni de efectuar un tratamiento durante la combustión, ambas
variantes descartadas por los altos costos y volúmenes de equipamiento para
ello, lo que deja disponible solo la alternativa de una reducción de las
emisiones después de la combustión.
Por ello el
objetivo de este trabajo fue diseñar una propuesta tecnológica para reducir las
emisiones de dióxido de azúfre (SO2) en los gases después de la
combustión de fueloil, en el Central Refinería de Azúcar “Ignacio Agramonte” en
Camagüey Cuba, para cumplir
con la norma cubana de emisiones de SO2.
2. Desarrollo
2.1. Etapas principales del trabajo
La estrategia de trabajo se trazó luego de un análisis de las condiciones
particulares de la fábrica en cuestión, incluyendo las limitantes de
equipamiento. El trabajo desarrollado incluyó las siguientes etapas
fundamentales:
1. Gases de Combustión (cálculo
estequiométrico del volumen de gases generados)
2. Diseño de separador ciclónico para el
material particulado (hollín)
3. Diseño del enfriador de gases de
combustión (intercambiador de tubos y coraza)
4. Diseño de la torre de absorción para
el sistema SO2-H2O
5. Cálculo de caída de presión en
equipos, accesorios y la red de tuberías
6.
Estimación de los costos de la instalación
7.
Simulación de la nube de dispersión del SO2
contaminante
2.2.
Procedimiento
alternativo para suplir la ausencia de equipamiento de medición de los gases de
combustión.
El cálculo
teórico del volumen de gases de combustión generado para el combustible en
cuestión se realizó por método previamente reportado [5], por lo que no se
considera necesario explicar los detalles. Sin embargo, con relación a la
composición de los productos de la combustión, debido a que es menos común su
cálculo, se decidió mostrar íntegramente los pasos necesarios para su
determinación haciendo un resumen de una de las más usadas y actualizadas [6].
En sentido
general, los cálculos desarrollados aquí corresponden a combustibles con las
características acorde a lo suministrado por la entidad comercializadora del
petróleo y sus derivados en Cuba [7].
Para iniciar los
cálculos es necesario partir de la composición química elemental de los gases
de la combustión del fueloil (combustible usado), ver Tabla 1.
Tabla 1. Composición elemental de los gases de la combustión del
fueloil
|
Composición
química
gases de la
combustión
|
% en masa =
(g /g totales) 102
|
|
C (Carbono)
|
84.9
|
|
H2
(Hidrógeno molecular)
|
10.8
|
|
N2
(Nitrógeno molecular)
|
0.7
|
|
O2
(Oxígeno molecular)
|
0.0
|
|
S
(Azúfre)
|
3.5
|
|
Cenizas
|
0.1
|
|
Total
|
100
|
|
Fuente:
elaboración propia
|
Tabla 2. Composición química de los gases de combustión del fueloil (base
100 g combustible)
|
Componentes
químicos
|
(1)= * PM
en (g / mol)
|
(2)= % (g/g)
(g / g totales) 102
|
(2)/(1) =
(mol / g totales)
|
% en moles =
(mol / moles totales) 102
|
|
C
(Carbono)
|
12
|
84.9
|
7.075
|
56.11
|
|
H2
(Hidrógeno molecular)
|
2
|
10.8
|
5.4
|
42.825
|
|
N2
(Nitrógeno molecular)
|
28
|
0.7
|
0.025
|
0.1982
|
|
O2
(Oxígeno molecular)
|
32
|
-
|
-
|
-
|
|
S
(Azúfre)
|
32
|
3.5
|
0.1093
|
0.8668
|
|
Cenizas
|
-
|
0.1
|
-
|
-
|
|
Total
|
-
|
100
|
12.6093
|
100
|
*PM = Peso Molecular. Fuente: elaboración
propia
La ecuación general de la combustión es:
Combustión completa:
|
|
(1)
|
Sabiendo que el aire estándar posee
0.013 (kg H2O / kg aire seco).
