calderas bagazeras
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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
APLICACIÓN DE UN MODELO DE DISPERSIÓN DE
MATERIAL PARTICULADO GENERADO EN CALDERAS
BAGAZERAS
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO QUÍMICO
POR:
JOSÉ LUIS ORELLANA HERNÁNDEZ
JOSÉ ROBERTO RIVAS ROMERO
JULIÁN VÉLEZ GUILLÉN
OCTUBRE 2009
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR
JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL
RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
MARÍA DOLORES ROVIRA QUEZADA
DIRECTOR DEL TRABAJO
FRANCISCO ARMANDO CHÁVEZ BENÍTEZ
LECTOR
MARTA EUGENIA ESCOTO
DEDICATORIA
Le dedico esta tesis y la toda la carrera completa a Dios, por ser Él el principal autor de
todos los momentos de mi vida y en forma de agradecimiento por todo lo que me ha
regalado.
En segundo lugar, le dedico esta tesis a mi familia, a mi mamá (Estela), a mi papá (Luis) y
a mis tres hermanos (Estelita, Lucia y Elías). Agradezco grandemente el apoyo, el amor y la
entrega que mis papas me han dado, pero agradezco mucho más todo lo que aprendí de ellos
en toda mi vida, que es lo que realmente nos ha forjado como personas a mis hermanos y a
mi, y que en lo personal, estoy seguro que no estaría donde estoy si no fuera por ellos.
Quiero dedicarle también esta tesis a mi novia, Jensy, por haberme apoyado y haberme
animado en los momentos más difíciles y también por haberme comprendido en esos
momentos en los cuales la ingeniería química consumía una buena parte de mi vida.
Al resto de mi familia, en especial por a mis abuelos, por siempre estar pendientes y
confiar en mí. A mi comunidad juvenil católica “Cruzada Eucarística”, porque ha sido uno
de los lugares en donde conocí mucho más a Dios y lo que Él quería de mi vida. A todos
los profesores y todas las personas que trabajan en el Departamento de Tecnología de
Procesos por haber confiado en mi persona al trabajar con ustedes y por demostrar su
amistad en todo momento, en especial al Dr. Francisco Chávez y con los que trabaje más de
cerca, de quienes aprendí muchas cosas.
A mis compañeros de tesis, por el apoyo, la amistad y por el esfuerzo que pusimos en este
trabajo. A todos los que fuimos compañeros de la carrera en algún momento, en especial a
aquellos con los cuales convivimos estos últimos años y llegamos hasta lo último juntos.
José Luis
DEDICATORIA
Quisiera agradecer a mi padres “Shobe y Maritza”, por dejarme ser la persona que soy y
nunca presionarme para seguir sus expectativas. Por apoyarme durante toda mi vida en
especial durante las épocas más difíciles de ésta. Por haberme dado todo lo necesario para
poder llegar hasta este día. A mis hermanos Jorge y Carmen, por haberme soportado todo
este tiempo pero sobre todo por ser los primeros en esforzarse que nuestra relación haya
mejorado. A mis tíos/as, a mi abuela por todo su apoyo y oraciones. De todo corazón
MUCHAS GRACIAS.
Mis amigos del colegio a quienes considero mis hermanos y hermanas (ustedes saben
quienes son) por estar en el momento en el que los necesité y nunca criticarme las
desaparecidas por el estudio. Sólo espero haberlos ayudado de la misma forma en que
ustedes lo hicieron.
A mis amigos de Ingeniería Química, por haber hecho cada reunión de trabajo y de estudio
de lo más divertido en especial al final (los tiempos más estresantes). Nunca olvidaré a
ninguno de ustedes.
A las personas que estuvieron conmigo en algún momento de estos años universitarios y sin
las cuales nunca hubiera llegado hasta aquí, no se imaginan cuanto les debo a ustedes y a
sus familias.
A todos ustedes MUCHAS GRACIAS.
Roberto R. “Bobby”
DEDICATORIA
Dedico estos años de estudio a Dios por haberme brindado esta maravillosa oportunidad; y
a toda mi familia, muy especialmente a mi papa, mi mama y hermano, por haberme
motivado y apoyado en todo momento, y quienes son los verdaderos artífices de este logro.
Agradezco a todo el personal del Departamento de Ingeniería de Procesos y Ciencias
Ambientales de la UCA, especialmente al Dr. Francisco Chávez, Ing. Marta Escoto, Ing.
Dolores Rovira, Ing. Oscar Osegueda y Sr. Ismael Recinos con quienes tuve el gusto de
trabajar más de cerca, por compartir sus conocimientos conmigo, darme la oportunidad de
trabajar y motivarme a buscar continuamente el conocimiento.
Agradezco a mis amigos, a los que conocí en la universidad y a los que los conocía desde
antes, por su amistad incondicional y apoyo constante, incluyendo a quienes han realizado
este trabajo de graduación.
A todos los que han contribuido en mi proceso de formación en todos los ámbitos, muchas
gracias.
Julián.
i
RESUMEN EJECUTIVO
El material particulado es uno de los mayores problemas en cuanto a contaminación
atmosférica se refiere y aunque el uso de calderas bagaceras representa un impacto positivo
sobre la contaminación global por producir energía con un biocombustible, a nivel local, la
cenizas provenientes de la combustión de bagazo pueden provocar un gran contaminación
que puede ser incluso más dañina que la contaminación producida por la quema de
combustibles fósiles.
Es por lo anterior que una buena operación de la caldera y un buen sistema de remoción de
partículas en los gases de combustión se torna importante en la medida que se pueda
relacionar la contaminación de los alrededores de la caldera y las variables de operación de
la caldera.
En el presente trabajo se aplica un modelo de dispersión al material particulado que se
genera en una caldera bagacera. Para ello, se modeló una caldera que utiliza bagazo como
combustible y se elaboró un programa para estimar las emisiones de material particulado
total, PM10 y PM2.5.
En la modelación matemática de la caldera para la simulación de la emisión se incluyó una
ecuación que pudiera dar cambios aproximados a la eficiencia cuando se cambian
parámetros tan importantes como el aire en exceso, el flujo de purga o la cantidad de vapor
generado. Con esto, se puede determinar la importancia de mantener la eficiencia en
valores altos, ya que de esta forma se consume menos bagazo y por la misma razón, hay
menos ceniza emitida por la chimenea.
Otro factor muy importante en la emisión de particulado en la caldera son las características
del bagazo como la humedad, el poder calorífico y la cantidad de cenizas. Estas
características afectan en gran medida a las emisiones y es muy importante, desde el punto
de vista medioambiental y económico, que se mantengan en los niveles más óptimos
posibles.
ii
Además, en el presente trabajo, se incluyen algunas variables de operación que permiten
definir a una caldera, como lo son la relación de los alimentadores con la entrada de
bagazo, la abertura del dámper con el flujo de aire y la remoción de partículas. Estas
variables son muy importantes de obtener y en la mayoría de los casos es muy difícil
conocerlas ya previamente establecidas para cada caldera, por lo que es necesario realizar
algunas mediciones en la chimenea y obtener los datos de operación para que a través de
análisis matemático se puedan tener las variables y relaciones antes mencionadas.
Un modelo de dispersión es un conjunto de expresiones matemáticas que intentan
representar como se dispersan los contaminantes en la atmósfera. Uno de los tipos de
modelos que más se utilizan es el que simula a la pluma mediante una función de
probabilidad Gaussiana.
El modelo de dispersión que se utilizó para llevar a cabo este trabajo es AERMOD, el cual
es un modelo de dispersión en estado estacionario desarrollado por la Agencia de
Protección ambiental de Estados Unidos (US EPA) y la Sociedad Americana de
Meteorología, que incluye los conceptos de la capa límite planetaria para el cálculo de las
concentraciones de los receptores.
Para la aplicación del modelo de dispersión a las emisiones generadas en calderas
bagaceras, se creó un “modelo base”, el cual consiste en un ingenio azucarero que cuenta
con una caldera en dónde se quema el bagazo para la producción del vapor requerido por la
fábrica. Bajo las condiciones de operación de la caldera que se establecen en el modelo
base se calcularon las emisiones de particulado total, PM10 y PM2.5 y estos resultados se
introdujeron en el modelo de dispersión para calcular las concentraciones de cuatro
receptores discretos que se colocaron alrededor de la chimenea y se obtiene además un
mapa con las concentraciones en un territorio de un kilómetro cuadrado.
Se llevó a cabo una evaluación de cómo algunas variables influyen en la dispersión de los
contaminantes; para ello, se cambiaron las siguientes variables de operación de la caldera:
humedad de entrada del bagazo, la relación aire/bagazo, la temperatura del agua de
iii
alimentación de la caldera y el flujo de purga del agua del domo. Además se modificaron
variables referentes al modelo de dispersión como son el terreno elevado, la presencia de
edificios y la inclusión de una fuente de línea adicional. Y por último, se tomaron algunas
otras variables que influyen en la dispersión como son la altura de la chimenea, la relación
PM10/PTS y PM2.5/PTS, el porcentaje de ceniza en el bagazo y el poder calorífico del
bagazo.
Se encontró que en las variables de operación de la caldera, cuando las condiciones de
operación hace que disminuya la eficiencia de la misma, las tasas de emisión de los
contaminantes se elevan, sin embargo, esto no necesariamente produce un incremento en
las concentraciones de los receptores debido a que cuando se tiene una nueva tasa de
emisión, también se modifica el flujo y la temperatura de los gases de chimenea dándole
una mayor velocidad y capacidad de flotación a los gases haciendo por lo tanto que se da
una mayor dispersión de éstos produciendo resultados de menor concentración, aún cuando
la emisión haya sido mayor.
Dentro de las variables que se refieren al modelo, el terreno elevado produce valores de
concentración mayores cuando los receptores se encuentran a una altura mayor que la base
de la chimenea, y concentraciones menores cuando se encuentran por debajo de ésta. La
presencia de edificios afecta a la dispersión en la medida en que la altura de estos sea
mayor que la altura de la chimenea, ya que en este caso la pluma choca con ellos y produce
un aumento en la concentración local del material particulado.
Se ha determinado que la inclusión de una fuente de línea que representa las emisiones de
polvo de una carretera no pavimentada por donde transitan las rastras de caña tiene una
gran influencia sobre las concentraciones de los receptores, especialmente en lo que se
refiere a material particulado total.
Con respecto a las variables de porcentaje de ceniza del bagazo y el poder calorífico del
bagazo se observa que cuando las emisiones se incrementan, también lo hacen las
concentraciones de los receptores, a diferencia de lo que sucede con las variables de
iv
operación de la caldera. Esto se debe a que para el porcentaje de ceniza, su cambio no
afecta de forma significativamente al flujo de gases de chimenea; con el poder calorífico
del bagazo se obtuvo que cuando se producen menos emisiones, también se reduce el flujo
de gases por lo en ambos casos, la tendencia a crecer o decrecer que llevan las emisiones,
también lo llevan las concentraciones en el mismo sentido.
Se encontró que las relaciones de PM10/PTS y PM2.5/PTS son directamente
proporcionales a los valores de concentración, ya que cuando estas relaciones aumentan,
también lo hacen las concentraciones de los receptores y cuando estas disminuyen, también
lo hacen las concentraciones. Además, se determinó que la altura de la chimenea influye en
la distancia respecto de la chimenea a la cual se observan las mayores concentraciones, es
decir, que los valores de mayor concentración se alejan cuando se tiene alturas de chimenea
altos y se acercan cuando se tienen alturas de chimenea bajos.
ÍNDICE
RESUMEN EJECUTIVO ........................................................................................................ i
ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................... ix
ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... xiii
SIGLAS ................................................................................................................................ xv
SIMBOLOGÍA ...................................................................................................................xvii
PRÓLOGO ........................................................................................................................... xxi
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1
CAPÍTULO 2: CALDERAS BAGACERAS ......................................................................... 3
2.1 Bagazo de Caña de Azúcar como Combustible ............................................................ 4
2.2 Tipos de Calderas ........................................................................................................ 10
2.3 Descripción de las Partes de una Caldera Bagacera ................................................... 13
2.4 Eficiencia de una Caldera ........................................................................................... 20
2.4.1 Transferencia de Calor Radiante .......................................................................... 22
2.4.2 Parámetros que afectan a la Eficiencia ................................................................ 25
CAPÍTULO 3: MODELOS DE DISPERSIÓN .................................................................... 27
3.1 Características Generales de los Modelos de Dispersión ........................................... 27
3.2 Clasificación de los Modelos de Dispersión de Acuerdo al Método de Dispersión ... 29
3.2.1 Modelos Estadísticos ........................................................................................... 29
3.2.2 Modelos Determinísticos ..................................................................................... 29
3.3 Clasificación de la EPA de los Modelos de Dispersión .............................................. 32
3.3.1 Modelos Recomendados. ..................................................................................... 32
3.3.2 Modelos Alternativos ........................................................................................... 33
3.3.3 Modelos de Exploración ...................................................................................... 34
3.4 Antecedentes en la Implementación de un Modelo de Dispersión Atmosférica en El
Salvador ............................................................................................................................ 36
CAPÍTULO 4: MODELO MATEMÁTICO DE LA CALDERA ....................................... 39
4.1 Consideraciones del Modelo ...................................................................................... 39
4.2 Cálculo de Variables Específicas ............................................................................... 40
4.3 Balance de Materia de la Caldera ............................................................................... 43
4.4 Balance de Energía en la Caldera ............................................................................... 46
4.5 Cálculo del Calor Irradiado ........................................................................................ 49
4.6 Balances en el Domo de Vapor .................................................................................. 50
4.7 Análisis de Resolución de Todo el Sistema ............................................................... 52
CAPÍTULO 5: DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DISPERSIÓN DE
CONTAMINANTES ........................................................................................................... 55
5.1 Generalidades ............................................................................................................. 55
5.2 Modelo Gausiano de Dispersión ................................................................................ 56
5.3 Cálculo de las Concentraciones en AERMOD .......................................................... 57
CAPÍTULO 6: METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE UN MODELO DE
DISPERSIÓN A LAS EMISIONES PROVENIENTES DE CALDERAS BAGACERAS 61
6.1 Metodología del Desarrollo del Programa de Estimación de Emisiones ................... 61
6.2 Metodología de la Aplicación del Modelo de Dispersión con AERMOD ................. 65
6.3 Metodología para la Evaluación de la Influencia de Distintas Variables en la
Dispersión de los Contaminantes ..................................................................................... 68
6.3.1 Cambios en las Variables de Operación de la Caldera ........................................ 69
6.3.2 Cambios en las Variables del Modelo ................................................................. 70
6.3.3 Cambios en Otras Variables ................................................................................ 71
CAPÍTULO 7: RESULTADOS Y ANÁLISIS .................................................................... 73
7.1 Resultados de la Evaluación de las Variables de Operación de la Caldera ................ 73
7.2 Resultados de la Evaluación de las Variables del Modelo ......................................... 81
7.3 Resultados de la Evaluación de Otras Variables que Influyen en la Dispersión ........ 86
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 95
RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 97
BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 99
ANEXO A: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS MODELADAS EN EL
ESTUDIO “DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DEL AIRE; LEVANTAMIENTO DE
FUENTES FIJAS” ....................................................................................................................
ANEXO B: DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE
UNA CALDERA (PEEC) ........................................................................................................
ANEXO C: DATOS METEOROLÓGICOS ............................................................................
ANEXO D: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE LOS MODELOS EVALUADOS ..........
ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Porcentaje de Humedad en el Bagazo para la Zafra 08/09 en un Ingenio
Salvadoreño. ........................................................................................................................... 5
Tabla 2.2. Promedios de PCS del Bagazo Seco en El Salvador. ............................................ 6
Tabla 2.3. Composición Química del Bagazo Seco. ............................................................... 7
Tabla 2.4. Composición Química del Bagazo Seco en Ingenio Valdez, Ecuador. ................. 8
Tabla 2.5. Poder Calorífico de Diferentes Combustibles. .................................................... 10
Tabla 2.6. Numeración de Líneas de Flujo en las Calderas Bagaceras. ............................... 15
Tabla 3.1. Valores Máximos Anuales y de 24 Horas para PTS, PM10 y PM2.5 Según la
Norma Salvadoreña de Calidad de Aire. .............................................................................. 37
Tabla 4.1. Coeficientes para la Ecuación de Capacidad Calorífica ...................................... 48
Tabla 6.1. Valores de Entrada al Estimador de Emisiones para Modelo Base. .................... 67
Tabla 7.1. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo Base. .... 73
Tabla 7.2. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad
de Bagazo de 44% ................................................................................................................. 74
Tabla 7.3. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad
de Bagazo de 53% ................................................................................................................. 75
Tabla 7.4. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación
aire/bagazo = 0.9 ................................................................................................................... 77
Tabla 7.5. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación
aire/bagazo = 1.0. .................................................................................................................. 77
Tabla 7.6. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con
Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF .................................................................. 78
Tabla 7.7. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con
Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF .................................................................. 79
x
Tabla 7.8. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de
Purga de 10 ton/h. ................................................................................................................. 80
Tabla 7.9. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de
Purga de 30 ton/h. ................................................................................................................. 80
Tabla 7.10. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Terreno Elevado. .................................................................................................................. 81
Tabla 7.11. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Edificios de Altura = 20m. ................................................................................................... 83
Tabla 7.12. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Edificios de Altura = 50m. ................................................................................................... 83
Tabla 7.13. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una
Fuente de Línea con Emisión de PTS de 0.2 g/s. ................................................................. 85
Tabla 7.14. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una
Fuente de Línea con Emisión de PTS de 0.05 g/s. ............................................................... 85
Tabla 7.15. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Altura de Chimenea = 20m .................................................................................................. 86
Tabla 7.16. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Altura de Chimenea = 50m .................................................................................................. 87
Tabla 7.17. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Distinta Relación de PM10/PTS .......................................................................................... 88
Tabla 7.18. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con
Distinta Relación de PM2.5/PTS ......................................................................................... 88
Tabla 7.19. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.99 y
Porcentajes de Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada
Receptor. .............................................................................................................................. 89
Tabla 7.20. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.80 y
Porcentajes de Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada
Receptor. .............................................................................................................................. 89
xi
Tabla 7.21. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.30 y
Porcentajes de Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada
Receptor. ............................................................................................................................... 90
Tabla 7.22. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.60 y
Porcentajes de Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada
Receptor ................................................................................................................................ 90
Tabla 7.23. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de
Ceniza en Bagazo de 2%. ..................................................................................................... 91
Tabla 7.24. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de
Ceniza en Bagazo de 5%. ..................................................................................................... 91
Tabla 7.25. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder
Calorífico del Bagazo de 4200 cal/g. .................................................................................... 93
Tabla 7.26. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder
Calorífico del Bagazo de 4600 cal/g. .................................................................................... 93
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.2. Diagrama de Flujo de una Caldera Bagacera. .................................................... 14
Figura 3.1. Esquema de Funcionamiento de Entradas y Salidas de Información en un
Modelo de Dispersión. .......................................................................................................... 28
Figura 3.2. Clasificación de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA)
los Modelos de Dispersión .................................................................................................... 35
Figura 3.3. Valores Máximos Modelados de PTS, PM10 y PM2.5 en el “Diagnóstico de la
Calidad del Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes” para un período de 24 horas.
.............................................................................................................................................. 37
Figura 4.1. Diagrama General de un Ingenio Azucarero y de la Producción de Vapor ....... 39
Figura 4.2. Balance de Cenizas en la Caldera ....................................................................... 42
Figura 4.3. Balance de Materia en el Sistema Global de la Caldera ..................................... 43
Figura 4.4. Balance de Energía en la Caldera ....................................................................... 46
Figura 4.5. Flujos de Entrada y Salida del Domo de Vapor ................................................. 50
Figura 5.1. Representación Esquemática del Modelo de la Pluma de Dispersión Gaussiana.
.............................................................................................................................................. 57
Figura 6.1. Imagen de Presentación del Programa de Estimación de Emisiones de la
Caldera .................................................................................................................................. 65
Figura 7.1. Emisión de PTS en Función de la Humedad del Bagazo de Entrada ................. 74
Figura 7.2. Emisiones de PTS, PM10 y PM2.5 en Función de la Relación aire/bagazo. ..... 76
Figura 7.3. Emisión de PTS en Función de la Temperatura del Agua de Alimentación al
Domo. ................................................................................................................................... 78
Figura 7.4. Emisiones de PTS en Función del Flujo de Purga del Agua del Domo ............. 79
Figura 7.5. Gráfico de Concentración de PTS de los Receptores Discretos con Modelo Base
y con Terreno Elevado. ......................................................................................................... 82
xiv
Figura 7.6. Gráfico de Concentración de PM10 de los Receptores Discretos con Modelo
Base, con Edificios de 20m y con Edificios de 50m. ........................................................... 84
Figura 7.7. Emisión de PM10 en Función del % de Ceniza en el Bagazo ........................... 91
Figura 7.8. Emisión de PM2.5 en Función del Poder Calorífico del Bagazo. ..................... 92
xv
SIGLAS
AERMOD: Aermic EPA Regulatory Model (Modelo Regulatorio de AERMIC y –EPA)
DAC: Descontaminación de Áreas Críticas
EPA: Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental de los Estados
Unidos)
ICAITI: Instituto Centroamericano de Investigación y Tecnología Industrial
ISC Industrial Source Complex (Complejo de Fuentes Industriales)
MARN: Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador.
PCI: Poder Calorífico Inferior
PCS: Poder Calorífico
PCS: Poder Calorífico Superior
PTS: Partículas Totales Suspendidas
SNET: Servicio Nacional de Estudios Territoriales
UES: Universidad de El Salvador
xvii
SIMBOLOGÍA
a,b,c,d: Constantes de la ecuación de la capacidad calorífica.
A: Flujo másico de aire alimentado a la caldera.
Ab: Área efectiva de transferencia de calor del cuerpo negro [pies2].
aG: Absorsividad del gas a Tb.
ai : Pendiente de la regresión lineal para las relaciones.
Atm: Medida de presión en atmosferas.
B: Flujo másico de bagazo alimentado en la caldera.
bi : Intercepto de la regresión lineal para las relaciones.