El aire seco (AS) tiene 90% de humedad
relativa (HR) a 20°C, o 60% de HR a 27°C.
En base a ello, se calculan los moles
de agua en el aire:
Donde:
χ = moles de O2 añadidos
que deben reaccionar con el combustible para oxidar al C, H y S a CO2,
H2O y SO2 respectivamente.
CE = coeficiente de exceso de aire,
(adimensional).
En este caso, el CE=1.365 obtenido en
base a las características de la caldera usada [5].
Por lo que se plantea que:
La ecuación del combustible para este
caso particular quedaría como:
Y la ecuación para el aire:
Sumando la ecuación del combustible
con la ecuación del aire se obtienen la ecuación general y productos de
combustión:
De la ecuación del combustible para
la combustión se plantea que:
Sustituyendo ahora el valor de χ
en la ecuación general y agrupando:
Por tanto, la
cantidad total de sustancia del aire es la sumatoria de:
Resulta
importante aclarar que, dada las características del sistema a tratar (SO2
en los gases de combustión y su absorción con agua) es necesario obtener la
correspondiente curva de equilibrio en las condiciones particulares de
operación que se proponen: 1 atm de presión y 40°C de temperatura.
Dado que los
niveles de presión y de temperatura seleccionados para el diseño resultan
bajos, se puede emplear la Ley de Henry y obtener los valores de solubilidad
del SO2 en agua y el valor de la presión parcial del SO2 para
trazar la curva de equilibrio del sistema [8].
Por otra parte,
el empleo de una sola torre para realizar la absorción al nivel seleccionado
(75%) se corresponde con la magnitud de concentración a alcanzar en los gases a
nivel del suelo, de manera tal que se cumplan lo establecido por la Norma
Cubana [9] de emisiones para el SO2.
La Norma Cubana
1020:2014 Calidad del Aire-Contaminantes-Concentraciones Máximas Admisibles y
Valores Guías en Zonas Habitables. Oficina Nacional de Normalización, en su pág.18
establece como valor admisible = 45 μgSO2/m3 [9].
Los equipos de
interés para la propuesta tecnológica que se propone se enumeran a
continuación:
· Separadores ciclónicos: Tipo Lapple. Diseñado a partir de la
metodología general de texto clásico [8] y ampliada [10].
· Intercambiadores de calor: del tipo de tubos y coraza. Diseñado
aplicando la metodología de Kern [11].
· Torre de Absorción: para su cálculo se empleó el método gráfico acorde
a Treybal [12].
· Soplador centrífugo: seleccionado acorde a lo especificado para las
condiciones de
operación [13]. Su
objetivo es solo recuperar el nivel de presión afectado por el flujo a través de la torre de
absorción.
· Bomba centrífuga: calculados sus parámetros operacionales fundamentales
acorde a la
metodología clásica,
considerando la ecuación de Bernoulli para fluídos newtonianos no compresibles,
factores de fricción, pérdidas de carga por diferentes factores, y determinar la
potencia necesaria de la bomba [8] [14].
· Motor eléctrico para la bomba centrífuga: seleccionado acorde a lo
especificado para las
condiciones de operación [13].
2.3.
Modelación de la
dispersión de la nube de gases contaminantes emitida a la atmósfera.
El procedimiento
para la modelación de la dispersión del SO2 se efectuó mediante la
preparación previa de los datos necesarios. Para ello se empleó el método de los
factores de emisión acorde a las Normas AP-42 de EEUU [15] y considerando el
contenido de azufre en el combustible que se emplea en el central azucarero.
Con el empleo de Google
Earth se descargaron las imágenes utilizadas para el área en estudio. Esta
abarcó un ancho total de 16.710 m, de manera que se pudiera centrar la torre de
la chimenea del central y una distancia de más de 6 km de radio a su alrededor.
Al determinarse
el flujo volumétrico de gases de combustión y conocerse el diámetro de la
chimenea en el tope de la torre, se calcula la velocidad de salida de los gases
de combustión a la atmósfera.
Posteriormente
con el software DISPER 4.0 Avanzado [16] se realizan las correspondientes
simulaciones de dispersión de los gases sobre áreas cercanas a la fuente
emisora considerando diferentes condiciones del tiempo correspondientes a la
clase de estabilidad de Pasquill [17] [18] de K=2 (atmósfera inestable) y K=5
(ligeramente estable) y que se encuentran en función de parámetros de velocidad
del viento, radiación solar y nubosidad, entre los principales.
En la Tabla 3 se
ofrece un resumen de los principales datos suministrados al software en
cuestión para la realización de una corrida.
Tabla 3.
Listado de datos para una simulación de emisiones usando DISPER 4.0
|
Parámetros
|
Valores y unidades
|
|
Temperatura del aire
|
300 °K
|
|
Temperatura de salida gases
|
483 °K
|
|
Altura de la capa límite
|
500 m
|
|
Atmósfera
|
urbana
|
|
Velocidad del viento
|
2.3 m/s
|
|
Dirección del viento
|
203°
|
|
Emisión de SO2 en gases
|
48.27 g/s
|
|
Altura de la chimenea
|
60 m
|
|
Diámetro superior de la chimenea
|
4 m
|
|
Tasa de decaimiento de los gases de SO2 en la atmosfera
|
0.0000481 s-1
|
|
Altura del anemómetro
|
10 m
|
|
Altura de cálculo para los resultados
|
Altura de la superficie
|
|
Velocidad de los gases a la salida
|
1.0 m/s
|
Fuente: elaboración propia
3. Resultados y Discusión
3.1.
Resultados del cálculo del
flujo de gases de combustión y su composición
Para el volumen promedio determinado
de gases de combustión a las condiciones de operación establecidas en la
fábrica, se obtuvo que es necesario procesar 11.7 m3/s de gases.
De lo anterior se llega a que la
concentración de salida teórica del SO2 en los gases de combustión
es de 0.36 % masa en base húmeda (0.0036 fracción masa), y de 0.38 % masa en
base seca (0.0038 fracción masa) que es el dato clave para proceder al diseño
de los equipos necesarios. Ambos valores evidencian la alta concentración de
este compuesto en los gases de combustión, y la necesidad de su tratamiento
para mitigar estas emisiones.
Tabla 4.
Composición del aire necesario para la combustión
|
Compuesto
químico
|
PM
en (g/mol)
|
moles del
compuesto
|
% en moles =
(mol /mol total)
102
|
gramos de
compuesto
|
% en masa
(g /g aire)102
|
|
N2
|
28
|
64.58
|
78.83
|
1 808
|
76.61
|
|
O2
|
32
|
17.17
|
20.96
|
549
|
23.26
|
|
H2O
|
18
|
0.17
|
0.21
|
3.06
|
0.13
|
|
Total
|
-
|
81.92
|
100.0
|
2 360.1
|
100.0
|
Fuente: elaboración propia
Tabla 5.
Composición de gases de combustión (base húmeda)
|
Compuesto
químico
|
PM
en (g/mol)
|
moles del
compuesto
|
% en moles =
(mol /mol total)
102
|
gramos de
compuesto
|
% en
masa =
(g /g aire
húmedo)102
|
|
N2
|
28
|
52.12
|
76.49
|
1 459.0
|
74.43
|
|
O2
|
32
|
1.71
|
2.51
|
54.72
|
2.79
|
|
CO2
|
44
|
7.07
|
10.38
|
311.08
|
15.87
|
|
SO2
|
64
|
0.11
|
0.16
|
7.04
|
0.36
|
|
H2O
|
18
|
7.13
|
10.46
|
128.34
|
6.55
|
|
Total
|
-
|
68.14
|
100.0
|
1960.18
|
100.0
|
Fuente: elaboración propia
Tabla 6.