BTU/lb: Cantidad de calor que el combustible puede producir por unidad de peso en la
combustión.
C: Carbono en el bagazo.
C: Concentración del material particulado [μg/m3].
CC,S(xryrzp): Contribución de la pluma que responde a los efectos del terreno.
CC,S(xryrzr): Contribución de la pluma horizontal.
CC: Flujo másico de partículas por la chimenea (PTS).
CO: Monóxido de carbono.
CO2: Dióxido de carbono.
Cp: Capacidad calorífica de una sustancia.
CR: Libras de combustible por hora por pie cuadrado de superficie proyectada en la sección
radiante.
CT(xryrzr): Concentración total.
D: Abertura en el dámper del tiro forzado [%].
dQ: Diferencial de transferencia de calor.
dT: Diferencial de temperatura.
e: Eficiencia de la caldera.
e': Eficiencia que representa el factor de calor irradiado.
f : Función de peso de la pluma.
FA: Flujo volumétrico de agua de entrada.
Fba: Factor para considerar la geometría del sistema con un cuerpo negro receptor.
xviii
fH: Fracción de hidrogeno en el combustible.
fO2,A: Fracción molar del oxigeno en el aire alimentado.
Fp: Flujo volumétrico de agua de purga.
FRc: Fracción de remoción de partículas del sistema.
ft2: Pies cuadrados.
g/s: Gramos por segundo.
G: Flujo másico de gases de combustión producidos.
g: Gramos.
GA: Libras de aire alimentado por cada libra de combustible.
h: Coeficiente de transferencia de calor.
H: Entalpia [KJ/kg].
H2: Hidrogeno molecular.
H2O: Agua.
HA: Entalpia del aire de entrada.
HB: Entalpia del bagazo de entrada.
HFA: Entalpia del agua de entrada.
HG: Entalpia de los gases de chimenea.
HP: Entalpía del agua de purga.
Hv: Entalpia del vapor generado.
HW: Entalpia del agua de salida en la chimenea.
Kcal/kg: Cantidad de calor que el combustible puede producir por unidad de peso en la
combustión.
Kcal: Kilocalorías.
kg: Kilogramo.
K ii Coeficientes de difusión turbulenta en la dirección de los tres ejes coordenados.
KJ: Kilojoules.
Klb/h: Kilolibras por hora.
lb: Libras.
lbH2O/lb as: Libras de agua por libras de aire seco.
m: Metros.
m3: Metros cúbicos.
xix
Mcen: Flujo de cenizas que entra a la caldera.
MV: Flujo másico de vapor.
NA: Moles de aire seco alimentado a la caldera.
Ni,j: Moles del compuesto o elemento “i” en corriente “j”.
NO: Monóxido de nitrógeno.
NO2: Dióxido de nitrógeno.
NOx: Compuestos nitrogenados.
O2: Oxigeno en el aire.
ºC: Temperatura en grados Celsius.
ºF: Grados Fahrenheit.
ºK: Temperatura en Kelvin.
ºR: Temperatura en Ranking.
Pv: Presión dentro del domo.
Py Función de densidad de probabilidad que describe la dispersión lateral.
Pz Función de densidad de probabilidad que describe la dispersión vertical.
Q`: Tasa de emisión de la fuente.
QF: Calor total liberado por el combustible en la reacción [BTU/h].
Qr: Flujo de transferencia de calor al cuerpo negro por radiación del gas [BTU/h].
QT: Calor liberado por la combustión del bagazo.
Qv: Calor absorbido para calentar el vapor.
R: Flujo de cenizas removidas por el sistema de remoción de partículas.
s: Segundos.
SO2: Dióxido de azufre.
SO3: Trióxido de azufre.
t: Tiempo.
TA: Temperatura en el flujo Alimentación.
Tb: Temperatura del cuerpo negro [ºR].
Tc: Temperatura critica [ºK].
Tf: Temperatura final de los gases de chimenea.
TG: Temperatura del gas [ºR].
Tgo: Temperatura inicial del gas.
xx
Tn: Temperatura normal [K].
ton/h: Toneladas por hora.
Tv: Temperatura de sobrecalentamiento del domo.
Tvap: Temperatura de vaporización del agua.
u: Velocidad del viento.
VA: Velocidad de los alimentadores de bagazo [%].
W: Flujo másico de vapor de salida en la chimenea.
Zp: Altura de un receptor sobre el nivel del suelo.
Zr: Elevación de la base de la chimenea.
Zt: Es la altura del terreno en el punto en que se ubica un receptor.
∆HTn: Calor latente de vaporización normal [KJ/Kg].
∆Hv: Cambio de entalpia del agua líquida a vapor sobrecalentado [KJ/kg].
∆Hvap: Calor latente de vaporización a la temperatura T. [KJ/kg], T [K].
μg: Microgramos.
ЄG: Emisividad del gas a TG.
xxi
PRÓLOGO
En el presente trabajo de graduación se aplica un modelo de dispersión al material
particulado generado en calderas bagaceras. Esta aplicación consta de dos grandes
secciones que son:
1. Desarrollo de un programa estimador de emisiones de una caldera bagacera en
LabViewTM
Este programa estima las emisiones procedentes de la quema del bagazo en calderas
bagaceras, introduciendo datos iniciales de operación e información adicional como
composición del bagazo y temperaturas entre otros. Los resultados que se obtienen de esta
simulación serán los necesarios para introducirlos al modelo de dispersión y además, se
incluyen otros resultados que puedan ser interesantes para que el lector, como la eficiencia
de la caldera, el aire en exceso, cantidad de bagazo quemado, etc.
2. Aplicación del modelo de dispersión utilizando el programa ISC-AERMOD View a las
emisiones calculadas.
Mediante este software se lleva a cabo la simulación de la dispersión del material
particulado que se emite a través de las chimeneas de las calderas bagaceras. El resultado
que se obtiene de esta simulación son los mapas de concentración que se presentan en el
Anexo D y los valores puntuales de concentración para los receptores discretos definidos
los cuales se presentan en el capítulo de resultados.
En el marco de lo anterior, el trabajo se ha dividido en 8 capítulos, dentro de los cuales los
primeros tres se refieren al fundamento teórico; en el Capítulo 1 se hace una introducción
explicando en qué consiste el trabajo y la importancia del mismo, en el Capítulo 2 se
explica el funcionamiento de una caldera bagacera y las propiedades que tiene el bagazo
como combustible y en el Capítulo 3 se habla acerca de los modelos de dispersión, sus
características y clasificaciones finalizando con algunos antecedentes de la implementación
de modelos de dispersión en El Salvador.
xxii
Los modelos matemáticos, tanto el utilizado en la simulación de la caldera, como el que
sirve de base al programa AERMOD se explican en el Capítulo 4 y 5. En el Capítulo 4 se
plantea el modelo y las ecuaciones de balance de materia y energía de la caldera bagacera
que se ha simulado para obtener las emisiones de material particulado; mientras en el
Capítulo 5 se explican las principales consideraciones que presenta AERMOD en la
simulación de la dispersión.
La metodología a seguir para aplicar el modelo de dispersión a las emisiones generadas en
una caldera bagacera se explican en el Capítulo 6, asimismo se explica cómo se lleva a
cabo la evaluación de distintas variables que influyen en la dispersión del material
particulado, tanto variables que tienen que ver con el modelo de dispersión, como variables
que tienen que ver con la operación de la caldera.
Los resultados de la aplicación de los modelos y análisis de estos se presenta en el Capítulo
7. Finalmente en el Capítulo 8 se presentan las conclusiones obtenidas de la modelación y
recomendaciones para futuras investigaciones en temas relacionados.
1
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
En El Salvador, uno de los mayores problemas relacionado con la contaminación
atmosférica es el material particulado. De acuerdo a la simulación de la calidad del aire
realizada en el estudio “Diagnóstico de la Calidad del Aire. Levantamiento de Fuentes
Contaminantes” en el Área Metropolitana de San Salvador se sobrepasa el máximo anual
permitido por la norma salvadoreña obligatoria.
En el sector industrial, y específicamente en la industria de la caña de azúcar, las emisiones
de material particulado provenientes de la quema del bagazo son de mucha relevancia tanto
para las autoridades, como para la población y también para los ingenios. La cantidad de
particulado que se emite a través de las chimeneas y la forma en que estas partículas se
dispersan en el medio puede tener repercusiones en la salud de los habitantes de las
comunidades vecinas a las instalaciones industriales, por lo que existe una norma nacional
de calidad del aire que establece los límites máximos permitidos de las concentraciones de
varios contaminantes.
El presente estudio realiza una simulación del funcionamiento de una caldera bagacera con
el objetivo de determinar las emisiones de material particulado y algunos otros parámetros
que sirvan de entrada a un modelo de dispersión que determina las concentraciones de PTS
(partículas totales suspendidas), PM10 y PM2.5.
Para la simulación de la caldera se desarrolló un programa informático en el cual se utilizó
el lenguaje de programación de LabViewTM y para la aplicación del modelo de dispersión
se utilizó el programa ISC-AERMOD View.
En las simulaciones que se llevan a cabo se estudia la forma en que algunas variables de
operación de la caldera influyen en la dispersión de los contaminantes, lo cual puede ser
utilizado como una herramienta para orientar las mejoras en la operación de una caldera
bagacera con el objetivo de reducir las emisiones de partículas.
2
El estudio de la operación de las calderas y la dispersión de los contaminantes es de suma
importancia con miras a reducir el problema que constituye el material particulado en la
contaminación atmosférica y el objetivo del presente estudio es dar una primera
aproximación para que se aplique a las condiciones reales de cada ingenio azucarero estos
modelos y puedan estimarse las concentraciones y mejorarse las operaciones de la caldera y
reducir así el impacto de las actividades industriales en la salud de las personas.
3
CAPÍTULO 2: CALDERAS BAGACERAS
Las calderas o generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor
de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan o calientan el agua para
aplicaciones industriales.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada
posteriormente por James Watt en 1776. Al inicio fueron empleadas como máquinas para
accionar bombas de agua de cilindros verticales. Las máquinas de vapor fueron las
impulsoras de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo (XIX) y continúa hasta
el nuestro [UPB, 2002].
Las calderas bagaceras son solo un tipo de calderas las cuales tienen por característica el
uso del bagazo de caña de azúcar como combustible para la generación de vapor. El bagazo
que se utiliza para la combustión y que se describirá con más detalle en este capítulo, es el
residuo que se genera luego de habérsele extraído la mayor cantidad de agua y azúcar a la
caña.
La energía producida por esta combustión sirve para calentar agua y convertirla en vapor
sobrecalentado a altas presiones que luego es dividido para ser utilizado en diferentes
máquinas del ingenio como molinos, turbobombas y los turbogeneradores. Los
turbogeneradores se utilizan para la extracción de la energía que lleva el vapor y la
transformación a energía eléctrica. Luego de haberse extraído gran parte de la energía en el
turbogenerador, queda un vapor saturado a baja presión, el cual es utilizado para el
calentamiento en otros equipos de la fábrica.
Las calderas bagaceras son de vital importancia para los ingenios azucareros tanto
económica como medioambientalmente, ya que se puede producir energía de una forma
relativamente económica, quemando un desecho propio de la fábrica y el cual no
contribuye a la emisiones globales de dióxido de carbono.
4
2.1 Bagazo de Caña de Azúcar como Combustible
En los ingenios azucareros de El Salvador, la materia prima que es utilizada en la
actualidad como combustible para la producción de vapor, que luego pasa a los
turbogeneradores para generar energía eléctrica, es el bagazo de la caña de azúcar, el cual
es un subproducto de la obtención de azúcar.
El bagazo se comenzó a utilizar como un complemento de los combustibles fósiles que eran
usados para el funcionamiento de la planta de producción, pero con el tiempo, al aumentar
las capacidades de procesamiento de caña de azúcar en los ingenios salvadoreños, la
producción de bagazo también aumento por lo que logró sustituir completamente a dichos
combustibles, que aunque con mayor aporte energético, en el aspecto económico no podían
competir con el bagazo.
En un ingenio salvadoreño se conoce que la cantidad de bagazo que se genera es alrededor
del 24.5% de la cantidad de caña que se procesa. Estos valores se apegan a datos
bibliográficos, los cuales rondan entre 24-28% del peso de la caña [Hugot, 1964].
Este bagazo generado está compuesto principalmente por material insoluble (o fibra de
bagazo), agua, cenizas y sustancias en solución como azúcar y otras impurezas.
De las características anteriores, la humedad del bagazo es la propiedad física más
importante del bagazo en lo que respecta a su calidad de combustible para las calderas. En
ingenios alrededor del mundo se manejan promedios que van de un 44% hasta 50% para las
plantas más modernas [Chen, 1991]. Este porcentaje de humedad depende de la eficiencia
de los molinos en el momento de la extracción del jugo de caña.
En El Salvador se conocen más de un centenar de clases de caña de azúcar las cuales no son
separadas en el momento de la molienda por lo que las propiedades del bagazo que se
genera es la representación de la mezcla de todas estas clases. En la Tabla 2.1 se muestran
5
los valores del porcentaje de humedad del bagazo generado en un ingenio azucarero en El
Salvador.
Tabla 2.1. Porcentaje de Humedad en el Bagazo para la Zafra 08/09 en un Ingenio Salvadoreño.
[UES, 2009]
Mes Promedio (%)
Noviembre 52,018
Diciembre 51,391
Enero 48,373
Febrero 47,508
Marzo 48,248
Abril 48,300
Promedio Total (%) 49,306
Además del agua, en el bagazo se encuentran materiales insolubles como la celulosa que es
la que constituye la fibra del bagazo y que representa alrededor del 50% del peso de
bagazo. También hay pequeñas cantidades de azúcares solubles que van desde un 2% hasta
un 5% en peso de bagazo [Hugot, 1964].
La fibra es lo que le da el valor energético al bagazo para poder utilizarlo como
combustible para calderas. Este valor energético es medido a través del poder calorífico
(PC), que es la cantidad de energía que el combustible puede producir por unidad de peso
en la combustión, las unidades más comunes son BTU/lb y Kcal/kg para el Sistema Ingles
y el Sistema Internacional, respectivamente. La determinación de la energía producida se
hace mediante dos poderes caloríficos distintos [Hugot, 1964]. Estos se definen a
continuación.
Poder Calorífico Superior (PCS): Es el calor producido por un kilogramo de combustible
cuando la combustión se lleva a cabo a condiciones estándar, llevando todos los productos
también a estas condiciones y suponiendo que el vapor producido se condensa.
6
Poder Calorífico Inferior (PCI): Llamado también Poder Calorífico Neto. Este poder
calorífico supone que el agua producida se encuentra en forma de vapor y, al igual que el
PCS, los productos se encuentran a condiciones estándar.
De lo anterior se puede notar que la diferencia entre los poderes caloríficos es la energía de
vaporización del agua, por lo que resulta muy fácil relacionar estos dos valores. La
Ecuación 2.1 presenta la relación entre los dos poderes caloríficos en unidades de calorías
por cada gramo de combustible [cal/g], donde en la mayoría de los casos se cuenta con el
PCS ya que este es obtenido en los análisis de laboratorio.
HfPCSPCI 400,5−= (Ec.2.1)
Donde, fH: fracción de hidrogeno en el combustible seco
Chen [1991] presenta resultados del PCS obtenidos en estudios anteriores para la caña
producida en diferentes partes del mundo como Cuba, Luisiana, Hawai, Puerto Rico y
Australia. A partir de estas pruebas se estableció que el PCS del bagazo ronda entre valores
de 4550 a 4660 Kcal/kg.
En El Salvador, al igual que en el caso de la humedad en el bagazo, los valores de PCS son
un promedio del bagazo producido de los lotes de caña que se procesan. La Tabla 2.2
presenta los valores promedio que se obtuvieron de un ingenio salvadoreño.
Tabla 2.2. Promedios de PCS del Bagazo Seco en El Salvador.
[UES, 2009]
BTU/lb Kcal/kg
Enero 8308,89 4616,05
Febrero 7014,76 3897,08
Marzo 7672,59 4262,55
Promedio Total 7665,41 4258,56
7
Otro aspecto que es muy importante estudiar es la composición química del bagazo, la cual
no muestra variaciones muy notables entre diferentes tipos de bagazo en relación a
investigaciones realizadas por diferentes autores. En la Tabla 2.3 se muestran las
composiciones presentadas por Hugot [1964] haciendo referencia a estas investigaciones.
Tabla 2.3. Composición Química del Bagazo Seco.
[Hugot, 1964]
N. Deer
Tromp
[1938]
Kelly
[1938]
Davies
[1947]
Gregory
[1944]
Carbono 46,5 44 48,5 47,9 49
Hidrogeno 6,5 6 6 6,7 7,4
Oxigeno 46 48 43,3 45,4 41,8
Cenizas 1 2 2,2 1,8
Total (%) 100 100 100 100 100
Otros autores también hacen referencia a componentes que se encuentran en pequeñas
cantidades tales como el Nitrógeno (N) y al Azufre (S), que aunque se encuentren en
cantidades que se consideran como mínimas, son estos componentes, provenientes de la
combustión del bagazo, los que representan los mayores efectos negativos para el medio
ambiente. En la Tabla 2.4 está la composición que presenta Díaz [2008], los análisis
hechos son en base al bagazo seco generado en el Ingenio Valdez en Ecuador y en esta se
puede observar la poca cantidad de nitrógeno y azufre que el combustible posee.
Por otra parte, el contenido de cenizas en el bagazo, predominantemente compuestas por
óxidos de aluminio, calcio, hierro y silicio [Manahan, E., s.f], es relativamente bajo como
se muestra en la Tabla 2.3 y Tabla 2.4, pero este porcentaje puede aumentar debido a la
mecanización de la cosecha y si ésta se realiza en periodo de lluvia se puede elevar hasta
valores de 12 a 15 por ciento. Este porcentaje es muy determinante en la generación de
material particulado ya que, junto con la eficiencia de remoción de cenizas del sistema
8
determinan el flujo de partículas que saldrán por la chimenea de la caldera después de la
combustión.
Tabla 2.4. Composición Química del Bagazo Seco en Ingenio Valdez, Ecuador.
[Díaz, 2008]
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3
Hidrogeno 5.03 5.02 4.99
Carbono 47.50 47.61 47.94
Nitrógeno 0.35 0.35 0.34
Oxigeno 42.51 42.54 42.24
Azufre 0.50 0.51 0.50
Humedad 0.00 0.00 0.00
Ceniza 4.11 3.97 3.99
Total (%) 100 100 100
La combustión del bagazo genera gases propios de esta reacción así como también restos de
material particulado que están compuestos principalmente de cenizas (provenientes del
bagazo) y, en menor parte, por carbono que proviene de las partes fibrosas del bagazo que
no se logran quemar totalmente.
Los gases de combustión, por otro lado, están compuestos por dióxido de carbono,
compuestos orgánicos volátiles (generados por una combustión incompleta), oxigeno
(proveniente del exceso de aire para la combustión), vapor de agua (generado por la
combustión y de la humedad que se encuentra en el bagazo) y nitrógeno molecular que se
añade en el aire y el cual se considera, para efectos del balance de masa y energía, que no
reacciona en óxidos de nitrógeno durante la combustión. Las ecuaciones químicas que
representan los productos gaseosos generados por la combustión del bagazo se muestran en
la Ecuación 2.2 hasta la 2.4.
� + �� → ��� (Ec.2.2)
9
�� + �� �� → ��� (Ec.2.3)
Alternativamente también se considera la ecuación química para la generación de
monóxido de carbono (Ecuación 2.4).
� + �� �� → �� (Ec.2.4)
La ecuación anterior para la generación de monóxido de carbono libera menos energía que
la reacción de generación de dióxido de carbono, es por esto que a medida que se genera
más monóxido se disminuye la energía suministrada al sistema.
En el aspecto ambiental, los gases provenientes de la combustión del bagazo contienen
menos contaminantes que los gases de los combustibles fósiles ya que éstos tienen
compuestos sulfurosos (SO2 y SO3), varios hidrocarburos y otros componentes en bajas
concentraciones que no poseen los gases provenientes de la quema del bagazo. Los
compuestos de azufre y de nitrógeno son los causantes de las lluvias acidas provocando
muchos daños en los alrededores a las fuentes de emisión de dichos gases.
Aunque las emisiones de partículas son menores en los combustibles fósiles, el daño que
los gases tóxicos provocan es bastante alto para los cuales los tratamientos no siempre son
muy eficientes o demasiado costosos para la industria salvadoreña. En cambio, la
tecnología en el tratamiento de material particulado producido por la combustión es muy
avanzada, por lo que el daño provocado por el material particulado de la quema de biomasa
podría no ser comparable al efecto negativo de los gases de combustión por la quema de
combustibles fósiles.
En la eficiencia energética, el combustible fósil posee un poder calorífico muy superior en
comparación al del bagazo de caña, lo que provoca que la eficiencia térmica de la caldera
aumente. En la Tabla 2.5 se muestran los poderes caloríficos de diferentes combustibles
fósiles, además del valor correspondiente al bagazo de caña.
10
A partir de estas diferencias de aprovechamiento energético se basa actualmente el precio
del bagazo de caña en relación a otros combustibles y siendo el bagazo un subproducto de
la producción de azúcar en el ingenio no se incurre en un gasto para su uso. Desde el punto
de vista económico, lo anterior es lo que incentiva el uso del bagazo como combustible
para las calderas, aunque en varios ingenios en el mundo se usa una mezcla de ambos
(Bagazo y Combustible Fósil).
Tabla 2.5. Poder Calorífico de Diferentes Combustibles.
[Chen, 1991]
Combustible Poder Calorífico
Superior
Aceite 4600 Kcal/kg
Gas Natural 8800 Kcal/m3
Carbón Bituminoso 6700 Kcal/kg
Bunker Nº6 9596 Kcal/l
Bagazo 4660 Kcal/kg
2.2 Tipos de Calderas
Para que las calderas cumplan su función se han diseñado diferentes configuraciones y
variaciones, especialmente de dos tipos, calderas pirotubulares y acuatubulares [ICAITI,
1981]. Sin embargo, en la actualidad se conocen diferentes tipos de calderas, las cuales se
clasifican dependiendo de diferentes criterios, como las características físicas que posea o
del camino que se sigue para la transferencia de energía del combustible hacia el agua. La
Universidad Pontificia Bolivariana presentó en el 2002 una clasificación de los tipos de
hornos basada en los criterios antes mencionados. A continuación se presentan las
clasificaciones más importantes para este trabajo.
11
a. Por la Disposición de los Fluidos
− Pirotubulares
Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un
combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua
de la caldera.
El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por
radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen
el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y
convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular,
se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en
cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se
logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio
térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea [Pull, 1977].
− Acuatubulares:
En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula
por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines
que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden
estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el
sobrecalentador, recalentador, economizador, etc.
Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o
solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo
la zona de radiación de la caldera.
Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través
del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de
convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la
chimenea.
12
En la Figura 2.1 se muestra un ejemplo de una caldera acuatubular.
Figura 2.1.Caldera Acuatubular Industrial.
Fuente: [Golato, M; et. al; 2005]
b. Por el Combustible Empleado
− Combustibles Sólidos
− Combustibles Líquidos
− Combustibles Gaseosos
− Combustibles Especiales (Bagazo, Licor Negro, etc.)
− Mixtas
− De Recuperación de Calor de Gases
c. Por el Tiro
− De Tiro Natural: el aire necesario para la combustión es tomado del aire de los
alrededores de donde está instalada la caldera. En este tipo de calderas los gases son
13
expulsados por el efecto de la diferencia de presión provocado por la chimenea
[Pull, 1977].
− De Hogar Presurizado: las hay de dos configuraciones, en sobrepresión y en
depresión. En el primer caso, una corriente de vapor recalentado es alimentado a la
caldera por debajo de la parrilla por medio de un sistema mecánico (Tiro Forzado)
generando presión en el interior de la caldera. En el segundo los gases se succionan
hacia el ambiente por medio de un ventilador (Tiro Inducido), en este caso los
gases poseen mayor velocidad de salida [Pull, 1977].
− De Hogar Equilibrado: la alimentación de aire y la salida de los gases de
combustión se hace de forma mecánica (Tiro Forzado y Tiro Inducido,
respectivamente), por lo que la presión dentro de la caldera es equilibrada por estas
dos corrientes de flujo. Este equilibrio se mantiene en una depresión (presión
negativa) para asegurar que los gases viajen hasta la chimenea [Pull, 1977].
2.3 Descripción de las Partes de una Caldera Bagacera
La estructura de una caldera bagacera, desde la alimentación del bagazo hasta la salida de
los gases por la chimenea, se presenta en el diagrama de flujo de la Figura 2.2. Además, en
la Tabla 2.6 se presentan los nombres de cada línea de flujo mostrada en el diagrama de
dicha figura.
El bagazo procedente de los molinos entra al hogar de la caldera por medio de varios
alimentadores rotativos, llamados alimentadores de bagazo. Este tipo de alimentador posee
dos rodos que a medida que giran van permitiendo que el bagazo entre a una velocidad
proporcional al giro de ellos.
Luego el bagazo para al hogar u horno de la caldera, que es el lugar donde se lleva a cabo la
combustión del bagazo, y comprende todo el espacio entre la base de caldera (a la que se le
14
llama parrilla) y hasta el punto antes de los ceniceros [Hugot, 1964]. En esta definición el
economizador y el precalentador son parte del hogar de la caldera; sin embargo, en la
descripción que se hará se ha tomado como equipos separados para una mejor
visualización.
Posteriormente, los gases de combustión y las cenizas salen de caldera por una diferencia
de presión (producida por un tiro inducido) intercambiando calor con los tubos que
conducen el agua hacia el domo de vapor y pasando luego (los gases) al precalentador y al
economizador. Por último, los gases pasan por un sistema de remoción de partículas y
posteriormente salen, impulsados por el mismo tiro inducido, a través de la chimenea. Lo
anterior se explicará con un poco más de detalle más adelante.
Figura 2.2. Diagrama de Flujo de una Caldera Bagacera.
15
Hugot [1964] presenta los que son considerados como los principales tipos de hornos para
el uso de bagazo como combustible. Estos tipos de hornos son los siguientes:
Horno de Gradilla: La parrilla está compuesta por placas de fundición, dispuestas en
escalones con una inclinación de 52 grados. La parrilla está dividida en tres partes.
Tabla 2.6. Numeración de Líneas de Flujo en las Calderas Bagaceras.
Corriente Descripción
1 Alimentación de Bagazo
2 Aire Atmosférico de Entrada al Ventilador de Turbulencia
3 Aire Turbulencia después del Ventilador de Turbulencia
4 Aire de Entrada (Overfire) después del Precalentador
5 Aire de Entrada después del Precalentador
6 Salida de Vapor
7 Salida de Ceniza del Horno
8 Gases de Combustión después del Horno
9 Salida de Aire después del Precalentador
10 Aire Atmosférico de Entrada al Ventilador de Aire Forzado
11 Aire de Entrada al Precalentador después del Ventilador de Tiro Forzado
12 Gases de Combustión después del Precalentador
13 Entrada de Agua al Economizador desde Deaireador
14 Entrada de Agua al Domo Inferior desde el Economizador
15 Salida de Gases de Combustión después del Economizador para Entrada
al Cenicero
16 Salida de Ceniza del Cenicero
17 Gases de Gases de Combustión después del Cenicero
18 Salida de Ceniza del Scrubber o Ciclón
19 Salida de Gases de Combustión después del Scrubber o Ciclón
20 Gases de Combustión después del Ventilador de Tiro Inducido
21 Salida de Gases de Combustión de la Chimenea
16
Las tres partes en la que se divide la parrilla del horno de gradilla son:
− Parte Superior o Placa Anterior, es sin gradas ni aberturas para el paso del aire y en
la que el bagazo se seca antes de pasar a la parrilla
− Gradas de Fundición, es aquí donde se quema el bagazo. El espaciado de entre las
gradas está relacionado con la cantidad de aire que debe pasar entre el bagazo para
lograr el nivel de combustión deseado.
− Cenicero, es en la parte inferior de la parrilla que es donde finaliza la combustión
por lo que las cenizas se retienen en este punto.
Horno Cook: En este horno el bagazo cae directamente al hogar de la caldera que es en
forma de herradura, que además es también otro nombre para este tipo de hornos. La
entrada de aire se hace por debajo y en los alrededores del horno para que el bagazo que
entra se acumule formando una montaña para luego entrar en combustión, que cuando se
consume las cenizas caen en los alrededores.
Horno Ward: Al igual que en los Hornos Cook, el bagazo es apilado en la parrilla por la
cual se hace pasar una corriente de aire para hacer que se queme el bagazo. La mejora de
diseño de los Hornos Ward con otros tipos es el hecho de que el horno está colocado bajo la
superficie de calentamiento. Para mantener el calor del horno dentro de éste, el área de
direccionamiento de los gases es limitada por dos arcos opuestos entre sí dejando un
espaciamiento de cincuenta centímetros a lo ancho del horno.
Horno Distribuidor: La alimentación del bagazo a este tipo de hornos es lo que constituye
la característica más notable. La entrada de bagazo se realiza por medio de una caída; pero
conjuntamente se está alimentando aire por debajo de esta caída de bagazo provocando que
el bagazo quede suspendido dentro del horno, durante este lapso de tiempo el bagazo se
quema para que las cenizas se depositen luego sobre la superficie de la parrilla.
17
Domos de agua
Las calderas cuentan con domos superiores y domos inferiores, también llamados domos de
vapor y domos de agua respectivamente. Estas dos cámaras se encuentran interconectadas
por los tubos en los cuales el agua y los gases intercambian calor en el hogar de la caldera
para producir el vapor a las condiciones determinadas. El vapor es dirigido hacia los
turbogeneradores, los cuales se encargan de extraerle la mayor parte de la energía que
posee para convertirla en energía eléctrica.
Precalentador y Economizador
Como se mencionó anteriormente, estas dos partes de la caldera suelen tomarse en algunos
casos como parte del hogar de la caldera y cuyas funciones son intercambiar calor con los
gases provenientes de la combustión. El precalentador intercambia calor con el aire
alimentado por el tiro forzado mientras que el economizador intercambia con el agua de
alimentación proveniente de los deaireadores.
Tiro forzado
El aire que pasa por el alimentador es aire atmosférico que es impulsado por un ventilador
al cual se le llama tiro forzado. El intercambio de calor en el precalentador, permite que el
aire ingrese a una mayor temperatura que la del ambiente. Luego, el aire es dividido en dos
flujos para ser introducidos tanto en la parte de arriba como en la parte de abajo de la zona
de combustión del hogar de la caldera, esto se hace con el objetivo de que el bagazo se
quede en suspensión mientras se quema, mejorando de esta forma la combustión. El aire
que ingresa en la parte alta de la caldera es llamado overfire y el que ingresa por la parte
baja es llamado forzado.
En el cuarto de control, el tiro forzado se mide en función del porcentaje de abertura del
dámper, de tal forma que para un porcentaje definido de abertura se introduce una cantidad
definida de aire para la combustión.
El aire introducido está relacionado con la cantidad de aire que se necesita para quemar el
bagazo, de tal forma que existe una relación entre el porcentaje de la velocidad de los
18
alimentadores y la del dámper del tiro forzado. Esto se presenta en el control como
Relación Aire/Bagazo.
Tiro inducido
El tiro inducido es un ventilador que se encarga de realizar el vacío dentro del sistema,
succionando los gases y lanzándolos con mucha velocidad a través de la chimenea la cual
se encuentra justo después del tiro.
Sistemas de Tratamiento Material Particulado
Adicionalmente a la caldera, se instalan equipos de tratamiento para la disminución de la
concentración de algunos de los gases y del material particulado que es emitido a la
atmósfera proveniente de la combustión.
En el caso de las calderas bagaceras el equipo de tratamiento es principalmente dirigido al
control de las emisiones de partículas, debido a que la combustión del bagazo no produce
las cantidades de compuestos químicos que en comparación emiten los combustibles fósiles
(compuestos nitrogenados y sulfurados).
El diseño de los equipos de tratamiento es en función de las características del flujo que
transporta las partículas, ya que, por ejemplo, el mecanismo de limpieza en algunos equipos
depende de la velocidad de este flujo de gases o de los tamaños de las partículas que viajan
en él. En la industria, los equipos de tratamiento de material partículas más usados son
[Bonato, 2000]:
− Cámara de Sedimentación por Gravedad
En este tipo de equipos el flujo de gases es dirigido a una cámara de grandes dimensiones
para que la velocidad del flujo disminuya, para favorecer que las partículas de mayor
tamaño precipiten. Dentro de la cámara se colocan placas inclinadas en la dirección del
flujo para ayudar a que las partículas pierdan velocidad, y así limitar los tamaños de las
cámaras.
19
La eficiencia de las Cámaras de Sedimentación es de alrededor del 30%, reteniendo las
partículas mayores a 25 micras. Debido a lo anterior se acostumbra usarlas como
pretratamiento antes de que ingrese a otros equipos con mayor eficiencia de remoción.
− Ciclones
Debido a la velocidad con que se mueve el flujo de gases y partículas al entrar en el ciclón,
que posee forma circular, describen una trayectoria en espiral. Durante este movimiento,
sobre las partículas actúa una fuerza centrifuga provocando que las partículas choquen
contra la pared del ciclón y pierdan velocidad. La corriente de gases luego de ser tratado
sale por la parte superior del equipo.
Los ciclones poseen una eficiencia de remoción, que varía en función del peso y el tamaño
de las partículas, que va desde un 30% hasta un 90% para partículas de tamaños entre 5 y
20 micras.
− Separadores Húmedos
En estos equipos la separación se hace por medio de una corriente de agua que se esparce
en forma de gotas finas al flujo que lleva las partículas. La dirección de la corriente de agua
puede ser en contracorriente o en corriente paralela en relación al flujo de gases. El único
propósito del líquido es arrastrar las partículas hasta la parte inferior del equipo.
La eficacia de este tratamiento es dependiente del grado de contacto que tenga el agua con
las partículas, por lo que es importante controlar el grado de atomización del líquido y el
tiempo de contacto entre los dos flujos. En buenas condiciones de funcionamiento se puede
lograr hasta un 99% de remoción de partículas.
− Precipitadores Electrostáticos (Electrofiltros)
Este sistema está basado en que las partículas que se transportan en la corriente gaseosa
pasan a través de un campo eléctrico elevado, de entre 20000 a 800000 voltios, adquiriendo
carga negativa y son atraídas por unas placas cargadas positivamente, para luego ser
recogidas por mecanismos apropiados.
20
Luego de este tipo de tratamiento el flujo de salida baja hasta concentraciones de 20
mg/Nm3. Los niveles de eficiencia rondan el 95% para partículas muy finas (2 micras) y de
un 99.9% para partículas finas (10 micras).
− Filtros de Mangas
Están compuestos por mallas de alambre en forma de bolsas cilíndricas que están
recubiertas por filtros. Estas bolsas están en una cámara donde la corriente que lleva las
partículas es forzado a atravesarlas, desde afuera hacia adentro de las bolsas, quedando las
partículas retenidas en el lado externo para luego ser recogidas en la parte inferior de la
cámara.
Aunque los poros de estos filtros son de alrededor de 50 micras, pueden llegar a retener
partículas de hasta 0.1 micras debido a la capa de polvo que se forma en la superficie. Lo
anterior hace que la eficiencia alcance valores cercanos a 99.9%.
Chimeneas
Las chimeneas tienen la función de conducir los gases que han sido impulsados por el tiro
inducido hacia la atmósfera y de esta forma evitar la acumulación de gases y partículas
alrededor de la caldera. En el Capitulo 7.3 se demuestra el efecto de las alturas de la
chimenea para la dispersión del material particulado emitido por la caldera.
2.4 Eficiencia de una Caldera
La eficiencia de la caldera se define como la razón entre el calor absorbido por el vapor
producido y la energía total disponible suministrada por el bagazo. La eficiencia esta
expresada de la siguiente forma:
T
V
Q
Qe =
(Ec.2.5)
21
Donde,
Qv: calor absorbido para calentar el vapor
QT: calor liberado por la combustión del bagazo
Debido a que QT teórico depende del poder calorífico del bagazo, el cálculo de la eficiencia
de la caldera dependerá también del poder calorífico que se utilice, de forma que se pueden
presentar dos valores distintos de eficiencia para el funcionamiento de una misma caldera
dependiendo si se toma el PCS o el PCI. Los PCI por ser más bajos que los PCS dan
eficiencias más altas dependiendo de la cantidad de hidrogeno que posea el combustible.
Hugot [1964] menciona que la eficiencia con respecto al poder calorífico superior (PCS)
puede variar entre el 50% y el 65%.
La razón por la cual la caldera no transfiere toda la energía disponible al vapor es porque
existen otros flujos de energía que existen en todas las calderas y que mantienen los niveles
de eficiencia por debajo del 100%. Estas pérdidas de eficiencia se deben a 5 factores
[ICAITI, 1981]:
1. El calor arrastrado por los gases secos calientes en la chimenea
Mientras más alta es la temperatura de salida de los gases en la chimenea, más se considera
que es la disminución en la eficiencia. Para contrarrestar este efecto negativo los gases
luego de salir del hogar de la caldera se introducen al precalentador y al economizador.
2. La energía que se utiliza para generar el vapor presente en los gases calientes
El vapor resultante es producido por la combustión del hidrógeno que contiene el
combustible, la humedad del combustible y la humedad presente en el aire alimentado. El
valor más predominante para el caso de la caldera bagacera es la humedad que tiene el
combustible.
22
3. Combustible no quemado y productos de la combustión incompleta.
Estas pérdidas son provocadas por las cantidades de combustible que son arrastrados por
los desechos de la combustión, ya sea en los gases de salida o en la limpieza de la parrilla
del horno. En el caso de la combustión incompleta, las pérdidas son provocadas porque la
energía liberada en la generación de monóxido de carbono es menor a la que se obtiene en
la generación de dióxido de carbono
4. Perdidas de calor por radiación en la caldera.
Estas pérdidas comprenden, el calor irradiado a la sala de calderas sino que también el calor
que se pierde por convección hacia el aire ambiente que está en contacto con las paredes de
la caldera.
5. El calor perdido en la purgas de agua de la caldera.
En determinados momentos de tiempo o continuamente, se realiza una purga del agua que
se alimenta a la caldera por lo que la cantidad de calor que se debe transferir para producir
la misma cantidad de vapor es variable.
Para comprender más acerca de la eficiencia, es necesario entender más el proceso de
transferencia de energía hacia los tubos o los domos de agua, a esto se le conoce como
transferencia de calor radiante y se definirá a continuación.
2.4.1 Transferencia de Calor Radiante
El calor que absorbe el vapor (Qr) es el calor irradiado por los gases de combustión en el
hogar de la caldera. En el caso que no exista purgas de agua en el domo de vapor, el calor
radiante que se da en una caldera será igual al calor necesario para sobrecalentar el vapor.
La ecuación general para la transferencia de calor puede representarse en la Ecuación 2.7
[Kern, 1965]:
23
= �. ��� ∗ ��� ∗ ��� ∗ � ������� − �� ∗ � ��
������ ∗ �� (Ec. 2.7)
Donde,
Qr: carga de transferencia de calor al cuerpo negro por radiación del gas [BTU/h]
Ab: área efectiva de transferencia de calor del cuerpo negro [ft2]
aG: absorsividad del gas a Tb
Fba: factor para considerar la geometría del sistema con un cuerpo negro receptor
TG: temperatura del gas [ºR]
Tb: temperatura del cuerpo negro [ºR]
ЄG: emisividad del gas a TG
Se puede observar en la Ecuación 2.7, que un cambio en la temperatura de los gases
provocará un cambio grande en el calor transferido por radiación en comparación con la
transferencia de calor por convección (que es la forma en que los gases de combustión se
calientan hasta su temperatura final) ya que la energía que se da de esta forma solo es
proporcional a la primera potencia de la temperatura. La forma general de la transferencia
de calor por convección se da en la ecuación siguiente [Kern, 1965]:
� = ∗ � ∗ �� (Ec.2.8)
Donde, h es el coeficiente de transferencia de calor y A es el área efectiva de transferencia.
Además, es importante mencionar que la emisividad de la masa de gas en un horno es una
función del producto de la presión parcial de las moléculas radiantes y la longitud de la
trayectoria media de la profundidad de la capa de los gases. También, las emisividades de
gases diatómicos como el O2 y N2 son muy bajas en comparación con los demás gases de
combustión; por lo que, ordinariamente se considera que los únicos gases radiantes serán el
H2O y el CO2 [Kern, 1965].
En base a lo anterior, se podría esperar que a mayores tamaños de calderas, mayor sea la
transferencia de calor radiante a una temperatura dada y que, a una mayor cantidad de aire
24
en exceso, la presión parcial de los gases radiantes disminuyan y por lo tanto también
disminuya la cantidad de calor transferido.
Debido a que la aplicación de estas ecuaciones a los problemas prácticos de ingeniería
puede ser muy complicada, deben incorporarse simplificaciones y suposiciones para poder
determinar el calor irradiado de forma menos compleja. En Kern [1965] se presentan
algunos métodos comunes para el cálculo de absorción de calor, de los cuales solamente se
estudiará uno, que es el que se utilizará más adelante en la modelación de la caldera.
− Ecuación de Orrok-Hudson
Esta es una ecuación empírica para calcular la absorción de calor en la sección radiante de
una caldera de tubos de agua. Aunque está diseñada para calderas alimentadas con carbón y
petróleo, se decidió utilizar este método debido a que es el que mejor evalúa los cambios de
alimentación de combustible y también los cambios en la proporción aire-bagazo, siendo el
combustible un compuesto sólido. La ecuación de Orrok-Hudson es la siguiente:
!"!# = �
�$%∗&'"(�
(Ec.2.9)
Donde,
Qr: flujo de calor irradiado [BTU/h]
QF: calor total liberado por el combustible en la reacción [BTU/h]
GA: libras de aire alimentado por cada libra de combustible
Cr: libras de combustible por hora por pie cuadrado de superficie proyectada en la sección
radiante.
Para esta ecuación se puede determinar el valor específico de la caldera (CR) con solo tener
algunos valores de operación y el rendimiento para esos datos. Con esto ya se pueden
establecer comparaciones con los rendimientos de transferencia de calor radiante en la
caldera.
25
2.4.2 Parámetros que afectan a la Eficiencia
Existen muchos parámetros en el funcionamiento de una caldera que pueden afectar la
eficiencia de esta dependiendo de cómo varíen. Algunos de los parámetros más importantes
se presentan a continuación:
a. Nivel de exceso de aire
Este posee un efecto negativo en la eficiencia si el valor es demasiado bajo o demasiado
elevado, lo que indica que existe un punto óptimo de la cantidad de aire en exceso. Las
consecuencias más detalladas de estas variaciones son las siguientes:
− Si el valor de aire en exceso en el horno de la caldera es muy bajo, la combustión se
comienza a realizar de manera incompleta, generándose monóxido de carbono y
perdiendo energía en la combustión.
− Si el aire en exceso es demasiado alto, la combustión se realiza mejor; pero en
cambio, como se dijo anteriormente, la transferencia de calor por radiación hacia el
banco de tubos que conducen el agua disminuye. En contraste con lo que se explicó
previamente, este efecto se puede ver de forma más sencilla al comprender que a una
mayor cantidad de aire en exceso, mayor es la cantidad de gases dentro de la caldera,
lo que provoca que estos gases se muevan más rápido y que tengan menos tiempo de
intercambiar calor en la sección radiante, perdiéndose energía en los gases de
chimenea. A este efecto se le suma el de la disminución de la temperatura de la llama
por el mayor ingreso de gases y la disminución de las emisividades de los gases
radiantes.
b. Régimen de fuego
Este término es también llamado régimen de producción de vapor o porcentaje de carga. La
caldera, al no trabajar en las cargas normales, presenta pérdidas por la radiación y por los
26
gases de chimenea secos, ya que no se cumple la cantidad de calor necesario que debe ser
transferido. Ambas pérdidas aumentan al decrecer el régimen de carga.
c. Temperatura de los gases de chimenea
Para disminuir las pérdidas de energía en los gases de combustión se debe mantener al
mínimo la temperatura de estos a la salida. Un aumento en la temperatura puede deberse a
dos razones, insuficiente área para el intercambio calor y/o por la suciedad en estas
superficies de intercambio.
d. Temperatura del agua de alimentación.