Composición de gases de combustión (base seca)
|
Compuesto
químico
|
PM
en (g/mol)
|
moles del
compuesto
|
% en moles =
(mol /mol total)
102
|
gramos de
compuesto
|
% en
masa =
(g /g aire seco)
102
|
|
N2
|
28
|
52.12
|
85.44
|
1459.0
|
79.7
|
|
O2
|
32
|
1.71
|
2.80
|
54.72
|
2.98
|
|
CO2
|
44
|
7.07
|
11.59
|
311.08
|
16.94
|
|
SO2
|
64
|
0.1093
|
0.17
|
6.99
|
0.38
|
|
Total
|
-
|
61.00
|
100.0
|
1831.79
|
100.0
|
Fuente: elaboración propia
Debido a que el sistema concebido
trata de aprovechar no solo las instalaciones existentes sino también el caudal
de fluidos necesarios provenientes de otras corrientes en la fábrica en
cuestión, el agua que se emplea para el enfriamiento de los gases de combustión
es la que a continuación se envía a la torre de absorción, pero como esta demanda
tan solo el 77% de lo que se empleó en el enfriamiento de los gases de
combustión, el resto puede ser aprovechado en otra operación dentro o fuera de
la fábrica, de aquí la necesidad de incluir en el equipamiento la adquisición
de la bomba centrífuga especificada anteriormente.
3.2. Resumen del equipamiento fundamental calculado
para la propuesta tecnológica
El equipamiento calculado
para esta propuesta tecnológica fue:
·
Cuatro separadores ciclónicos tipo Lapple
(alimentación tangencial y salida axial) conectados de a dos en paralelo a la
entrada de cada uno de los dos intercambiadores en paralelo. Estos separadores
ciclónicos tienen como función la depuración del material particulado que
contienen los gases de combustión como resultado del contenido inicial de
cenizas en el combustible usado, así como el hollín formado como consecuencia
de afectaciones al proceso de combustión en el quemador del horno.
· Dos intercambiadores de tubos y coraza, cada uno con las siguientes
características:
Cantidad de tubos = 270. Tipo
de tubo: ¾” (19 mm) DE, 16 BWG y longitud de 16 pies (4.87 m). Coraza con DI de
21.5” (0.55 m). Arreglo en cuadro a 1 paso de 1” (25 mm)
Dos pases por los tubos y
uno por la coraza.
Flujo entrada de gases para
la combustión = 19 823.5 (kg gases/h).
Temperatura (T) de gases
de combustión: (Tentrada = 210°C y Tsalida = 40°C); se
enfriaron mediante intercambio de calor con un flujo = 83 162.7 (kg agua/h)
a Tentrada = 28°C y Tsalida = 38°C; este flujo de agua
luego ingresa a la torre de absorción para ponerse en contacto con los gases de
la combustión para absorber y disminuir la concentración del SO2 de
los gases después de la combustion del fueloil.
· Un soplador de gases para garantizar la recuperación del nivel de
presión en la corriente gaseosa que debe inyectarse en la torre de absorción.
· Una torre de absorción de gases, de 10 platos reales, para reducir el
contenido de SO2 en la corriente de salida hasta un nivel permitido
por la Norma Cubana.
Tabla 7. Características de los equipos diseñados para
el proceso propuesto y sus costos
|
Tipo
de equipo y (cantidad)
|
Costo
en (USD)
|
Observaciones
|
|
Torre
de platos de cazoleta de 10 platos, espaciados entre cada uno a 0.61 m. (1)
|
43.875
|
Platos
de acero inoxidable Tipo 316. Torre de 2.4 m de diámetro y altura de 7.9 m (sin
incluir los soportes).