La eficiencia de la caldera aumenta al aumentar la temperatura de alimentación de agua, ya
que el calor que necesita absorber será menor. Para aumentar la temperatura de agua las
industrias instalan economizadores que cumplen la función de intercambiador de calor, los
cuales extraen calor de los gases de combustión.
e. Temperatura del aire alimentado para la combustión.
El efecto en la eficiencia, por la temperatura del aire alimentado, es muy parecido al de la
temperatura del agua de alimentación. En este caso para aumentar la temperatura de entrada
del aire se añade un Precalentador de Aire, el cual también extrae calor de los gases de
combustión.
f. El flujo de purga
La cantidad del flujo de purga representa una pérdida de energía en forma de agua caliente
desechada. Esta purga es necesaria para eliminar las impurezas del agua en la caldera, ya
que afecta la calidad del vapor y forma incrustaciones. El valor del flujo de purga depende
de la calidad del agua fresca de alimentación y la calidad requerida del agua dentro de la
caldera, este valor de purga puede ser entre 5% y 10% del flujo total de vapor de la caldera.
27
CAPÍTULO 3: MODELOS DE DISPERSIÓN
Un modelo de dispersión es un conjunto de expresiones matemáticas que intentan
representar cómo se dispersan los contaminantes en la atmósfera. Basados en información
meteorológica, de las fuentes emisoras y de los receptores, predicen una concentración del
contaminante en estudio para un receptor determinado [SCRAM (a); 2009].
3.1 Características Generales de los Modelos de Dispersión
Los modelos de dispersión atmosférica son utilizados regularmente para predecir un perfil
de la concentración de un contaminante en una zona determinada. Típicamente se utilizan
para determinar si las emisiones de una nueva instalación industrial estarán en armonía con
las normas nacionales de calidad del aire.
Existen algunos factores que afectan la dispersión de los contaminantes y por lo tanto, la
información relacionada a estos factores se alimenta a los modelos de dispersión para su
ejecución. Estos factores pueden clasificarse en: [Álvarez, et al; 2005]:
− Características de la fuente emisora.
Parámetros relacionados a la(s) fuente(s) emisora(s) son determinantes ya que éstos dictan
las condiciones y las cantidades en que los contaminantes se están emitiendo a la atmósfera.
Algunos de estos parámetros son: la altura de la chimenea, temperatura y velocidad de
salida de los gases, tasa de emisión del contaminante en estudio, entre otros.
− Características del medio dispersor.
Se refiere a las variables meteorológicas que influyen en la dispersión de los contaminantes.
Las características más importantes se relacionan a la dirección y velocidad del viento, la
estabilidad de la atmósfera y la altura máxima de mezclado.
− Características del medio receptor.
Los efectos de fricción que se producen entre el aire en movimiento y el viento afectan
directamente a la dispersión de los
un lugar puede ser determinante en los movimientos de las masas de aire que circulan por
una zona determinada.
En la Figura 3.1 puede observarse un esquema en el cual se representa de forma
generalizada el flujo de información en un modelo de dispersión: las características
relativas a las fuentes emisoras, al medio d
modelo; éste, procesa dicha información y predice un perfil de concentraciones en la zona
de aplicación del modelo.
Figura 3.1. Esquema de Funcionamiento de E
28
Características del medio receptor.
Los efectos de fricción que se producen entre el aire en movimiento y el viento afectan
directamente a la dispersión de los contaminantes en la atmósfera. Además, la topografía de
un lugar puede ser determinante en los movimientos de las masas de aire que circulan por
puede observarse un esquema en el cual se representa de forma
alizada el flujo de información en un modelo de dispersión: las características
relativas a las fuentes emisoras, al medio dispersor y al medio receptor se introducen al
modelo; éste, procesa dicha información y predice un perfil de concentraciones en la zona
. Esquema de Funcionamiento de Entradas y Salidas de Información en un Modelo de
Dispersión.
PERFIL DE CONCENTRACIONES
Inf. del medio
receptor
Inf. de la fuente
emisora
Inf. del medio
dispersor
Los efectos de fricción que se producen entre el aire en movimiento y el viento afectan
contaminantes en la atmósfera. Además, la topografía de
un lugar puede ser determinante en los movimientos de las masas de aire que circulan por
puede observarse un esquema en el cual se representa de forma
alizada el flujo de información en un modelo de dispersión: las características
ispersor y al medio receptor se introducen al
modelo; éste, procesa dicha información y predice un perfil de concentraciones en la zona
Información en un Modelo de
29
3.2 Clasificación de los Modelos de Dispersión de Acuerdo al Método de
Dispersión
Los modelos de dispersión pueden clasificarse de acuerdo al método utilizado para llevar a
cabo la simulación; en base a esto, los modelos pueden clasificarse en estadísticos y
determinísticos.
3.2.1 Modelos Estadísticos
Estos modelos se basan en la utilización de datos históricos de meteorología, emisión e
inmisión, para establecer, mediante técnicas estadísticas, la inmisión probablemente
alcanzada para unas condiciones meteorológicas y de emisión dadas [CESGA; S.F.].
Los modelos estadísticos se utilizan para predicciones de corto alcance, con los que se
puede apreciar tendencias en la concentración de contaminantes en el aire. Zanneti y
Tombach (referenciados en González, R; 1993) clasificaron los modelos estadísticos en las
siguientes categorías:
− Distribuciones estadísticas de la concentración
− Análisis de series temporales
− Métodos mixtos determinísticos-estadísticos
− Modelos receptor
Este tipo de modelos requiere de una serie histórica de datos bastante amplia para alcanzar
resultados confiables; además, los requerimientos de cálculo demandan de procesadores de
gran capacidad dedicados a la predicción de las concentraciones de los contaminantes.
3.2.2 Modelos Determinísticos
Este tipo de modelos de difusión estima la concentración en la atmósfera de uno o varios
contaminantes emitidos en ella utilizando una técnica matemática que permite determinar
su evolución espacial y temporal.
30
Los modelos de difusión determinísticos que tienen mayor aplicabilidad son aquellos que
suponen un perfil de concentración de contaminantes que satisface la ecuación de
distribución gaussiana, sin embargo existen otros que utilizan técnicas más complejas para
estimar el transporte y dispersión de los contaminantes y son llamados modelos
lagrangianos y modelos eulerianos [González, R; 1993].
La diferencia principal entre los modelos lagrangianos y eulerianos radica en el sistema de
referencia que utilizan, así, el sistema euleriano tiene un sistema fijo hacia el que hacen
referencia las propiedades del fluido, mientras que el langragiano tiene un sistema móvil
que acompaña a una porción de fluido en su trayectoria.
Los modelos eulerianos se basan en soluciones analíticas o numéricas de la ecuación de
conservación de masa o de la concentración por unidad de volumen “c” de un contaminante
“i” en un determinado instante y lugar tal como se muestra en la Ecuación 3.1 [González,
R.; 1993].
)*+), = −-. .�/ + d. ∇�C/ + R/ + S/ (Ec.3.1)
En la Ecuación 3.1 el símbolo “v” representa la velocidad instantánea del fluido (velocidad
del viento), “d” la difusividad molecular, . el operador gradiente y ∇� el operador
laplaciano, “R” refleja la generación o consumo del contaminante por reacción química y S
la fuente o sumidero del contaminante.
Además de la Ecuación 3.1, el flujo de fluido también cumple con la ecuación de Navier-
Stokes (conservación de la cantidad de movimiento) y la de conservación de la energía. La
resolución del sistema formado por, al menos, estas ecuaciones puede explicar los cambios
experimentados por el vector velocidad, la temperatura del fluido y la concentración del
contaminante, así como el efecto de tales variaciones sobre las demás variables [González,
R.; 1993].
31
Al aplicarse la teoría de transporte de gradiente o teoría K a la Ecuación 3.1 y haciendo las
suposiciones que la difusión molecular es despreciable frente a la turbulenta y que la
atmósfera es incompresible se obtiene la Ecuación 3.2 conocida como la ecuación
semiempírica de la teoría K de la difusión atmosférica.
)*+), = −-5.�/ + .. 6755.�/8 + 9/ + :/ (Ec.3.2)
Por otro lado, los modelos lagrangianos consisten en el análisis del comportamiento de
partículas o porciones de contaminantes gaseosos dentro de un flujo. La mezcla en un flujo
turbulento es simulada por el movimiento de las partículas que constituyen el fluido.
El análisis teórico de la dispersión de un penacho puede estudiarse siguiendo el criterio
estadístico de la difusión de una partícula fluida respecto a un eje fijo. Así, una pluma
puede considerarse como un conjunto de partículas idénticas cuyo desplazamiento medio
determina el comportamiento de la misma [González, R.; 1993].
En la Ecuación 3.3 se presenta la ecuación fundamental de LaGrange de la concentración
media de un contaminante inerte dentro de un fluido turbulento en el que existen fuentes de
emisión, la cual se obtiene al aplicar el análisis lagrangiano al movimiento de un flujo de
contaminantes gaseosos.
�(<,,) = ? @(<,,!<B,,B) ∙ �(<B,,B) DEFG
HG + ? ? @(<,,!<I,,I) ∙ :(<J,,) DEIDK′GHG
,,B (Ec.3.3)
En la Ecuación 3.3 el primer término de la derecha representa la distribución inicial de las
partículas presentes en el instante to y el segundo representa las partículas aportadas por las
fuentes en el intervalo comprendido entre to y t. Al conocerse la concentración inicial C(ro,to)
y las emisiones de las fuentes S(r’,t) la concentración dependerá únicamente de la evaluación
de @(<,,!<B,,B). La forma más empleada para esta función de densidad de probabilidad “p” ha
sido la función gaussiana.
32
3.3 Clasificación de la EPA de los Modelos de Dispersión
La agencia de protección ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha desarrollado una gran
cantidad de modelos de dispersión los cuales han sido clasificado en las siguientes tres
categorías que se representan en la Figura 3.2 [SCRAM (a); 2009]:
− Modelos Preferidos / Recomendados.
− Modelos Alternativos.
− Modelos de Exploración
3.3.1 Modelos Recomendados.
En esta categoría se tienen modelos de dispersión refinados y se encuentran agrupados en el
apéndice W de la Guía de modelos de calidad de aire de la EPA [SCRAM (a); 2009].
Dentro de los modelos más utilizados que se encuentran en esta categoría están: AERMOD,
CALPUFF, OCD, entre otros.
− CALPUFF
Este modelo de dispersión simula las variaciones en el tiempo y en el espacio del
transporte, remoción y transformación de contaminantes; es decir, es un modelo en estado
no – estacionario. CALPUFF puede ser utilizado en una escala de decenas a centenas de
kilómetros.
En el modelo se incluyen algoritmos para evaluar el efecto del terreno, transformaciones
químicas de los contaminantes, deposiciones secas y húmedas, e incluso, efectos en la
visibilidad debido a las concentraciones del material particulado [SCRAM (b); 2009].
33
− OCD
Este modelo de dispersión está diseñado para determinar el impacto de las emisiones de
contaminantes en zonas costeras. OCD incorpora el transporte y dispersión de la pluma
cuando sobrevuela el agua y los cambios que ocurren cuando ésta atraviesa la línea costera
[SCRAM (b); 2009].
− AERMOD
AERMOD es un modelo de dispersión atmosférica basado en la estructura turbulenta de la
capa límite planetaria y conceptos de escalado. Este modelo es muy versátil ya que es capaz
de manejar múltiples opciones en cuanto a las fuentes de emisión: puntual, área y/o
volumen; tipo de terreno modelado: plano o complejo; e incluye un algoritmo para tomar
en cuenta el efecto de los edificios en la dispersión. [SCRAM (b); 2009].
El procesador AERMOD cuenta con dos “pre-procesadores” los cuales generan archivos
que sirven de entrada al mismo; estos pre-procesadores son:
a. AERMET, el cual procesa los datos meteorológicos y su principal objetivo es
calcular parámetros de la capa límite que son utilizados por AERMOD.
b. AERMAP, el cual tiene por objetivo producir un mapa digital de alturas de terreno
compatible con AERMOD.
3.3.2 Modelos Alternativos
Éstos se refieren a modelos no incluidos en la lista del apéndice W de la Guía de modelos
de calidad del aire de la EPA, y que pueden ser aplicados de forma regulatoria siempre y
cuando se tenga una justificación válida.
Existe una gran cantidad de estos modelos y cada uno de ellos hace sus propias
consideraciones respecto al transporte, transformación y/o remoción de los contaminantes
34
en la atmósfera; el más reconocido de estos y que por muchos años fue considerado como
un modelo preferido/ recomendado es el ISC3.
El ISC3 es un modelo en estado estable el cual es utilizado para verificar las
concentraciones de contaminantes que provienen de una gran cantidad de fuentes asociadas
a un complejo industrial. Este modelo incluye deposición seca de contaminantes, fuentes de
área, de línea y de volumen; y algunas características del terreno, entre otras [SCRAM (c);
2009].
3.3.3 Modelos de Exploración
Los modelos de exploración son aplicados usualmente antes de utilizar un modelo de
dispersión refinado (recomendado o alternativo) con el objetivo de determinar si es
necesario el uso del modelo refinado.
Una característica de estos modelos de dispersión exploratorios es que deben producir, con
una menor cantidad de información de entrada, un valor de concentración que sea igual o
mayor al valor que generaría el modelo refinado en ese caso. Esto se debe a que si mediante
el modelo exploratorio se encuentra que las concentraciones obtenidas no sobrepasan el
límite establecido, entonces, se hace innecesario el uso del modelo refinado ya que con este
se obtendrían valores de concentración iguales o menores [SCRAM (d); 2009].
Usualmente, los modelos refinados tienen su propio modelo de exploración asociado, así
por ejemplo, AERMOD tiene un modelo de exploración llamado AERSCREEN;
SCREEN3 es el modelo exploratorio para el ISC3, y así para otros modelos.
AERSCREEN es el modelo exploratorio para AERMOD. Este modelo producirá
estimados de concentraciones sin la necesidad de introducir datos meteorológicos, y está
diseñado para producir concentraciones iguales o mayores que las estimadas por AERMOD
con un conjunto completo de variables meteorológicas y de terreno.
35
Figura 3.2. Clasificación de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) los Modelos
de Dispersión
SCREEN3 es un modelo gaussiano de una sola fuente que provee valores de concentración
máximos a nivel del suelo para fuentes fijas, de área y de volumen. Este modelo
exploratorio es la versión de exploración del ISC3, uno de los modelos alternativos
desarrollados por la US EPA.
Además existen muchos otros modelos de exploración que cuentan con la gran ventaja de
no requerir demasiada información para poder ejecutarse, sin embargo, su principal
desventaja es que no producen valores de concentración confiables, únicamente establecen
un parámetro para determinar si una fuente o un complejo de fuentes provoca que las
concentraciones sobrepasen o no los límites establecidos en las normas correspondientes.
Estas características de los modelos exploratorios no los hacen deseables a la hora de
intentar simular las concentraciones reales que se obtienen en un lugar determinado, es por
ello que en estos casos deben utilizarse modelos refinados que tienen la capacidad de
representar con más confiabilidad el perfil de concentraciones de una zona de aplicación.
CLASIFICACIÓN DE LA EPA
MODELOS RECOMENDADOS /
PREFERIDOS
MODELOS ALTERNATIVOS
MODELOS DE EXPLORACIÓN
36
3.4 Antecedentes en la Implementación de un Modelo de Dispersión
Atmosférica en El Salvador
En el marco del programa de Descontaminación de Áreas Críticas (DAC) del Ministerio de
Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador (MARN) se llevó a cabo un estudio
denominado:”Diagnóstico de la Calidad del Aire, Levantamiento de Fuentes
Contaminantes”, el cual se divide en dos secciones: primero, el inventario de emisiones de
fuentes contaminantes del aire; y segundo, un estudio y diagnóstico de la calidad del aire.
Lo anterior se elaboró para las áreas metropolitanas de San Salvador, San Miguel, Santa
Ana y Sonsonate.
Dentro de la sección de estudio y diagnóstico de la calidad del aire se utilizó un modelo de
dispersión (ISC3) para simular la dispersión del CO, SO2, NOx, PM10, PM2.5 y particulado
total de las ciudades mencionadas. En la simulación se incluyeron todas las fuentes
contaminantes identificadas en el inventario de cada ciudad, por lo que los resultados de
este estudio incluyen factores como tráfico vehicular, emisiones fugitivas tales como las
que se deben a la cocción residencial y comercial y otras que no se incluirán en el presente
estudio ya que únicamente se intenta conocer la dispersión de las emisiones provenientes
de calderas bagaceras.
Sin embargo, en tres de las cuatro ciudades estudiadas en el ”Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes” existen ingenios azucareros por lo que
dentro de la simulación se ha incluido una fuente fija correspondiente a las chimeneas de
las calderas bagaceras. Los resultados de los valores máximos de la modelación para un
periodo de 24 horas se presentan en la Figura 3.3, y en el Anexo A se presentan los mapas
de concentración resultados de esta simulación.
En la Tabla 3.1 se observan los valores de la norma salvadoreña obligatoria de calidad de
aire para partículas totales, PM10 y PM2.5.
Figura 3.3. Valores Máximos M
Aire, Levantamiento de
Tabla 3.1. Valores Máximos Anuales y de 24 H
Tomando en cuenta la información de la
únicamente en el Área Metropolitana de San Salvador se sobrepasa el promedio de 24 horas
de partículas totales suspendidas y de PM2.5; para las otras zonas metropolitanas en estudio
no se sobrepasa el límite con ni
0
50
100
150
200
250
300
350
San SalvadorCo
nce
ntr
ació
n m
áxim
a 2
4 h
ora
s (µ
g/m
3)
37
. Valores Máximos Modelados de PTS, PM10 y PM2.5 en el “Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes” para un período de 24 horas.
. Valores Máximos Anuales y de 24 Horas para PTS, PM10 y PM2.5 S
Salvadoreña de Calidad de Aire.
Contaminante Máximos µg/m3
PTS anual 75
24 horas 260
PM10 anual 50
24 horas 150
PM2.5 anual 15
24 horas 65
Tomando en cuenta la información de la Figura 3.3 y la Tabla 3.1
únicamente en el Área Metropolitana de San Salvador se sobrepasa el promedio de 24 horas
de partículas totales suspendidas y de PM2.5; para las otras zonas metropolitanas en estudio
no se sobrepasa el límite con ninguno de los contaminantes.
San Salvador San Miguel Santa Ana Sonsonate
odelados de PTS, PM10 y PM2.5 en el “Diagnóstico de la Calidad del
odo de 24 horas.
PTS, PM10 y PM2.5 Según la Norma
1 puede observarse que
únicamente en el Área Metropolitana de San Salvador se sobrepasa el promedio de 24 horas
de partículas totales suspendidas y de PM2.5; para las otras zonas metropolitanas en estudio
PTS
PM10
PM2.5
39
CAPÍTULO 4: MODELO MATEMÁTICO DE LA CALDERA
El modelo matemático que se realizará estará basado en el balance de materia y el balance
de energía de la caldera. Además, se tomarán en cuenta relaciones y variables específicas
para ajustar el funcionamiento de la caldera y obtener así una mejor simulación.
4.1 Consideraciones del Modelo
El diagrama general de todo un ingenio azucarero se muestra en la Figura 4.1 en esta
modelación se dará énfasis a la modelación del hogar de la caldera y al domo de vapor,
fijando la cantidad de vapor sobrecalentado que se necesita producir.
Figura 4.1. Diagrama General de un Ingenio Azucarero y de la Producción de Vapor
Para realizar la modelación matemática se tomaron en cuenta las siguientes suposiciones:
− El sistema está en estado estable, no hay acumulaciones ni variaciones con el
tiempo, por lo que se desprecia cualquier dinámica en el sistema.
− La entalpía de los líquidos depende solo de la temperatura
40
− La reacción de combustión se realiza de manera completa, por lo que no hay
monóxido de carbono en los gases de salida, ni bagazo no quemado en el
particulado emitido.
− Se desprecia la cantidad de nitrógeno contenido en el bagazo y se desprecia la
formación de NOx.
− Se asume que el bagazo entrando a la caldera no tiene residuos de azúcar.
− No se toman en cuenta las pérdidas de energía por las purgas de vapor.
− No se toman en cuenta las pérdidas de energía debido al calentamiento de la ceniza
o particulado que poseen los gases de chimenea.
− Se supone que el oxigeno a la salida de la chimenea no cambia cuando no hay
cambio en la proporción aire/bagazo, lo que significa que si esta se mantiene el aire
y el bagazo siempre se quemaran en la misma proporción.
4.2 Cálculo de Variables Específicas
Estas variables específicas son las que definirán a la caldera y para obtenerlas se necesitan
datos previamente obtenidos de operación y de medición de las emisiones de partículas de
la caldera. Para esta modelación se busca ajustar tres parámetros los cuales se describirán a
continuación.
− Relación de la entrada de bagazo con la velocidad de los alimentadores
Esta relación servirá para ajustar en el panel de control estas dos variables y presentar los
resultados de manera muy parecida al panel de control real que se utiliza en la caldera. La
relación encontrada se muestra en la Ecuación 4.1.
M = �� ∗ (N�) + �� (Ec.4.1)
Donde,
ai : pendiente de la regresión lineal para las relaciones
41
bi : intercepto de la regresión lineal para las relaciones
VA: velocidad de los alimentadores de bagazo [%]
B: flujo másico de bagazo alimentado en la caldera [ton/h]
Los datos que se necesitan son valores de cantidad de bagazo quemado y su respectiva
velocidad de los alimentadores en el mismo instante de tiempo. Para este caso se tomarán
solamente cuatro datos que se ajustaran a una línea recta.
− Relación del aire alimentado y la abertura dámper del tiro forzado
Esta relación se utilizará para conocer la cantidad de aire que se alimenta a la caldera
cuando se cambia la abertura del dámper. Para lograr obtener esta ecuación es necesario
saber la cantidad justa de aire que entra a la caldera. Esto se puede lograr obteniendo los
valores de medición de oxigeno en la chimenea y otros datos de operación de la caldera
para que por medio de un balance de materia se encuentre el aire alimentado.
La Ecuación 4.2 representa la forma en se relacionarán estas dos variables:
� = �((O) + �( (Ec.4.2)
Donde,
A: flujo másico de aire alimentado a la caldera [ton/h]
D: abertura en el dámper del tiro forzado [%]
Aunque el balance de masa se presenta más adelante en el capitulo, la Ecuación 4.3 define
la cantidad de aire alimentado a la caldera.
)(22
1*2*2
.2
,,,2,2
AO
BHBOGOGCO
A f
NNNNN
+−+= (Ec.4.3)
Donde,
NA: moles de aire seco alimentado a la caldera
42
Ni,j: moles del compuesto o elemento i en corriente j.
G: flujo másico de gases de chimenea
B: flujo másico de bagazo alimentado [ton/h]
fO2,A: fracción molar del oxigeno en el aire alimentado [0.21]
En la Ecuación 4.3, el dato principal de entrada son los moles de oxigeno en los gases de
chimenea; sin embargo, también se necesita la cantidad de dióxido de carbono que sale, lo
que indica que habrá que realizar iteraciones suponiendo un valor inicial hasta llegar a
obtener la cantidad de aire alimentado a la caldera.
Es importante mencionar que se tienen que obtener por lo menos tres datos, es decir que
hay que variar la cantidad de bagazo alimentado manteniendo fija la proporción aire-bagazo
para obtener valores suficientes y encontrar la regresión lineal entre el aire alimentado y la
abertura del dámper. En cualquier caso, los datos seleccionados deben ajustarse lo más
posible a la linealidad para disminuir al porcentaje de error de la ecuación.
− Cálculo de porcentaje de remoción en el Sistema de Remoción de Partículas (SRP)
Las cenizas que ingresan en el sistema no sufren ningún tipo de cambio, es por eso que el
balance de materia de las cenizas se representa como en la Figura 4.2. En esta figura solo
se representa un flujo de salida de cenizas removidas en todo el sistema ya que es muy
difícil contar con los porcentajes de remoción de cada parte del sistema y es por ello que se
calculará un porcentaje de remoción global.
Figura 4.2. Balance de Cenizas en la Caldera
Caldera Mcen
R
CC
43
El porcentaje de remoción se obtendrá con la Ecuación 4.4:
cen
Ccen
cen M
CM
M
−== R
FRc (Ec.4.4)
Donde,
FRc: fracción de remoción de partículas del sistema
Mcen: flujo de cenizas que entra a la caldera [ton/h]
CC: flujo másico de cenizas que sale en forma de partículas en las chimeneas [ton/h]
R: flujo de cenizas removidas por el Sistema de remoción de partículas [ton/h]
Para obtener esta fracción de remoción es necesario obtener valores de medición de
particulado de la chimenea y así obtener el flujo de partículas que salen por ella. Además,
se necesitan la cantidad promedio de bagazo quemado en el periodo de las mediciones de
particulado.
4.3 Balance de Materia de la Caldera
Para realizar el balance de materia global se tomó todo el sistema de la caldera, desde la
entrada de bagazo hasta la salida de los gases por la chimenea tomando por separado el
domo de vapor. Las entradas y salidas del sistema se esquematizan en la Figura 4.3.
Figura 4.3. Balance de Materia en el Sistema Global de la Caldera
44
Donde,
B: flujo másico de bagazo alimentado a la caldera [ton/h]
A: flujo másico de aire alimentado a la caldera [ton/h]
G: flujo másico de gases de combustión producidos [ton/h]
W: flujo másico de vapor de salida en la chimenea [ton/h]
CC: flujo másico de partículas por la chimenea (PTS) [ton/h]
R: flujo de cenizas removidas por el Sistema de remoción de partículas [ton/h]
Ni,j= moles de la especie “i” en la corriente “j”
Mcen= flujo másico de ceniza del bagazo [ton/h]
A continuación se muestran los balances de materia necesarios para definir el sistema,
− Balance Total
P + Q − R − S − �* − 9 = 0 (Ec.4.5)
− Balance de Carbono
U*,V − U*W�,X = � (Ec.4.6)
− Balance de Hidrogeno
UY,V + 2 ∗ UY�W,V + 2 ∗ UY�W,[ − 2 ∗ S = 0 (Ec.4.7)
− Balance de Oxigeno
UW,V + UY�W,V + 2 ∗ UW�,[ + UY�W,[ − UY�W,\ − 2 ∗ U*W�,X − 2 ∗ UW�,X = 0 (Ec.4.8)
− Balance de Nitrógeno
2 ∗ U]�,[ − 2 ∗ U]�,X = 0 (Ec.4.9)
− Balance de Cenizas
_̂`a = 9 + � (Ec.4.10)
45
− Remoción de Cenizas
RcFBR *= (Ec.4.11)
Al hacer el conteo de ecuaciones e incógnitas para obtener los grados de libertad da como
resultado: 18 variables, 7 incógnitas y por lo tanto, 11 grados de libertad.
Al conocer la composición del bagazo y su flujo de entrada se pueden conocer todas las
variables que aporta este flujo. Además, al conocer la variable específica del aire de
alimentación para esta caldera y la proporción aire/bagazo, se pueden conocer todos los
flujos de entrada. Estos datos suman en total 10 de los 11 valores.
El último dato es el FRc que es obtenido anteriormente en el cálculo del porcentaje de
remoción de cenizas de la caldera.
− Reacción de Combustión
La reacción general de la combustión se muestra a continuación, donde todos los valores
incógnitas en la ecuación dependerán de la composición química del bagazo
OHy CO zO x OHC 222cba +→+ (Ec.4.12)
Al conocer los porcentajes de cada elemento en el combustible se pueden conocer los
subíndices de la formula empírica de la ecuación anterior con lo cual se puede balancear la
ecuación, permitiendo conocer de esta forma los moles de oxigeno necesarios para la
combustión completa. Luego se puede obtener el aire en exceso que se está introduciendo a
la caldera.
46
4.4 Balance de Energía en la Caldera
El diagrama del balance de energía se presenta en la Figura 4.4. El flujo de salida solo está
compuesto por los gases de combustión y por el vapor que salen de la chimenea, por lo que
todos llegan a una temperatura final (Tf).
Figura 4.4. Balance de Energía en la Caldera
La Ecuación 4.13 representa el balance de energía:
QrHGHwWQHAHB GFAB ++=++ **** (Ec.4.13)
Donde,
HB: entalpia del bagazo de entrada [J/gmol]
HA: entalpia del aire de entrada [J/gmol]
HG: entalpia de los gases de chimenea [J/gmol]
HW: entalpia del agua de salida en la chimenea [J/gmol]
QF: calor total liberado por el combustible en la reacción (en base al PCS) [J]
Qr: calor irradiado hacia los tubos y el domo de vapor [J]
B HB To
Qr
G, W HG, HW
Tf
A, HA, TA
47
Para calcular las entalpías de cada compuesto se ocupará la Ecuación 4.14:
dTCpl∫=ih (Ec.4.14)
Donde el Cp (capacidad calorífica de una sustancia) es una función de la temperatura y que
puede ser expresado por distintos ajustes. En este caso se utilizará el presentado por
Himmelblau [1997]:
32 T*d+T*cT*b+a +=Cp (Ec.4.15)
Y que integrando ambos lados de la Ecuación 4.15 queda de la siguiente forma:
)Tgo-d(Tf*1/4+)Tgo-c(Tf*1/3+)Tgo-b(Tf*1/2+Tgo)-a(TfdTCp 443322Tf
To
l =∫ (Ec.4.16)
Donde,
a,b,c,d: constantes de la ecuación de la capacidad calorífica
Tf: temperatura final de los gases de chimenea [ºC]
Tgo: temperatura inicial del gas [ºC]
Esta temperatura inicial depende del gas que sea, ya que para los procedentes de la reacción
de combustión esa temperatura es de cero grados, mientras que para otros, depende de la
temperatura de entrada.
Las constantes de Ecuación 4.16 se muestran la Tabla 4.1, para los gases que se utilizarán
en la caldera.
48
Tabla 4.1. Coeficientes para la Ecuación de Capacidad Calorífica
[Himmelblau, 1997]
Gases de Chimenea
a b*102 c*105 d*109
CO2 36.11 4.2330 -2.887 7.464
O2 29.1 1.1580 -0.608 1.311
N2 29 0.2199 0.572 -2.871
H2O (g) 33.46 0.6880 0.760 -3.593
H2O (l) [T=K] 18.2964 4.2330 -2.887 7.464
Rango de Temperaturas (1-1500 K), Cp [J/(gmol (K o C)] y T[°C].
También se necesita conocer la entalpía de vaporización del agua. Esta entalpía se calcula
con la Ecuación 4.17 [Smith, J.M; et. al, 1997].
38.0
38.0
1
1
9.2256 1
1
−
−
=∆⇒
−−
∆∆
c
n
c
vap
Tvaprn
rvap
Tn
vapT
T
T
T
T
HT
T
H
H (Ec.4.17)
Donde,
Tvap: temperatura de vaporización del agua
∆HTn: calor latente de vaporización normal (2256.9 KJ / Kg)
Tn: temperatura normal (373.15 K)
Tc: temperatura critica (647.1 K)
∆Hvap: calor latente de vaporización a la temperatura T. [KJ/kg], T [K]
Se debe tener presente que el flujo de vapor por la chimenea está compuesto por tres flujos
de agua: el producido, el contenido en el bagazo y el contenido en el aire. Los primeros dos
sufren una vaporización y calentamiento con la Ecuación 4.18:
∫+∆=∆Tf
Tvap
vvap dTCpHhv
(Ec.4.18)
49
Donde,
hv∆ : Cambio de entalpia del agua líquida a vapor sobrecalentado
Tf: temperatura final
Tvap: temperatura de vaporización
Mientras tanto, el agua que es contenida en el aire alimentado a la caldera no cuenta con el
primer termino de la ecuación anterior ya que el agua del aire se encuentra ya vaporizado.
4.5 Cálculo del Calor Irradiado
El calor irradiado, como se vio anteriormente puede ser calculado por la ecuación de Orrok-
Hudson. La ecuación ya adaptada se presenta en la Ecuación 4.19.
271
27*''
'2
2
1111
2Cr
G
CrGee
Q
Qre
A
A
F +
+==
(Ec.4.19)
Donde los valores específicos de la caldera (Cr1 y Cr2) se encuentran con las Ecuaciones
4.20 y 4.21.
1
212 *
F
F
Q
QCrCr = (Ec.4.20)
2
11
11 *'
'1*27
−=
AGe
eCr (Ec.4.21)
Donde,
e': eficiencia que representa el factor de calor irradiado
50
GA: flujo másico de aire alimentado por unidad de peso de combustible alimentado
Los valores con subíndice uno representan el estado estándar de funcionamiento de la
caldera y el cual servirá de base para calcular cualquier cambio de alimentación de
combustible y de aire atmosférico, que se representan con el subíndice 2.
Debido a que en este caso sí se supondrá un flujo de purga del domo de vapor, el calor
irradiado no se utilizará todo para producir el vapor vivo y la eficiencia (e’) no será la
misma que la eficiencia estudiada anteriormente.
Es de mucha importancia mencionar que la ecuación de Orrok-Hudson puede determinar el
cambio de eficiencia cuando se aumenta el flujo de aire de alimentación, pero no se podrá
evaluar la disminución de exceso de aire en la caldera y se deberá asumir un porcentaje de
exceso óptimo o mínimo para evaluar las condiciones del modelo.
4.6 Balances en el Domo de Vapor
En la Figura 4.5 se representan los flujos de entrada y salida del domo de vapor, en el cual
se produce el vapor sobrecalentado.
Figura 4.5. Flujos de Entrada y Salida del Domo de Vapor
F A TA
Fp
T
M v Tv
Pv
Q r
51
El balance de materia del sistema en estado estable se define de la siguiente forma:
0=−− PVA FMF (Ec.4.22)
Mientras que el balance de energía queda de la siguiente forma:
0=−−+ PPVVFA HFHMHFQrA
(Ec.4.23)
Donde:
FA: flujo volumétrico de agua de entrada [gmol/h]
Mv: flujo másico de vapor [gmol/h]
Fp: flujo volumétrico de agua de purga [gmol/h]
TA: temperatura en el flujo Alimentación [ºC]
Tv: temperatura de sobrecalentamiento del domo [ºC]
Pv: presión dentro del domo [psi]
Qr: calor entregado al sistema (calor irradiado) [J]
Hv: entalpia del vapor generado [J/gmol]
HP: entalpía del agua de purga [J/gmol]
HFA: entalpia del agua de entrada [J/gmol]
La entalpia del vapor se calcula con las ecuaciones ya antes mencionadas, mientras que la
entalpia del agua de purga (liquido saturado) se calcula con la misma fórmula de la
capacidad calorífica (Ecuación 4.15) y con las constantes presentadas en la Tabla 4.1.
Además, para conocer la temperatura del domo a partir de la presión del domo se utiliza la
ecuación de Antoine [Perry; 2008], esta se define así:
43.375
145.0ln2620.16
802.6839 −
−=
VV P
T (Ec.4.23)
52
A partir de estas ecuaciones se puede determinar que a medida que aumenta el flujo de
purga, la eficiencia de la caldera disminuye, manteniéndose constante el calor irradiado Qr.
La eficiencia de la caldera, ya sea en la base del PCS o el PCI, se representa con la
siguiente Ecuación 4.24:
PCm
Hvm
Q
Qe
B
v
T
V
*
* ∆== (Ec.4.24)
4.7 Análisis de Resolución de Todo el Sistema
Analizando todo el sistema y los grados de libertad, se puede notar que los valores de
entrada que deberá recibir el programa informático que se elaborará con todos los cálculos
anteriores serán:
− Vapor generado
− Composición del bagazo alimentado (5 datos)
− Relación aire bagazo
− Poder calorífico superior
− Flujo de purga del domo de vapor
− Datos para calcular las variables específicas
− Eficiencia base de la caldera a alimentación óptima de aire
A partir de la eficiencia inicial y del poder calorífico del combustible se puede obtener la
cantidad de bagazo alimentado a la caldera, por ende también se conocería el aire ingresado
(por medio de la relación aire-bagazo) y se podría realizar el balance de masa global. Sin
embargo, y como se puede notar, la eficiencia inicial cambiaría con la ecuación de Orrok-
Hudson y se tendría que volver a evaluar para encontrar otra cantidad de bagazo, y así de
esta forma se iteraría hasta que el valor anterior con el valor nuevo calculado no varíen
demasiado.
53
Posteriormente se obtienen los resultados finales de la simulación que interesan para la
simulación de la dispersión de particulado. Estos resultados son los siguientes:
− Flujo de PTS (g/s)
− Flujo de gases (m3/s)
− Temperatura de la chimenea
Por último, se presentan resultados en base a la emisión de PM10 o PM2.5, introduciendo
de datos las proporciones, en función de las PTS presentadas en el AP-42 Sección 1.8 de la
EPA.
55
CAPÍTULO 5: DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE DISPERSIÓN DE
CONTAMINANTES
El modelo elegido para llevar a cabo la simulación de la dispersión del material particulado
es AERMOD por considerarse un modelo refinado que predice con un aceptable grado de
confiabilidad la concentraciones de los contaminantes modelados; además, AERMOD es
considerado como el modelo en estado estacionario recomendado por la Agencia de
Protección Ambiental de Estados Unidos para el cálculo de concentraciones provenientes
de fuentes industriales.
AERMOD fue elaborado por un grupo de trabajo conjunto entre la Sociedad Americana de
Meteorología (AMS, por sus siglas en inglés) y la Agencia de Protección Ambiental de los
Estados Unidos (EPA) con el objetivo de proporcionar un modelo refinado como
sustitución del ISC, el cual tendía a sobreestimar el impacto local de los contaminantes
El modelo de dispersión AERMOD incluye los conceptos de la Capa Límite Planetaria, la
cual se refiere a la capa turbulenta de aire que se encuentra a continuación de la superficie
terrestre por lo que es determinante en la dispersión de los contaminantes. El sistema de
modelado consiste de un programa principal AERMOD y dos pre-procesadores AERMET
y AERMAP [EPA, 2004].
5.1 Generalidades
AERMOD es un modelo de pluma en estado estacionario. Algunas de las consideraciones
importantes que el modelo asume son las siguientes [EPA; 2004]:
− En la capa límite estable, asume que la distribución de la concentración es
Gaussiana tanto en la parte horizontal como en la vertical;
56
− En la capa límite convectiva se asume que la distribución horizontal es de tipo
Gaussiana, pero la distribución vertical se describe mediante la función de densidad
de probabilidad bi-Gaussiana.
− En la capa límite convectiva, AERMOD trata el “ascenso de la pluma”, en donde,
una porción de masa de la pluma es emitida desde una fuente bouyante, se eleva y
se mantiene cerca de la parte más alta de la capa límite antes de mezclarse en la
capa límite convectiva.
En cuanto al tratamiento de la información del medio dispersor, AERMOD construye
perfiles verticales de las variables meteorológicas requeridas basados en medidas y
extrapolación de esas medidas usando relaciones de similaridad.
En el pre-procesador de variables meteorológicas AERMET se introducen tanto variables
clásicas de observaciones meteorológicas (tales como velocidad y dirección de viento,
temperatura, cobertura de nube, entre otras) como variables características del sitio de
aplicación del modelo (tal es el caso de albedo, rugosidad de la superficie y coeficiente de
Bowen). Con estas variables de entrada, AERMET calcula parámetros de la Capa Límite
Planetaria tales como velocidad friccional, longitud de Monin-Obukhov, altura de mezcla y
otros que luego, por medio de relaciones de similaridad son usados para calcular los
perfiles verticales utilizados por el modelo [EPA, 2004].
5.2 Modelo Gausiano de Dispersión
El modelo de dispersión gaussiano parte de que la pluma se eleva desde la salida de la
chimenea y luego se nivela para viajar en la dirección del viento “x” y se dispersa en las
direcciones “y” y “z” a medida que se desplaza. Además supone que se está tratando de una
fuente puntual ubicada en (0,0,H) que emite en forma estacionaria un contaminante no
sujeto a la fuerza de empuje ascendente, con una tasa de emisión determinada y que el
viento sopla con una velocidad “u” la cual es independiente del tiempo, lugar o elevación
57
[Álvarez, et al; 2005]. . En la Figura 5.1 se observa una representación gráfica de la
columna gaussiana de dispersión.
La ecuación de la columna de humo gaussiana se deduce a partir de un balance de materia
aplicado a una porción de masa contenida en la columna y bajo ciertas suposiciones [Véase
Wark y Warner; 2001] puede demostrarse que la ecuación para una dispersión
bidimensional es:
�(b, c, d) = 7bH�eb@ �− fghij + kh
ilm nop� (Ec. 5.1)
En donde C(x,y,z) es la concentración en el punto con coordenadas x,y,z; Ky y Kz son los
coeficientes de dispersión en la dirección “y” y “x” respectivamente y “u” la velocidad del
viento .
Figura 5.1. Representación Esquemática del Modelo de la Pluma de Dispersión Gaussiana.
[Benavides, H; 2003]
5.3 Cálculo de las Concentraciones en AERMOD
AERMOD modela una pluma como una combinación de dos casos límite: una pluma
horizontal y una pluma que responde a los efectos del terreno. Cuando se está trabajando
con un terreno plano, ambos estados son iguales, sin embargo, cuando se trabaja con
58
terreno elevado, la concentración se calcula como el promedio ponderado de los dos casos
límite descritos. [EPA; 2004]. En la Ecuación 5.2 se presenta la forma general de cálculo de
la concentración en AERMOD.
�q(b<c<d<) = r. �_,s(b<c<d<)+(1 − r)�_,s6b<c<du8 (Ec.5.2)
En donde �q(b<c<d<) es la concentración total, �_,s(b<c<d<) es la contribución de la pluma
horizontal, �_,s6b<c<du8 es la contribución de la pluma que responde a los efectos del
terreno, f es la llamada función de peso de la pluma, 6b< , c<,d<8, son las coordenadas de un
receptor (siendo zr = 0 en la base de la chimenea), zp=zr - zt es la altura de un receptor sobre
el nivel del suelo y zt es la altura del terreno en el punto en que se ubica un receptor. Si el
terreno es plano, zt=0 y zp=zr por lo que ambos casos serían equivalentes. En la Figura 5.2
se muestra una pluma real y los dos casos extremos que AERMOD considera para calcular
como un promedio ponderado de estos dos casos el valor de concentración en un receptor
determinado.
Figura 5.2. Representación de una Pluma Real y de los Dos Casos Extremos que AERMOD Considera
para Calcular la Concentración en un Receptor Determinado.
59
La expresión que se utiliza para calcular cada uno de los términos de la Ecuación 5.2 puede
escribirse de la siguiente manera [EPA; 2004]:
�(b, c, d) = vn wg(c; b)wk(d; b) (Ec.5.3)
En donde Q es la tasa de emisión de la fuente, u es la velocidad de viento efectiva y Py y Pz
son funciones de densidad de probabilidad que describen respectivamente a la dispersión
lateral y vertical AERMOD asume estas distribuciones probabilísticas como Gaussianas
para la capa límite estable y para la distribución lateral de la capa límite convectiva.
AERMOD simula cinco diferentes tipos de plumas dependiendo de las condiciones de
estabilidad atmosférica y de su ubicación dentro o por encima de la capa límite. Cada uno
de estos tipos de pluma tiene sus peculiaridades en las consideraciones que se hacen
respecto al cálculo de diferentes variables que se utilizan en el modelo [EPA; 2004].