|
|
Intercambiadores
de calor de Tubos y Coraza (2)
|
36 000
|
Haz
de tubos de acero inoxidable (316) 16 pies de largo. Coraza de acero al
carbono
|
|
Separador
ciclónico tipo Lapple (4)
|
16 140
|
4
dispositivos. Cada uno procesa un flujo de 2.92 m3/s
|
|
Soplador
Centrífugo (1)
|
13 205
|
Para
funcionamiento severo
|
|
Bomba
y motor eléctrico (1)
|
3 081
|
Bomba
centrífuga 1 etapa, motor 440 v, 2 polos
|
|
Total
en equipamiento
|
112 302
|
ninguna
|
Fuente: elaboración propia
Tabla 8. Resumen generalizado de costos
|
Equipamiento
|
Costo en USD
|
|
Adquisición de Equipamiento
|
112 302
|
|
Instalación
|
52 647
|
|
Accesorios y Control
|
26 952
|
|
Total en Compras e Instalación
|
191 901
|
|
Construcciones auxiliares
|
5 615
|
|
Total General
|
197 516
|
Fuente: elaboración propia
Las características distintivas del
diagrama de flujo propuesto se muestran en la Figura 1.
Fig.
1. Diagrama de flujo de la propuesta tecnológica para reducir la emisión de SO2
(g) a la atmósfera.
1.Caldera,
2.Colector, 3.Ciclón separador, 4.Intercambiador de calor, 5.Torre de
absorción, 6.Chimenea
Nótese como elementos diferenciales en el diagrama tecnológico de la
Fig. 1, la inclusión de los ciclones separadores, los enfriadores de gases, y
la torre de absorción, para hacer menos complicado el esquema se omiten los
equipos dinámicos tales como soplador de gases y bomba centrífuga.
3.3.
Resultados de la modelación
de la dispersión de la nube gaseosa con SO2
Antes del tratamiento tecnológico propuesto para los gases de
combustión del fueloil
En la Fig. 2, para el ambiente con atmósfera
inestable K=2, se graficó el modelado de la
difusión de la nube gaseosa con SO2 antes del tratamiento
tecnológico propuesto, para los gases de la combustión de fueloil, en un área
de dispersión de 900 m de largo por 400 m de ancho. La concentración SO2 en
microgramos (μg), presentó una variación
entre 56 y 169 μg SO2/m3
aire; el máximo valor alcanzado por la concentración fue de 225 μg SO2/m3 aire a 300 m al Sur-SurOeste (S-SW) de la
fuente emisora, representado por el punto 1 en la Fig.2.
Los resultados simulados
aquí, correspondientes a la difusión de los niveles de SO2 para el
caso de emisión de los gases sin someterse al tratamiento, se asemejan en rango
a lo reportado para la combustión de fueloil y mezclas de este en la refinería
de petróleo “Sergio Soto” de Cabaiguán,, Cuba [19]. Por su parte, estudios
realizados en los alrededores de la textilera “Desembarco del Granma” en Villa
Clara [20] corroboran también la obtención de valores similares de
concentración de SO2 empleando fueloil como combustible.
Fig.
2. Resultado del modelado de la difusión del SO2 (g) antes del
tratamiento tecnológico propuesto
para
los gases de la combustión de fueloil, en atmósfera inestable (K=2), para un
área de dispersión
de (900
m largo) por (400 m ancho), la concentración varió entre 56 y 169 μg SO2/m3aire
con
un máximo
de 225 μg SO2/m3aire a unos 300 m
S-SW de la fuente 1. Fuente: elaboración propia
Después del tratamiento tecnológico propuesto para los gases de
combustión del fueloil
En la Fig. 3, para el ambiente con atmósfera
inestable K=2, se graficó el modelado de la
difusión de la nube gaseosa con SO2 después del tratamiento
tecnológico propuesto (absorción del 70% SO2), para los gases de la combustión de fueloil, en un área de
dispersión de 900 m de largo por 400 m de ancho. La concentración SO2,
presentó una variación entre 14 y 42 μg SO2/m3 aire; el máximo valor
alcanzado por la concentración fue de 56 μg SO2/m3 aire a 300 m al S-SW de la fuente emisora (representado
por el punto 1 en la Fig.3).
En otro ensayo de
simulación para atmósfera ligeramente estable K=5, los resultados obtenidos
presentaron una concentración
máxima de 47 μg SO2/m3 aire.