61
CAPÍTULO 6: METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DE UN MO DELO DE
DISPERSIÓN A LAS EMISIONES PROVENIENTES DE CALDERAS
BAGACERAS
La aplicación del modelo de dispersión a las emisiones generadas en una caldera bagacera
conlleva al cumplimiento de dos objetivos:
1. La estimación de las emisiones generadas por una caldera bagacera.
2. La aplicación misma del modelo con las condiciones de emisión calculadas.
Para la estimación de las emisiones generadas en una caldera bagacera se ha elaborado un
programa informático en LabView, el cual a partir de la solución de los balances de materia
y energía en una caldera típica que utiliza bagazo como combustible produce los resultados
de las emisiones que deben introducirse al modelo de dispersión.
En cuanto a la aplicación de los resultados del estimador de emisiones a la dispersión de
éstas, se utilizó el programa ISC-AERMOD View el cual es una interfaz gráfica
desarrollada por la compañía Lakes Environmental para el simulador AERMOD.
6.1 Metodología del Desarrollo del Programa de Estimación de Emisiones
Para la fácil simulación y evaluación de las emisiones de material particulado se elaboró un
Programa de Estimación de Emisiones en Calderas (PEEC), para el cual se utilizó el
software computacional “LabVIEWTM” versión 8.0, desarrollado por la “National
Instrument Corporation”.
LabVIEW™ posee un ambiente de desarrollo gráfico con funciones integradas que
permiten al usuario un medio de programación mucho más moderno que otros software de
programación. Además, otra verdadera ventaja del programa es la interfaz gráfica que
posee, ya que es bastante amigable y muy fácil de utilizar.
62
El primer paso para la realización del PEEC consistió en realizar la modelación del sistema
de calderas (Capítulo 4), por medio de las ecuaciones del balance de materia, balance de
energía y otras ecuaciones especificas para cada caldera.
Luego, estas ecuaciones se expresaron en diagramas de flujo y se dibujaron en el lenguaje
de LabVIEW, dejando libres todos los datos de entrada y todos los valores que definen el
compartimiento de una caldera para la obtención de nuevos resultados de emisiones de
particulado al cambiar datos de operación.
− Descripción del Programa
El programa está diseñado para la simulación de una caldera bagacera cualquiera, de tal
forma que se puedan adaptar los valores específicos de operación de las calderas bagaceras
a este programa.
En el programa hay dos paneles de control principales, el primero, “Simulación de
Emisiones de la Caldera” y el segundo, que sirve para la estimación directa de las
emisiones de particulado utilizando datos de operación de una caldera, se llama
“Calculador de Emisiones de la Caldera”.
Este último panel será útil solo cuando se posean todos los datos necesarios, ya que sin
ellos no se pueden hacer cambios en los datos de operación.
a. Simulación de las Emisiones de la Caldera
Esta simulación está basada en la modelación matemática del Capítulo 4. El programa se
utiliza para que, a partir de los datos por defecto, se puedan hacer modificaciones de
cualquier tipo en los datos de entrada de la caldera y evaluar el cambio en las emisiones de
particulado.
63
− Datos de entrada
Los valores de entrada son los que permitirán controlar las variables del programa para
conocer estimaciones de particulado y de gases en cualquier momento. Los valores de
entrada están divididos en tres secciones: Datos de Operación, Temperaturas, Datos del
bagazo y otros datos que no se clasifican de la forma anterior.
− Resultados
Los resultados principales son los resultados que se ocuparán para la Modelación de la
dispersión de la calidad del aire, como lo son el flujo de partículas y flujo de gases. Sin
embargo, se presentarán otros resultados que pueden ser de interés para el que utiliza el
programa. Ejemplos de estos resultados son la eficiencia de la caldera, aire en exceso y
bagazo alimentado, entre otros.
− Cálculo de las variables específicas de las calderas
Estas variables ayudarán a definir o ajustar la operación de la caldera, ya que ninguna tiene
un funcionamiento idéntico. De esta forma se asegura que el programa pueda ser genérico
para la mayoría de calderas bagaceras o calderas cuyos combustibles sean sólidos. A
continuación se describirán brevemente estas variables.
1. Relación bagazo alimentado y velocidad de los alimentadores
Como se explicó anteriormente, para obtener esta relación solo se necesitan valores de
bagazo alimentado contra la velocidad de los alimentadores. Estos datos se pueden
modificar en el programa de tal forma que si existe algún cambio en el funcionamiento de
los alimentadores se puede volver a recalcular esta ecuación.
64
2. Cálculo del porcentaje de remoción de cenizas
En el programa aparecerán los valores de entrada para tener la posibilidad de volver a
calcular esta remoción; por lo que, de manera muy sencilla, se podrá conocer el porcentaje
de remoción de cenizas del sistema cada vez que se hagan mediciones de particulado en la
chimenea.
3. Cálculo de la relación de la abertura del dámper con el aire alimentado
La ventaja de poder tener acceso a modificar esta ecuación es que se podrán cambiar los
valores de oxigeno de salida por la chimenea y obtener nuevos valores de entrada de aire en
base al porcentaje de abertura del dámper.
De igual forma que las otras dos variables específicas, se tiene que ser coherente con los
datos colocados, es decir, que los promedios de esos datos correspondan al día y las horas
de medición de gases y partículas, para poder relacionar de manera más real el sistema.
b. Calculador Emisiones de la Caldera
Esta parte del programa tiene las mismas secciones que el Simulador de Emisiones de la
Caldera, por lo que no se explicarán ya que el funcionamiento es prácticamente el mismo.
El algoritmo de este programa también está basado en la modelación del Capítulo 4,
solamente que no posee balances de energía ni cálculos del calor radiante (por ende, no
simula cambios en la eficiencia de la caldera)
Se recomienda que se use esta sección para ver los cambios en los resultados sólo cuando
se posean todos los datos de entrada requeridos.
En la Figura 6.1 se presenta una imagen del PEEC. En esta figura se observa el panel de
ingreso de variables de entrada para la sección de la Simulación de Emisiones de la
65
Caldera, también se pueden ver las demás viñetas, las cuales al seleccionarlas llevan al
usuario al panel de control.
Una explicación más detallada del uso PEEC se muestra en el Anexo B de este trabajo, en
el cual se describirá cada una de las partes del programa y cómo utilizarlo correctamente.
Figura 6.1. Imagen de Presentación del Programa de Estimación de Emisiones de la Caldera
6.2 Metodología de la Aplicación del Modelo de Dispersión con AERMOD
Para llevar a cabo la simulación de la dispersión se consideró la situación que se describe a
continuación y que se define como “modelo base”. El modelo base consiste en un Ingenio
Azucarero que cuenta con una sola caldera bagacera equipada con un lavador húmedo de
gases (scrubber), y cuyos productos de combustión, entre los cuales se tiene material
particulado total (PTS), material particulado con diámetro menor a 10 micras (PM10) y
66
material particulado con diámetro menor a 2.5 micras (PM2.5), se expulsan a través de una
chimenea de 35 metros de alto. Los límites del modelo se establecen en una superficie
cuadrada plana de un kilómetro de largo en cuyo centro se encuentra la fuente fija.
Se calculó la concentración en cada uno de los 441 receptores de una grilla cartesiana que
cubre la extensión de los límites del modelo produciéndose como resultado un mapa de
concentraciones que representa a la dispersión del contaminante. Además, se ubicaron ocho
receptores discretos adicionales para evaluar las concentraciones puntuales de éstos; la
ubicación de estos receptores discretos se estableció de forma que hubiera una separación
radial de 45º entre cada uno de ellos. La distribución de los ocho receptores se hizo de la
siguiente manera:
− 1 receptor a una distancia de 200 metros respecto de la chimenea en cada uno de los
cuatro puntos cardinales (Total de 4 receptores)
− 4 receptores a una distancia de 300 metros respecto de la fuente ubicados al noreste,
noroeste, sureste y suroeste de ésta.
Las características de la fuente emisora se han obtenido a partir del Estimador de Emisiones
que se elaboró en LabView y cuya metodología de desarrollo fue descrita en la sección
anterior. Los valores de entrada al Estimador de Emisiones se detallan en la Tabla 6.1.
Los valores que se obtienen en el Estimador de Emisiones y que se utilizaron para definir a
la fuente fija son:
− Tasa de emisión del contaminante (PTS, PM10 o PM2.5);
− Temperatura de salida de los gases de chimenea; y,
− Flujo de los gases de chimenea;
− Además se debe definir el diámetro interior de la fuente fija, el cual en el modelo
base se fijó en 2.98.
67
Tabla 6.1. Valores de Entrada al Estimador de Emisiones para Modelo Base.
Variable Valor Variable Valor
Relación
aire/bagazo 0.8
% Carbono en
bagazo seco sin
ceniza
48.2%
Vapor generado 327 Klb/h
% Hidrógeno en
bagazo seco sin
ceniza
6.7%
Poder calorífico 3886 cal/g
% Oxígeno en
bagazo seco sin
ceniza
45.1%
Humedad del aire 0.0185 lbH2O/lb as Temperatura vapor 909ºF
Temperatura del
aire 98.3ºF
Temperatura agua
alimentada 280.8ºF
% ceniza en bagazo 4.2% Fracción
PM10/PTS 97.14%
% humedad en
bagazo 49%
Fracción
PM2.5/PTS 44.29%
Los datos meteorológicos que se establecen en el modelo base pueden consultarse en el
ANEXO B y se obtuvieron de una estación meteorológica propiedad del Servicio Nacional
de Estudios Territoriales (SNET) entre los días 16 al 28 de mayo del año 2009.
Para el procesamiento de los datos meteorológicos se introdujeron los datos del ANEXO B
convertidos en un formato SAMSON al preprocesador de datos meteorológicos llamado
AERMET que se encarga de generar dos archivos con información de superficie y del perfil
vertical de variables meteorológicas que sirven de entrada a AERMOD.
Los datos provenientes de radiosondeos necesarios en el preprocesador AERMET se han
calculado con el estimador que incluye el software AERMET View (el cual es un
68
complemento del ISC-AERMOD View) debido a que no se pudo contar con información
de este tipo para El Salvador. Además, se consideraron valores de Albedo, Fracción de
Bowen y rugosidad de la superficie de 0.28, 0.75 y 0.0725 respectivamente los cuales
corresponden a una superficie de terreno cultivada.
6.3 Metodología para la Evaluación de la Influencia de Distintas Variables en
la Dispersión de los Contaminantes
Para evaluar la influencia de algunas variables en la dispersión de los contaminantes se
introdujeron cambios en las mismas y se observó cómo respondieron los valores de
concentración de los ocho receptores discretos que se establecieron en el modelo.
Las variables que se evaluaron pueden ser clasificadas en tres tipos:
− Variables de operación de la caldera, las cuales hacen referencia a los datos que se
ingresan al Estimador de Emisiones y que tienen un efecto sobre las características
de la fuente fija estudiada;
− Variables del modelo, las cuales hacen referencia a parámetros que se establecen en
el modelado como son la adición de otras fuentes contaminantes, presencia de
edificaciones que interfieran en la dispersión, influencia del terreno, etc.
− Otras Variables, en este grupo se incluyen variables que no se encuentran dentro de
las categorías anteriores pero que pueden influir en el cálculo de las emisiones
En la Tabla 6.2 se muestran las variables a las que se les evaluará su influencia en la
dispersión a través de la comparación con los receptores discretos del modelo base.
Las variaciones que se llevarán a cabo para evaluar el efecto de cada una de las variables
mencionadas en la Tabla 6.2 se describen a continuación.
69
Tabla 6.2. Variables a Evaluar su Influencia en la Dispersión de los Contaminantes.
Variables a Evaluar
Variables de Operación de la
Caldera Variables del Modelo
Otras Variables
Relación aire/bagazo Terreno Altura de la chimenea
Poder calorífico del bagazo Edificaciones
circundantes
Proporciones PTS/PM10 y
PTS/PM2.5
Temperatura de agua de
alimentación
Inclusión de fuente de
línea
% de ceniza en bagazo
6.3.1 Cambios en las Variables de Operación de la Caldera
− Humedad del Bagazo
La cantidad de humedad que tiene el bagazo puede manejarse si éste pasa por un proceso de
secado antes de ingresar al hogar de la caldera. Se consideró una variación en la humedad
del bagazo con un valor de 44% y 53% (valores mínimo y máximo de humedad
presentados por Hugot [1964]) y se corrió el modelo para observar los cambios producidos
en las emisiones y concentraciones de los receptores.
− Relación Aire/Bagazo
La relación aire/bagazo es la que determina el porcentaje de exceso de aire que se esté
utilizando para llevar a cabo la reacción de combustión. Éste valor influye en la emisión
del material particulado (y se evaluó como influye el cambio en la relación aire/bagazo);
esta relación se cambió del 0.8 utilizado en el modelo base a un valor inferior de 0.7 y uno
superior de 0.9.
70
− Temperatura del Agua de Alimentación
Una temperatura del agua de alimentación alta proporciona un aumento en la eficiencia de
la caldera ya que se reduce la brecha entre el estado energético del producto (vapor) y de la
entrada (agua). Se evaluó cuál es el impacto que puede tener dicha variable sobre la
concentración al colocar un valor inferior al del modelo base de 150ºF y otro superior que
fue de 400ºF.
− Purga
En el modelo de la caldera se incluye una purga de agua del domo, la cual para el modelo
base es igual a cero, pero se evalúa cuando ésta tiene valores de 10 ton/h y 30 ton/h para
observar el efecto que esto tiene sobre las emisiones y la dispersión de éstas.
6.3.2 Cambios en las Variables del Modelo
− Terreno
La variable de terreno sólo tiene dos posibles opciones: terreno plano o terreno elevado; es
por ello que el cambio que se llevó a cabo respecto del modelo base es incluir en el modelo
el archivo de elevación digital que permite a AERMOD diferenciar entre las alturas de los
receptores.
El terreno importado consiste de un cuadrado de 1600 metros de ancho por 1500 metros de
largo que encierra a los límites del modelo. Se utilizó un archivo de elevación digital en
formato GOTOPO30 para realizar este cambio.
− Edificaciones Circundantes
En el modelo base no se cuenta con edificaciones circundantes que interfieran en la
dispersión de los contaminantes, sin embargo, para evaluar qué tanto puede afectar esta
71
variable a la concentración de los receptores discretos se simuló la presencia de un
complejo de edificios que se colocó en la dirección predominante del viento para evaluar
cómo la altura del edificio puede influir en la dispersión, se realizaron dos simulaciones
para cada uno de los contaminantes estudiados (PTS, PM10 y PM2.5) con altura de edificio
distinta: la primera para 20 metros y la segunda 50 metros.
− Inclusión de Fuentes de Línea
Dado que en un Ingenio Azucarero existe un alto flujo vehicular de rastras que llevan la
caña que debe ser procesada y que transitan sobre caminos no pavimentados, estos caminos
emiten cierta cantidad de material particulado debido a la erosión que ejercen los vehículos
de carga por lo que es posible que este factor influya en los resultados de las
concentraciones.
Se evaluó el efecto del flujo vehicular de una fuente de línea hipotética en la emisión de
PTS, PM10 y PM2.5.; para ello se supuso una fuente de línea ubicada al norte de la fuente
fija del modelo y se evaluó cuando la emisión de PTS de ésta era de 0.2 g/s y de 0.05g/s.
Para la fuente de línea la proporción de PM10/PTS fue de 0.359 y la de PM2.5/PTS de
0.168, las cuales fueron tomadas del “Diagnóstico de la Calidad del Aire. Levantamiento de
Fuentes Fijas”[MARN, 2003]
6.3.3 Cambios en Otras Variables
− Altura de la Chimenea
Se evaluó la influencia que tiene la altura de la chimenea en el cálculo de las
concentraciones sobre los receptores discretos que tiene el modelo base. Se calcularon las
concentraciones cuando la altura de la chimenea se modifica de 35metros (altura en el
modelo base) a 20 metros y a 50 metros.
72
− Proporción PTS/PM10 y PTS/PM2.5
Las proporciones de PTS a PM10 y PM2.5 se establecieron en el Estimador de Emisiones
en base a los factores de emisión proporcionados por la EPA para calderas bagaceras
equipadas con lavadores de gases húmedos. La proporción de PM10/PTS se cambió de
97.14% a 80% y 99% y la proporción de PM2.5/PTS se cambió de 44.29% a 30% y 60%.
Como se dijo anteriormente las proporciones de PM10/PTS y PM2.5/PTS usados en el
modelo base son los que presenta la EPA para cuando el combustible usado es bagazo de
caña de azúcar por lo que se toman valores menores y mayores arbitrarios para verificar su
influencia en la dispersión de material particulado.
− Porcentaje de Ceniza en Bagazo
El porcentaje de ceniza en el bagazo influye en las emisiones resultantes de PTS, PM10 y
PM2.5 y se evaluó cómo ésta variable influye en las concentraciones de los receptores
seleccionados al cambiar el valor del modelo base a un 2% y un 5%. Siendo estos valores
entre los cuales se mantiene el porcentaje en composición de ceniza en el bagazo.
− Poder Calorífico del Bagazo
El poder calorífico del bagazo que se esté quemando determina las cantidades que se
requieren de éste para cumplir con la demanda de vapor establecida. Se evaluó como afecta
esta propiedad del combustible a las concentraciones de PTS, PM10 y PM2.5 utilizando un
valor de poder calorífico de 3800 cal/g y de 4600 cal/g. Estos valores se escogieron
arbitrariamente en base a datos bibliográficos y experimentales de mínimos y máximos de
poder calorífico de bagazo
73
CAPÍTULO 7: RESULTADOS Y ANÁLISIS
Los resultados de las estimaciones del material particulado a través del programa en
LabView y las simulaciones de la dispersión de éste se presentan clasificados por el tipo de
variable analizada, es decir, si es una variable de operación de la caldera, si es una variable
del modelo o ninguna de las anteriores categorías. En esta sección se presentan únicamente
los valores de los receptores discretos y en el ANEXO D pueden observarse los mapas de
concentración para cada caso. Cabe mencionar que los resultados de las concentraciones
son las que se tendrán para un período de 24 horas.
Las concentraciones de los receptores discretos resultados de la simulación de la dispersión
del material particulado para el que se ha definido como modelo base se presentan en la
Tabla 7.1. Estos son los resultados que sirven de referencia para evaluar la influencia de
cada variable en los valores de concentración predichos para cada caso. En los mapas de
concentración de PTS, PM10 y PM2.5 del modelo base puede observarse que las
direcciones predominantes del viento son hacia el este y el noroeste.
Tabla 7.1. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo Base.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Modelo Base
PTS 22.17 39.58 12.61 20.24
PM10 21.54 38.45 12.25 19.66
PM2.5 9.82 17.53 5.59 8.96
7.1 Resultados de la Evaluación de las Variables de Operación de la Caldera
Los cambios en las variables de operación de la caldera reflejan las variaciones en la tasa de
emisión de partículas, la temperatura de salida de los gases y el flujo de gases de chimenea.
La primera variable que se evaluó referente a la operación de la caldera fue la humedad
con la que el bagazo ingresa a la caldera. En la Figura 7.1 se muestra como es el cambio
74
en le emisión de material particulado total a diferentes humedades de entrada del bagazo y
en la Tabla 7.2 y Tabla 7.3 se muestran los valores de concentración de cada uno de los
receptores cuando la humedad del bagazo se supone de 44% y 53% respectivamente.
Además, se obtuvo una temperatura de los gases de chimenea de 212ºF y un flujo de 59.5
m3/s con humedad 44%; y 140ºF y 75.4 m3/s con humedad de 53%.
Figura 7.1. Emisión de PTS en Función de la Humedad del Bagazo de Entrada
Se observa en la Figura 7.1 que en la medida en que la humedad del bagazo aumenta, las
emisiones también lo hacen, esto se debe a que en la medida en que más agua entra con el
bagazo, más energía se utiliza para evaporar esta agua y no para la producción del vapor
deseado. Al perder eficiencia la caldera, se necesita una mayor cantidad de bagazo para
producir una cantidad de vapor fija por lo que al quemarse más bagazo se emiten más
partículas a través de la chimenea.
Tabla 7.2. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad de Bagazo
de 44%
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Humedad bagazo 44%
PTS 15.94 28.41 9.39 15.15
PM10 15.48 27.61 9.12 14.71
PM2.5 7.06 12.58 4.15 6.71
31,5
32
32,5
33
33,5
34
40% 42% 44% 46% 48% 50% 52% 54%
Emis
ión
(g/
s)
Humedad
75
Tabla 7.3. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Humedad de Bagazo
de 53%
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Humedad Bagazo 53%
PTS 21.49 37.83 12.36 19.84
PM10 20.9 36.79 12.02 19.29
PM2.5 9.53 16.77 5.48 8.79
En la Tabla 7.2 se observa que la concentración en los receptores cuando el bagazo tiene
una menor humedad es menor que en el modelo base, lo cual es congruente con el hecho de
la menor emisión que se experimenta.
Sin embargo, en la Tabla 7.3 se observa que a pesar que la humedad del bagazo es mayor,
y en consecuencia la emisión también lo es, las concentraciones de los receptores discretos
son menores que en el modelo base, esto se debe a que al cambiar el parámetro de
humedad, no solo cambia el valor de la emisión, sino también el flujo y la temperatura de
los gases de chimenea, entonces, que dado que el flujo de gases es mayor cuanto mayor es
la humedad, también lo será la velocidad con la que los gases salen de la chimenea
dándoles a estos una mayor flotación iniciando la dispersión desde una mayor altura y
viajando a una velocidad más rápida, lo cual provoca esa disminución que se observa en la
concentración de los receptores.
En la Figura 7.2 se muestra el resultado de las emisiones estimadas cuando en el modelo
de la caldera se tiene la relación aire/bagazo de 0.8, 0.9 y 1.0. En la Tabla 7.4 y
Tabla 7.5 se muestran los resultados de las concentraciones calculadas por AERMOD de
cada uno de los receptores discretos cuando se varía la relación aire/bagazo a 0.9 y 1.0
respectivamente. Además se obtuvo una temperatura de gases de chimenea de 224.6ºF y un
flujo de 79.3m3/s con una relación de 0.9; y 289.4ºF y 93.5 m3/s con una relación de 1.0.
76
Figura 7.2. Emisiones de PTS, PM10 y PM2.5 en Función de la Relación aire/bagazo.
En la Figura 7.2 puede comprobarse que en la medida en que la relación aire/bagazo
aumenta (es decir, al aumentar el porcentaje de exceso de oxígeno) también aumentan las
emisiones de PTS, PM10 y PM2.5. Esto se debe a que mientras mayor sea esta relación,
significa que habrá más gases (aire) que calentar, perdiendo energía y disminuyendo la
eficiencia de la caldera por lo que se requiere más bagazo para producir una cantidad de
vapor dada y en consecuencia se emiten más partículas a través de la chimenea.
Debe señalarse que la relación entre el exceso de aire y las emisiones mostrada en la
Figura 7.2 no es monótonamente creciente y solamente representa una sección de la curva
ya que en el modelo de la caldera no se ha podido simular cuál es efecto que se tiene
cuando hay defecto de aire y la reacción de combustión incompleta se da en mayor grado.
10
15
20
25
30
35
40
0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05
Emis
ión
(g/
s)
Relación aire/bagazo
PTS
PM10
PM2.5
77
Tabla 7.4. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación aire/bagazo
= 0.9
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Relación aire/bagazo = 0.9
PTS 13.15 23.35 7.99 12.9
PM10 12.77 22.67 7.75 12.52
PM2.5 5.82 10.34 3.53 5.71
Tabla 7.5. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Relación aire/bagazo
= 1.0.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Relación aire/bagazo = 1.0
PTS 9.9 17.84 6.22 10.06
PM10 9.62 17.35 6.05 9.79
PM2.5 4.39 7.91 2.76 4.46
En la Tabla 7.4 y
Tabla 7.5 se observa el mismo efecto que se mencionó en la evaluación del porcentaje de
humedad en el bagazo: a pesar de que las emisiones crecen en la medida en que crece la
relación aire/bagazo respecto del modelo base, las concentraciones decrecen debido al
aumento en el flujo de los gases de chimenea.
En la Figura 7.3 se presenta el resultado que se obtiene en el programa estimador de
emisiones cuando el modelo de la caldera presenta una temperatura del agua de
alimentación de 150ºF, 280.8ºF y 400ºF. En La Tabla 7.6 se presenta el resultado de la
concentración en los receptores discretos para el modelo con temperatura del agua de
entrada al domo de 150ºF y en la Tabla 7.7 se presentan los resultados cuando esta
temperatura es de 400ºF. Además, en el estimador de emisiones se obtiene que la
temperatura de los gases de combustión es de 212ºF y el flujo de 77.9 m3/s cuando la
temperatura del agua de entrada al domo es de 150ºF; y cuando esta temperatura es de
78
400ºF se obtiene un valor de 57.8 m3/s y la temperatura de los gases de chimenea de
152.6ºF.
Figura 7.3. Emisión de PTS en Función de la Temperatura del Agua de Alimentación al Domo.
En la Figura 7.3 se observa que cuando la temperatura del agua de alimentación es baja, la
tasa de emisión de material particulado crece, esto se debe a que una temperatura de
alimentación alta representa un ahorro en la energía desprendida con la combustión del
bagazo ya que se encuentra en un estado energético más cercano al del vapor
sobrecalentado que se desea obtener.
Tabla 7.6. Resultado de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Temperatura de
Agua de Alimentación = 150ºF
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Temperatura agua alimentación = 150ºF
PTS 15.5 27.47 9.35 15.11
PM10 15.06 26.69 9.08 14.68
PM2.5 31.59 56.01 19.06 30.8
24
26
28
30
32
34
36
38
40
100 150 200 250 300 350 400
Emis
ión
(g/
s)
Temperatura (ºF)
79
Tabla 7.7. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Temperatura de
Agua de Alimentación = 400ºF
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Temperatura agua alimentación = 400ºF
PTS 19.48 34.83 11.06 17.75
PM10 18.92 33.83 10.75 17.24
PM2.5 8.63 15.43 4.9 7.86
Al igual que en las evaluaciones de las variables de operación de la caldera anteriormente
analizadas, la concentración de los receptores discretos disminuye a pesar de que la tasa de
emisión de los contaminantes aumenta lo cual se debe a la variación en el flujo y
temperatura de los gases de chimenea.
En la Figura 7.4 se presenta el resultado de las emisiones de PTS en función del flujo de
purga del agua del domo. Del programa estimador de emisiones también se obtienen los
valores de temperatura y flujo de los gases de combustión; cuando el flujo de purga es de
10 ton/h, estos valores son de 228.2ºF y 69.7 m3/s, y cuando el flujo de purga es de 30
ton/h, de 330.8ºF y 74 m3/s.
Figura 7.4. Emisiones de PTS en Función del Flujo de Purga del Agua del Domo
32
32,5
33
33,5
34
34,5
35
35,5
36
0 5 10 15 20 25 30 35
Emis
ion
es
(g/s
)
Purga (ton/h)
80
El resultado de la Figura 7.4 demuestra que el flujo de purga representa una pérdida de
energía ya que esa masa de agua se calienta pero la energía utilizada para calentarla no la
convierte en vapor a las condiciones deseadas, es por ello que con un flujo de purga se
demanda mayor cantidad de bagazo lo cual se transforma en un aumento en las emisiones
de material particulado.
En la Tabla 7.8 se muestran los resultados de concentración en los receptores discretos
cuando el modelo establece que se tiene un flujo de purga del agua del domo de 10 ton/h; y
en la
Tabla 7.9 se muestran estos mismos valores cuando el flujo de purga es de 30 ton/h.
Tabla 7.8. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de Purga de 10
ton/h.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Flujo de purga = 10 ton/h
PTS 14.16 25.19 8.53 13.76
PM10 13.77 24.5 8.29 13.38
PM2.5 6.28 11.16 3.78 6.1
Tabla 7.9. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para Modelo con Flujo de Purga de 30
ton/h.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Flujo de Purga = 30 ton /h
PTS 10.85 19.43 6.76 10.89
PM10 10.55 18.89 6.57 10.59
PM2.5 4.81 8.61 3 4.83
Los valores de concentración de los receptores discretos en los modelos cuando se tiene
purga de 10 ton/h y 30 ton/h se observan que son menores con respecto al modelo base lo
cual se debe al mayor flujo de gases que se emite cuando se dan estas condiciones.
81
7.2 Resultados de la Evaluación de las Variables del Modelo
Las variables del modelo se refieren a los siguientes aspectos:
− Inclusión de las elevaciones del terreno en el cálculo de las concentraciones.
− Inclusión de un complejo de edificaciones que representan la estructura en donde se
ubica la fábrica industrial (Ingenio Azucarero).
− Inclusión de una fuente de línea hipotética que representa la erosión que sufre el
camino no pavimentado por donde transitan las rastras.
Los valores de concentración que corresponden a la inclusión de elevaciones digitales al
modelo se presentan en la Tabla 7.10 para cada uno de los receptores discretos en estudio.
Tabla 7.10. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Terreno Elevado.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Terreno Elevado
PTS 26.26 50.67 12.23 19.21
PM10 25.51 49.23 11.88 18.66
PM2.5 11.63 22.44 5.44 8.51
Al compararse los valores de concentración para cada uno de los receptores con el modelo
en que se utiliza un terreno complejo, puede observarse en la Figura 7.5 que los valores de
concentración ubicados en la parte norte y este aumenta la concentración cuando se
consideran los efectos de terreno, mientras que en el sur y oeste, las concentraciones
disminuyen.
De acuerdo al mapa de elevación digital del área en la que se localizan las fuentes emisoras,
los receptores norte y este se encuentran a una altura por encima del nivel de la base de la
chimenea, mientras que los receptores sur y oeste, se encuentran a una altura por debajo de
ésta. Puede observarse en la Figura 7.5 que para los primeros dos receptores la
82
concentración calculada con terreno elevado es mayor que con terreno plano y para los
siguientes dos receptores es al revés. Esto se debe a que la fórmula de cálculo de AERMOD
provoca que la concentración aumente cuando el receptor se encuentra en un punto elevado
sobre la base de la chimenea y viceversa.
Figura 7.5. Gráfico de Concentración de PTS de los Receptores Discretos con Modelo Base y con
Terreno Elevado.
En términos físicos, el resultado expuesto anteriormente se entiende si se toma en cuenta
que en un receptor elevado la pluma de contaminantes impacta al terreno de forma
anticipada, aumentando consecuentemente la concentración en dicho punto y disminuyendo
la área de dispersión del material particulado.
En la Figura 7.5 se observa además que el cambio de un modelo a otro es mayor en los
puntos norte y este que en los puntos sur y oeste. Lo anterior se explica a partir de que la
altura del terreno crece en la dirección noreste y es más plana en la dirección suroeste;
tomando en cuenta que AERMOD calcula las concentraciones como un promedio
ponderado entre una pluma horizontal y una pluma que responde al terreno, entonces
mientras mayor sea la diferencia entre la altura del receptor con la altura de la base de la
0
10
20
30
40
50
60
NORTE ESTE SUR OESTE
Co
nce
ntr
ació
n (
µg/
m3
)
UBICACIÓN DEL RECEPTOR
MODELO BASE
TERRENO ELEVADO
83
fuente fija, más pesara el término que se refiere a la concentración de la pluma que
responde al terreno y las diferencias entre las concentraciones para un terreno plano y uno
complejo se acrecentarán.
En la Tabla 7.11 y Tabla 7.12 se presentan los valores de concentración de los
contaminantes cuando en el modelo se incluye un complejo de edificios como una
representación de la plata de producción. La Tabla 7.11 se refiere a cuando la altura de
estos edificios es de 20 metros y la Tabla 7.12 se refiere a cuando estas edificaciones
tienen una altura de 50 metros.
Tabla 7.11. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Edificios de
Altura = 20m.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Edificios h=20m
PTS 22.17 39.58 12.61 20.24
PM10 21.54 38.45 12.25 19.66
PM2.5 9.82 17.53 5.59 8.96
Tabla 7.12. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Edificios de
Altura = 50m.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Edificios h=50m
PTS 22.17 227.8 12.61 49.29
PM10 21.54 221.29 12.25 47.89
PM2.5 9.82 100.88 5.59 21.83
En el caso de los modelos con las edificaciones de 20 metros y 50 metros de altura puede
observarse muy claramente en los mapas de dispersión presentados en el ANEXO D que la
altura del edificio afecta en gran medida cómo se da la dispersión del contaminante.
84
En la Figura 7.6 se observa que de la altura del edificio depende mucho el valor de
concentración obtenido ya que si la edificación tiene una altura menor que la chimenea, su
presencia no parece afectar el valor de la concentración calculado, mientras que cuando la
altura de la edificación sobrepasa a la de la chimenea, existe un cambio importante en la
concentración de los receptores que se encuentran en la dirección predominante del viento.
Figura 7.6. Gráfico de Concentración de PM10 de los Receptores Discretos con Modelo Base, con
Edificios de 20m y con Edificios de 50m.
Se hace evidente en la Figura 7.6 que en la medida en que la edificación es más alta que la
altura de emisión de los gases de combustión, ésta obstruye la dispersión natural de los
contaminantes provocando una acumulación de éstos y aumentando así los valores que
predice el modelo para los receptores que se encuentran en las direcciones predominantes
del viento.
En la Tabla 7.13 y Tabla 7.14 se muestran los resultados cuando se incluyen los efectos de
una fuente de línea en el modelo. La Tabla 7.13 presenta los valores cuando la fuente de
línea tiene una tasa de emisión 0.2g/s (valor dado por la EPA para caminos de polvo) para
material particulado total y la Tabla 7.14 presenta los valores cuando la tasa de emisión de
PTS es de 0.05g/s.
0
50
100
150
200
250
NORTE ESTE SUR OESTE
Co
nce
ntr
ació
n (
µg/
m3
)
UBICACIÓN DEL RECEPTOR
Modelo Base
h=20m
h= 50m
85
Tabla 7.13. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una Fuente de
Línea con Emisión de PTS de 0.2 g/s.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Fuente de Línea, Emisión de PTS = 0.2
g/s
PTS 206.19 65.35 44.1 84.91
PM10 72.17 44.31 23.18 39.03
PM2.5 34.64 20.34 10.83 18.38
Tabla 7.14. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con una Fuente de
Línea con Emisión de PTS de 0.05 g/s.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Fuente de Línea, Emisión de PTS = 0.05
g/s
PTS 57.9 43.77 20.37 32.46
PM10 34.36 39.95 14.95 22.84
PM2.5 15.82 18.23 6.85 10.45
Tanto los mapas de dispersión del ANEXO D como las tablas de resultados referentes a la
inclusión de una fuente de línea muestran que la presencia de estas fuentes es determinante
en los valores de concentración de los receptores, y puede observarse que las mayores
concentraciones en ambos casos se observan en las cercanías de la ubicación de la fuente de
línea.
Debe remarcarse que el material particulado de la fuente de línea se emite desde una altura
casi a nivel del suelo, mientras que la fuente fija se emite desde 35 metros de altura, es por
ello, que a pesar de que la fuente de línea presente valores muy altos de concentración, su
efecto se observa primordialmente en las cercanías de donde la fuente está ubicada,
mientras que las emisiones de la chimenea tienen la capacidad de viajar una mayor
distancia y su efecto tiene un alcance mayor.
86
7.3 Resultados de la Evaluación de Otras Variables que Influyen en la
Dispersión
Las variables que no se clasifican dentro de la categoría de variables de operación de la
caldera ni dentro de variables del modelo, se incluyen en esta categoría; Estas variables
son:
− Cambios en la altura de la chimenea.
− Cambios en las proporciones de PM10 y PM2.5 respecto al PTS.
− Porcentaje de ceniza en el bagazo
− Poder calorífico del bagazo
La altura de la chimenea influye en la forma en que se dispersan los contaminantes que se
emiten a través de ésta, y esto se puede comprobar al observar los valores que resultaron de
la modelación cuando se cambia la altura de la chimenea por un valor menor o mayor al del
modelo base.
En la Tabla 7.15 se presentan los resultados predichos por el modelo de dispersión sobre
los receptores discretos cambiando el valor de la altura de la chimenea hasta un valor de 20
metros; mientras tanto, en la Tabla 7.16 se presentan éstos resultados si la altura de la
chimenea se cambia a 50 metros.
Tabla 7.15. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Altura de
Chimenea = 20m
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Chimenea h=20m
PTS 29.49 61.11 16.6 26.59
PM10 26.85 59.37 16.13 25.83
PM2.5 13.06 27.07 7.35 11.47
87
Tabla 7.16. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Altura de
Chimenea = 50m
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Chimenea h=50m
PTS 16.39 24.97 9.55 15.32
PM10 15.92 24.26 9.28 14.89
PM2.5 7.26 11.06 4.23 6.79
Queda claramente establecido a la luz de los resultados que para alturas pequeñas de las
chimeneas las concentraciones de un punto específico cercano a la fuente fija aumentan,
mientras que si la altura de la chimenea crece, las concentraciones tienden a decrecer.
A pesar del resultado anterior, no debe pensarse que la altura de la chimenea puede
establecerse como un método de control de la contaminación ya que lo que en realidad
sucede es que cuando la altura de la chimenea es baja los contaminantes caen en mayor
medida a una corta distancia de la ubicación de la fuente fija y por el contrario, las alturas
de chimenea altas favorecen la dispersión.
En la Figura D.46 se presenta el mapa de concentración del modelo con una chimenea de
mayor altura que el modelo base, y puede observarse en ella que cuando la altura de la
chimenea se eleva a 50 metros la zona de mayor concentración únicamente se traslada hacia
un punto más lejano pero no se reduce.
Las proporciones de PM10 y PM2.5 con respecto a PTS se han tomado de los factores de
emisión de la EPA para calderas bagaceras equipadas con lavador húmedo de gases; sin
embargo si se encontrara una relación distinta para las emisiones de una caldera en
particular, este cambio se reflejaría en la concentración de los receptores.
88
Se evaluó un cambio en la relación PM10/PTS evaluando que sucede cuando éste valor
aumenta y qué cuando este valor disminuye, es así, que en la Tabla 7.17 se presentan los
resultados correspondientes a relaciones de PM10/PTS iguales a 0.8 y 0.99.
Tabla 7.17. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Distinta Relación
de PM10/PTS
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
PM10/PM2.5 = 0.8 PM10 17.14 31.67 10.09 16.19
PM10/PM2.5 = 0.99 PM10 21.95 39.19 12.49 20.04
Asimismo, también se evaluó un cambio en la relación PM2.5/PTS evaluando que sucede
cuando éste valor aumenta y qué cuando este valor disminuye, es así, que en la Tabla 7.18
se presentan los resultados correspondientes a relaciones de PM2.5/PTS iguales a 0.3 y 0.6.
Tabla 7.18. Resultados de Concentración en Receptores Discretos para el Modelo con Distinta Relación
de PM2.5/PTS
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
PM2.5/PM2.5 = 0.3 PM2.5 6.65 11.87 3.78 6.07
PM10/PM2.5 = 0.6 PM2.5 13.3 23.75 7.57 12.14
Como es de esperarse, respecto a las fracciones de PM10/PTS y de PM2.5/PTS cuando
estas fracciones se elevan, entonces las concentraciones se elevan, e igualmente cuando
éstas disminuyen respecto de lo establecido, también se espera una reducción en la
concentración.
En la Tabla 7.19 y Tabla 7.20 se presenta en qué porcentaje ha cambiado la relación de
emisión de PM10/PTS y en qué porcentaje cambia el valor de la concentración en cada uno
89
de los 4 receptores. Tabla 7.19 corresponde al cambio de la relación del modelo base a una
relación de PM10/PTS de 0.99, mientras que la Tabla 7.20 corresponde a la variación de la
relación PM10/PTS a 0.80.
Tabla 7.19. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.99 y Porcentajes de
Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada Receptor.
Norte Este Sur Oeste
% Cambio en la Relación de Emisión
de PM10/PTS 1.91% 1.91% 1.91% 1.91%
% de Cambio en la Concentración de
PM10 1.90% 1.92% 1.96% 1.93%
Tabla 7.20. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM10/PTS a 0.80 y Porcentajes de
Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada Receptor.
Norte Este Sur Oeste
% Cambio en la Relación de Emisión
de PM10/PTS 17.64% 17.64% 17.64% 17.64%
% de Cambio en la Concentración de
PM10 20.42% 17.63% 17.63% 17.65%
Es evidente que los resultados demuestran que casi en la misma medida en que se cambia el
factor de emisión de PM10/PTS, en esa misma medida se cambiará el valor de la
concentración predicha para cada receptor. Esto se debe a que en la ecuación de la pluma
gaussiana, la tasa de emisión del contamínate “Q” es directamente proporcional a la
concentración en un punto determinado.
La Tabla 7.21 y Tabla 7.22 muestran el mismo comportamiento y confirman que,
porcentualmente, las variaciones que presenta la tasa de emisión del contaminante serán
aproximadamente iguales a las variaciones que presenta el valor de concentración.
90
Tabla 7.21. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.30 y Porcentajes de
Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada Receptor.
Norte Este Sur Oeste
% Cambio en la Relación de Emisión
de PM2.5/PTS 32.24% 32.24% 32.24% 32.24%
% de Cambio en la Concentración de
PM2.5 32.28% 32.28% 32.38% 32.25%
Tabla 7.22. Porcentajes de Variación de la Relación de Emisión de PM2.5/PTS a 0.60 y Porcentajes de
Variación para su Correspondiente Cambio en la Concentración de Cada Receptor
Norte Este Sur Oeste
% Cambio en la Relación de Emisión
de PM2.5/PTS 35.50% 35.50% 35.50% 35.50%
% de Cambio en la Concentración de
PM2.5 35.44% 35.48% 35.42% 35.49%
En la Figura 7.7 se muestran las emisiones de PM10 en función del porcentaje de ceniza
en bagazo. Además, con el programa estimador de emisiones se encontró la temperatura de
salida y el flujo de los gases de chimenea; estos valores resultaron de 145.4ºF y 66.7 m3/s
cuando el porcentaje de ceniza es de 2%; y de 154.4ºF y 66.7 m3/s cuando el porcentaje de
ceniza es de 5%.
En la Tabla 7.23 y Tabla 7.24 se muestran los resultados de las concentraciones en los
receptores discretos cuando el porcentaje de ceniza en el bagazo es de 2% y 5%
respectivamente.
Puede observarse que para el modelo con un porcentaje de ceniza de 2% los valores de
concentración de los receptores discretos son menores que con el modelo base y el modelo
con 5% de ceniza son mayores que el modelo base.
91
Figura 7.7. Emisión de PM10 en Función del % de Ceniza en el Bagazo
Tabla 7.23. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de Ceniza en
Bagazo de 2%.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
% Ceniza en Bagazo = 2%
PTS 10.23 18.15 5.85 9.38
PM10 9.96 17.67 5.69 9.14
PM2.5 4.54 8.05 2.6 4.16
Tabla 7.24. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con % de Ceniza en
Bagazo de 5%.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
% Ceniza en Bagazo = 5%
PTS 23.99 42.6 13.81 22.2
PM10 23.33 41.43 13.43 21.59
PM2.5 10.64 18.89 6.12 9.84
10
15
20
25
30
35
40
1% 2% 3% 4% 5% 6%
Emis
ión
(g/
s)
% ceniza en bagazo
92
A diferencia de la evaluación de las variables de operación de la caldera, en este caso el
aumento en la tasa de emisión de partículas corresponde a un aumento en la concentración
de los receptores. Esto se debe a que en este caso el flujo de gases de chimenea no varía
considerablemente con respecto al modelo base ya que la cantidad de bagazo que se
introduce a la caldera para una cantidad de vapor dada no se modifica; en cambio, el
aumento en las emisiones se debe a que el bagazo contiene una mayor cantidad de ceniza
que es a lo que finalmente se considera que se deben las emisiones de partículas.