Las isolíneas de concentración
presentaron valores en el rango de 17 a 51 μg SO2 /m3 aire en un frente de 900
m de largo por 400 m de ancho.
Los valores correspondientes
a la Fig.3 evidencian el nivel de reducción de la concentración que se alcanza
en estas zonas y el beneficio que ello implica teniendo en cuenta que el área
en que se realizó la simulación corresponde a 900 m de largo por 400 m de ancho;
en esta área señalada se ubican tanto población rural como suburbana, áreas de
cultivo, ganado, así como cuerpos de agua.
Fig.
3. Resultado del modelado de la difusión del SO2 (g) después del
tratamiento tecnológico propuesto
para
los gases de la combustión de fueloil, en atmósfera inestable (K=2), para un
área de dispersión de
(900
m largo) por (400 m ancho). La concentración
varió entre 14 y 42 μg
SO2/m3 aire, con un máximo
de
56 μg SO2/m3 aire a unos
300 m S-SW de la fuente 1. Fuente: elaboración propia
Por otro lado,
teniendo presente la necesidad de no incurrir en un exceso de consumo de agua,
el trabajo incluye su reutilización para el enfriamiento de los gases de
combustión, como solvente en la torre de absorción diseñada.
4. Conclusiones
1. Es viable reducir el
contenido de SO2 en los gases de combustión con el tratamiento
tecnológico propuesto.
2. Se obtienen niveles
permisibles de SO2 respecto de la legislación cubana vigente.
5. Recomendaciones
Los resultados indican la
conveniencia no solo de realizar estudios de inventario de emisiones en todo el
municipio, como el que ya se efectuó y dio pie a este trabajo [21], también
observar las características del área geográfica circundante para diferentes intervalos de tiempo [22] o sea, su actualización tal y
como han realizado otros investigadores [23].
Con vista a
lograr un mayor aprovechamiento de cada recurso, se recomienda analizar la
posibilidad del aprovechamiento de las aguas residuales del procesamiento como
fertiriego en las áreas cercanas a la fábrica basado en la experiencia que
posee la industria azucarera en ello [24].
Referencias
|
[1]
|
Ibarra R. “El impulso de las energías renovables en la lucha
contra el cambio climático a través de los certificados ambientales en el
sector eléctrico mexicano,”Boletín Mexicano de Derecho Comparado., No. 152, pp. 569-597, Mayo-Agosto,
2018.
|
|
[2]
|
IPCC. 1996: Climate Change 1995.Impacts, Adaptations and
Mitigation of Climate Change: Scientific-Technical Analyses. 879 pp.
Cambridge University Press.
|
|
[3]
|
IPCC, 2013:
“Resumen para responsables de políticas. En: Cambio Climático 2013: Bases físicas.
Contribución del Grupo de trabajo I al Quinto Informe de Evaluación del Grupo
Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático” [Stocker, T.F.,
D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y.
Xia, V. Bex y P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press,
Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, Estados Unidos de América.
|
|
[4]
|
L. Atwoli, D. Vázquez, “Llamamiento a la acción urgente para limitar el
aumento de la temperatura global, restaurar la biodiversidad y proteger la
salud,”Gac.Sanit.,
vol. 35, no. 6, Noviembre-Diciembre, 2022.
|
|
[5]
|
Oganesian L. y González C. J. “Combustible, Aire y Productos de la
Combustión”, en Diseño de Generadores de Vapor con la Utilización de
Computadoras Personales (1ª Parte). 1ª Edición, Camagüey, Cuba, Ed. Univ.de
Camagüey, 1988, Capítulo 2, pp. 24-62.
|
|
[6]
|
AChEE, “Guía para la Calificación de Consultores en Eficiencia
Energética. Ejemplos Prácticos,” Chile, [Online],
Available: http://old.acee.cl/577/articles-62222_recurso_2.pdf, Accessed on: Dec. 14, 2021.
|
|
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