En la Figura 7.8 se muestra el resultado de la emisión de PM2.5 en función del poder
calorífico del bagazo. El programa estimador de emisiones predice asimismo que la
temperatura de salida y el flujo de los gases de chimenea será de 219.2ºF y 61.7 m3/s
cuando el poder calorífico es de 4200 cal/g y de 271.4ºF y 55.5 m3/s cuando el poder
calorífico es de 4600 cal/g.
Figura 7.8. Emisión de PM2.5 en Función del Poder Calorífico del Bagazo.
Claramente se observa que en la medida en que el bagazo tenga un poder calorífico más
grande, mayor cantidad de energía disponible habrá por unidad de masa de bagazo lo cual
se transforma en una menor cantidad de emisiones para una cantidad de vapor requerido
dada.
10
10,5
11
11,5
12
12,5
13
13,5
14
14,5
3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700
Emis
ión
(g/
s)
Poder calorífico del bagazo seco (cal/g)
93
En la Tabla 7.25 y Tabla 7.26 se muestran los resultados de la concentración de los
receptores discretos cuando el modelo se plantea con capacidad calorífica del bagazo de
4200 cal/g y 4600 cal/g respectivamente.
Tabla 7.25. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder Calorífico del
Bagazo de 4200 cal/g.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g
PTS 14.23 25.34 8.44 13.62
PM10 13.82 24.62 8.2 13.24
PM2.5 6.3 11.23 3.74 6.03
Tabla 7.26. Resultados de Concentración de Receptores Discretos en Modelo con Poder Calorífico del
Bagazo de 4600 cal/g.
Concentraciones en Receptores Discretos (µg/m3)
Modelo Contaminante Norte Este Sur Oeste
Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g
PTS 11.71 20.94 7.04 11.32
PM10 11.36 20.32 6.83 10.99
PM2.5 5.18 9.26 3.11 5.01
En la Tabla 7.25 y Tabla 7.26 se observa que las concentraciones de los receptores
discretos disminuyen dado que las emisiones y el flujo de gases de chimenea también lo
hacen, esto se debe a que si se tiene fijo el requerimiento de energía, cuando el poder
calorífico del combustible sea mayor, menor será la cantidad que se requerirá de éste y
viceversa.
95
CONCLUSIONES
El estudio de la generación de emisiones y de cómo éstas se dispersan en el ambiente arroja
las conclusiones que se listan a continuación.
− Los cambios en las variables de operación de la caldera que conllevan a una pérdida
en la eficiencia de ésta, producen mayores tasas de emisión de material particulado
como consecuencia de los mayores requerimientos de bagazo para una cantidad de
vapor dada.
− Una mayor tasa de emisión debida a cambios en la operación de la caldera no
necesariamente se traduce en un mayor valor de concentración para un receptor
determinado debido a que al realizar cambios en la caldera, también se observan
cambios en el flujo y temperatura de los gases de chimenea los cuales influyen en el
cálculo de la concentración.
− Cuando un receptor se encuentra a una altura por encima de la altura de la base de la
chimenea, la concentración calculada por AERMOD utilizando la opción de terreno
elevado es mayor que utilizando la opción de terreno plano.
− La presencia de edificaciones únicamente afecta a los valores de concentración de
los receptores cuando las alturas de éstas son superiores a la altura de la chimenea
ya que cuando esto sucede, se afecta a la dispersión que naturalmente tendría la
pluma y se producen acumulaciones del contaminante en cuestión.
− Elevar la altura de la chimenea aleja las máximas concentraciones de los
contaminantes respecto de la ubicación de la fuente fija, mientras que una altura de
la chimenea baja produce que los valores de máxima concentración se ubiquen más
cercanos a la fuente fija.
96
− El porcentaje de variación que se experimenta al cambiar una tasa de emisión de un
contaminante será aproximadamente igual al porcentaje de variación que se reflejará
en el valor de concentración predicho por el modelo siempre y cuando no haya
variaciones en otras variables tales como temperatura y/o flujo de gases de
chimenea, ya que estas las variables de emisión y concentración son directamente
proporcionales según la ecuación de dispersión gaussiana.
97
RECOMENDACIONES
Con el objetivo de mejorar la elaboración del estudio de las emisiones y su dispersión, se
realizan las siguientes recomendaciones.
− Recolectar datos meteorológicos que correspondan a un periodo de tiempo más
amplio, de preferencia un año completo para poder considerar todos los posibles
escenarios meteorológicos que se presentan a lo largo de un año.
− Comparar los valores del modelo con datos de mediciones de material particulado
llevadas a cabo en Ingenios Azucareros para comprobar la validez del modelo
planteado.
99
BIBLIOGRAFIA
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Rendimiento Térmico”. Disponible en web:
http://www.scielo.org.ar/pdf/riat/v82n1-2/v82n1-2a03.pdf [Consultado: 12/05/09].
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de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA), Modelos de Dispersión
Recomendados. Disponible en web:
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101
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Salvador.
− WARK, K y WARNER, C [2001]; “Contaminación del Aire: Origen y Control”;
Limusa Editores, México.
ANEXO A: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS MODEL ADAS EN
EL ESTUDIO “DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DEL AIRE;
LEVANTAMIENTO DE FUENTES FIJAS”
A-1
ANEXO A: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS MODEL ADAS
EN EL ESTUDIO “DIAGNÓSTICO DE LA CALIDAD DEL AIRE;
LEVANTAMIENTO DE FUENTES FIJAS”
En el Anexo A se presentan los mapas de concentración para un periodo de 24 horas de la
modelación realizada en el estudio “Diagnóstico de la Calidad del Aire, Levantamiento de
Fuentes Contaminantes” para PM2.5, PM10 y Partículas Totales. Se presentan los
resultados para las ciudades en donde se tiene dentro de las fuentes contaminantes a
chimeneas de calderas bagaceras.
En la Figura A.1 se muestra el mapa con las curvas de concentración anual de partículas
totales para el área metropolitana de San Salvador.
Figura A.1. Dispersión de PTS en Área Metropolitana de San Salvador [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
A-2
En la Figura A. 2 se muestra el mapa con las curvas de concentración anual de PM10 y en
la Figura A.3 las curvas de concentración anual de PM2.5 para el área metropolitana de
San Salvador
Figura A. 2. Dispersión de PM10 en Área Metropolitana de San Salvador [Diagnóstico de la Calidad
del Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
En la Figura A.4, Figura A. 5 y Figura A. 6 se muestran los valores promedios anuales de
concentración de material particulado total, PM10 y PM2.5 respectivamente, para el área
metropolitana de San Miguel. Puede observarse en ellas que la estimación realizada en este
estudio señala que el promedio anual de los contaminantes en cuestión no sobrepasa la
norma salvadoreña de calidad de aire en ninguno de los casos.
A-3
Figura A.3. Dispersión de PM2.5 en Área Metropolitana de San Salvador [Diagnóstico de la Calidad
del Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
Figura A.4. Dispersión de PTS en Área Metropolitana de San Miguel [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
A-4
Figura A. 5. Dispersión de PM10 en Área Metropolitana de San Miguel [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
Figura A. 6. Dispersión de PM2.5 en Área Metropolitana de San Miguel [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
A-5
En la Figura A. 7, Figura A. 8 y Figura A. 9 se muestran los valores promedios anuales
de concentración de material particulado total, PM10 y PM2.5 respectivamente, para el área
metropolitana de Sonsonate. Puede observarse en ellas que la estimación realizada en este
estudio señala que el promedio anual de los contaminantes en cuestión no sobrepasa la
norma salvadoreña de calidad de aire en ninguno de los casos.
Figura A. 7. Dispersión de PTS en Área Metropolitana de Sonsonate [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
A-6
Figura A. 8. Dispersión de PM10 en Área Metropolitana de Sonsonate [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
Figura A. 9. Dispersión de PM2.5 en Área Metropolitana de Sonsonate [Diagnóstico de la Calidad del
Aire, Levantamiento de Fuentes Contaminantes; 2005]
ANEXO B: DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE ESTIMACIÓN DE EMISIONES
DE UNA CALDERA (PEEC)
B-1
ANEXO B: DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA DE ESTIMACIÓN DE
EMISIONES DE UNA CALDERA (PEEC)
B.1 Generalidades
Para realizar el Programa de Estimación de Emisiones de una Caldera (PEEC) se utilizó el
software LabVIEW™ versión 8.0, desarrollado por la “National Instrument Corporation”.
LabVIEW™ posee un ambiente de desarrollo gráfico con funciones integradas que
permiten al usuario un medio de programación mucho más moderno que otros software de
programación. Además, otra verdadera ventaja del programa es la interfaz gráfica que
posee, ya que es bastante amigable y muy fácil de utilizar.
Figura B.1. Imagen del Logo del Software LabView 8.0
B.1.1 Comenzar el Programa
Para comenzar a utilizar el programa es necesario conocer las partes más importantes y las
funciones del software que más se utilizan. Es por ello que a continuación se presentan
algunas funciones o definiciones importantes para el buen manejo del programa.
− Instalar el programa
El programa debe ser instalado antes de ser ejecutado y utilizado en cualquier computadora.
Para ello, se requerirá de dos archivos indispensables que se encontrarán en la carpeta
principal del programa llamada “Programa PEEC 1.0”. El primer archivo que se utilizará se
encuentra dentro de la carpeta “Installer” y servirá para instalar el programa. El nombre del
archivo es la aplicación “setup”.
B-2
Luego que se encuentre instalado el programa, se debe ingresar a la otra carpeta llamada
“PEEC” y abrir el archivo con el mismo nombre dentro de la carpeta. Con estos pasos el
programa está listo para ser ejecutado. En la Figura B.1 se puede observar la imagen inicial
que el usuario encontrará cuando abra el programa.
Figura B.2. Imagen Inicial del Programa de Estimación de Emisiones de una Caldera (PEEC)
− Ejecutar el programa
Para iniciar y obtener resultados del programa se debe dar clic al ícono que se muestra
anteriormente (representado por una flecha apuntando hacia la derecha). Cada vez que se
cambie algún valor de entrada se debe presionar el icono otra vez para recalcular los
resultados. Este icono aparece en la parte superior izquierda de la pantalla principal de
LabView.
B-3
− Detener el programa
Esta función se ocupa para detener el programa luego de haberlo ejecutado; sin
embargo, en el PEEC, esta función no se utiliza debido a que, luego de la ejecución del
programa y después de unos segundos, se presentan los resultados y el programa se detiene
por si mismo.
− Valores por defecto
El PEEC cuenta con valores por defecto ya establecidos los cuales forman el llamado
‘”Modelo Base” que se utiliza en este trabajo. Esto ayuda a que el usuario no tenga que
ingresar toda la serie de valores de entrada cada vez que se quiera ejecutar el programa, si
no que solo se pueden cambiar los datos que se necesitan variar. Para regresar a las valores
por defecto luego de haber hecho algunos cambios, se debe ingresar a la opción “Edit” y
luego seleccionar “Reinitialize Values to Default”.
− Entradas al Programa
El PEEC cuenta con algunos iconos específicos para el ingreso de los datos y también para
la apreciación de los resultados. Es importante identificarse con ellos para saber como
ingresar los valores de una manera sencilla. A los iconos para los valores de entrada se les
llama “controladores” y para los resultados se les conoce como “Indicadores”.
Los controladores e indicadores que se utilizan en el programa son los siguientes:
Control numérico
En este cuadro se tienen que ingresar los valores numéricos ya sea digitando directamente
en el espacio en blanco o dando clic izquierdo sobre los botones de incremento-decremento
que son las flechas que se encuentran al lado izquierdo del controlador.
B-4
Termómetro (controlador)
En este icono se ingresarán las temperaturas como se explicará más adelante, ya sea
digitando el valor en el espacio en blanco o moviendo el nivel del termómetro dando un clic
izquierdo y arrastrando hasta el valor que se desee.
Indicadores numéricos
Los Indicadores que se utilizan en el PEEC son los indicadores más sencillos, estos lucen
muy similares a los controles numéricos con la diferencia que en estas casillas se presentan
los resultados.
− Secciones y Sub-secciones del Programa
El programa consta de dos secciones principales como se muestra en la Figura B.3. A
continuación se describen brevemente.
Figura B.3 Secciones Principales del Programa
1. Simulación de emisiones de una caldera:
Esta sección ayuda a conocer las emisiones cuando se cambia algún dato de operación sin
conocer los demás cambios en la caldera. Es muy útil para conocer los efectos de los
cambios en las calderas y se puede obtener valores aproximados de emisión sin hacer
pruebas reales en la caldera.
2. Calculador de emisiones de una caldera
En esta sección se pueden calcular las emisiones de una caldera ingresando todos los
valores de operación que pide el programa en los Datos de entrada. Esta parte del programa
es muy útil si se pueden obtener todos esos datos de operación de una caldera real para
calcular las emisiones reales y su eficiencia.
B-5
Además, estas dos secciones cuentan con otras tres subsecciones en donde se pueden
introducir los datos de entrada, observar los resultados y calcular las variables específicas
de la caldera Figura B. 4. A continuación se describirá cada una de ellas:
Figura B. 4. Sub secciones del programa
a. Datos de Entrada
En esta subsección se introducirán todos los datos necesarios que definirán el
comportamiento de las emisiones en la caldera. Estos datos serán explicados
detalladamente más adelante.
b. Resultados
En esta parte se presentan todos los resultados obtenidos luego de ejecutar el programa,
correspondientes al la combinación de datos que se introdujeron (o que se encuentran por
defecto) en la subsección anterior.
c. Cálculo de variables específicas
En este apartado se realiza el cálculo de las variables específicas de la caldera. Para ello se
necesitan introducir una serie de datos previamente medidos y obtenidos del
funcionamiento de la caldera que se simulará. Estos datos también se describirán con más
detalle posteriormente. Esta subsección se contiene otras dos subdivisiones, estas son
(Figura B. 5): Ecuación del Bagazo Alimentado y Remoción de cenizas y Aire alimentado a
la caldera.
Figura B. 5 Divisiones de la Sub-sección, Cálculo de variables específicas
B-6
Para moverse de una sección a otra y ver los resultados, cambiar datos o recalcular las
variables específicas se tiene que dar clic sobre el nombre del panel de la parte a la cual se
quiera ir y utilizar el programa.
En el siguiente tema se explicará más detalladamente cada sección y cada uno de los datos
que se introducirán en el programa.
B.2 Descripción Detallada del PEEC
Para explicar mejor este programa se nombrarán las dos secciones principales como:
sección 1 y sección 2 para el Simulador de Emisiones y el Calculador de Emisiones
respectivamente, de forma que se facilite la forma de nombrar estas partes dentro de la
descripción.
B.2.1 Sección 1. Simulador de Emisiones de una Caldera
− Datos de Entrada
Esta sección de datos de entrada se divide en 4 partes para clasificar y ordenar el ingreso de
los datos. Los datos de entrada se dividen en: Datos de operación, Temperaturas, Datos del
Bagazo y Otros Datos. A continuación se describe detalladamente.
a. Datos de Operación
Los datos de operación se muestran en la Figura B. 6 y consta de los datos que están más
relacionados con la operación de la caldera.
Relación Aire/Bagazo
Esta relación es muy común que se presente en los paneles de control de los ingenios y
consiste en la relación entre la velocidad de los alimentadores y la abertura del dámper del
tiro forzado. Esta relación es una medida indirecta de la cantidad de aire que se alimenta a
la caldera.
B-7
Figura B. 6 Imagen de los “Datos de Operación” en el Panel de Control “Datos de Entrada” de la
Sección 1
Vapor Generado
En esta entrada se introduce la cantidad de vapor generado en el domo de vapor que sale
directamente a los turbogeneradores (unidades de kilolibras por hora). Este valor influye
directamente en la estimación de emisiones ya que a mayor cantidad de vapor producido
más bagazo alimentado se necesita para generarlo.
Flujo de Purga del Domo
Es el flujo de agua saturada que se purga constantemente del domo de vapor para la
limpieza de la caldera. Este flujo de purga influye en la eficiencia de la caldera ya que es
calor entregado que se desperdicia y no se aprovecha en nada. Para este caso se introduce
este flujo en unidades de toneladas por hora.
Presión del Domo
Es la presión que se encuentra al interior del domo de vapor, y en el programa se utiliza
para calcular la temperatura del domo y así poder obtener el calor necesario para calentar el
flujo de purga. Esta presión es regularmente un poco más alta que la presión del vapor vivo
que pasa a las turbinas. Para este tipo de calderas que se están modelando la presión esta
arriba de los 900 psi.
B-8
Perdidas de Energía en la Caldera
Este valor es un porcentaje de la energía total que se desperdicia por medio de las paredes
en pérdidas de radiación, también se puede incluir en estas pérdidas el porcentaje debido a
la generación de monóxido de carbono y otras perdidas. No siempre puede ser fácil obtener
este valor, algunos fabricantes especifican este porcentaje pero este puede variar.
Disminución Promedio de T. en el SRP
Esta disminución es un promedio estadístico de las mediciones de temperatura de los gases
después del economizador (antes de Sistema de Remoción de Partículas, SRP) y los que
salen por la chimenea.
b. Temperaturas
Estas temperaturas, todas en unidades de Fahrenheit, se utilizan para realizar el balance de
energía y para este caso se utilizan cuatro temperaturas como se muestra en la Figura B. 7.
Figura B. 7 Imagen de las “Temperaturas” en el Panel de Control “Datos de Entrada” en la Sección 1
B-9
A continuación se describen estas cuatro temperaturas:
T. Aire Atmósférico
Es la temperatura del aire atmosférico que es alimentado a la caldera. Esta temperatura es
muy importante debido a que puede reducir la temperatura del horno y disminuir la
eficiencia; sin embargo, es importante recordar que este aire atmosférico es calentado en el
precalentador antes de entrar a la caldera.
T. Agua de Alimentación
Esta temperatura también es la que se mide antes de que el agua intercambie calor en el
economizador, es decir que es la temperatura del agua de los deaireadores que luego es
enviada a los domos.
T. Vapor Producido
El vapor producido se encuentra sobrecalentado, es decir que está a una temperatura más
alta que la temperatura de ebullición a la presión del domo antes ingresada. Esta
temperatura es la que se da justo a la salida del domo de vapor.
T. del Bagazo Alimentado
Es la temperatura del bagazo luego de haber pasado por los molinos y justo para ser
quemado. No siempre se puede contar con este valor pero se pueden hacer aproximaciones
y decir que la temperatura del bagazo es muy similar que la temperatura atmosférica.
c. Datos del Bagazo
Estos datos están compuestos por la composición del bagazo y su poder calorífico. En la
Figura B. 8 se puede notar cómo se aprecia esta parte en panel de control de la sección de
Datos de Entrada.
B-10
Composición del Bagazo Seco Sin Ceniza
Esta es la composición quimica del bagazo utilizado y que prácticamente solo esta
compuesto por carbono, oxígeno y nitrógeno. Estos datos se expresarán en porcentajes (%)
y libres de cenizas y humedad.
Figura B. 8 Imagen de los “Datos del Bagazo” en el Panel de Control
“Datos de Entrada” de la Sección 1
Ceniza en el Bagazo
Es el porcentaje promedio de cenizas que contiene el bagazo (en base seca) luego de haber
pasado por los molinos. La ceniza es el principal causante de la emisión de particulado por
lo que debe de tratarse de obtener el valor más certero posible a travéz de mediciones
constantes del porcentaje de ceniza en el bagazo.
Humedad en el Bagazo
Es el porcentaje promedio del peso del agua en el bagazo alimentado a la caldera. La
humedad es un factor muy importante para la eficiencia por lo que también debe de
obtenerse el valor más real posible.
B-11
Poder Calorífico Superior
Es el factor que indica la cantidad de energía que se puede obtener por unidad de peso de
combustible. Se utiliza el poder calorífico superior ya que es el que se obtiene en las
mediciones del poder calorífico en el laboratorio. El valor promedio suele estar entre los
4000 y 4500 calorías por gramo; sin embargo esto puede variar dependiendo del tipo de
caña que se este procesando.
d. Otros Datos
Esta clasificación contiene los demás datos que se necesitan y no se ubican en las otras
clasificaciones. Estos datos se pueden observar en la Figura B. 9 y se describen a
continuación.
Figura B. 9 Imagen de “Otros Datos” en el Panel de Control “Datos de Entrada” en la Sección 1
P. Aire Atmosférico
Esta presión, que se encuentra en unidades de atmósferas, es la presión a la que está
sometido el aire ambiente antes de ser alimentado a la caldera y solamente se utiliza para
calcular el volumen de este aire por medio de la fórmula de los gases ideales.
Humedad del Aire
Es la cantidad de agua promedio contenida en el aire seco que se alimenta a la caldera
(libras de agua por libras de aires seco). Esta humedad puede ser obtenida de una carta
psicrométrica a la presión y temperatura atmósferica promedio. No es necesario ser tan
preciso con este valor debido a que no influye mucho en la eficiencia de la caldera.
B-12
Fracción de Partículas
Es la fracción másica del total de partículas emitidas en la chimenea de la caldera. Estas son
dos fracciones: la fracción de PM10 y la de PM2.5. La suma de estas dos fracciones no es
necesariamente 1 debido a que todas las PM2.5, por ser menores también a 10 micras, están
incluidas en las PM10.
− Resultados
Los resultados se presentan todos en la segunda subsección o viñeta que se puede observar
en la Figura B. 10.
Figura B. 10 Imagen de la Sub-sección “Resultados” de la Sección 1
Todos estos resultados se describen a continuación:
Bagazo alimentado
El bagazo alimentado es la cantidad de bagazo que es introducido a la caldera para ser
quemado (en unidades de toneladas por hora). Además se presenta también la cantidad de
bagazo seco sin ceniza que es la masa que realmente combustiona.
B-13
Eficiencias
Se presentan dos eficiencias: en base al poder calorífico superior y en base al poder
calorífico inferior. Son las eficiencias calculadas a partir de la energía que se utiliza para
calentar el vapor (desde la temperatura de alimentación hasta la temperatura del vapor de
salida) y el poder calorífico promedio del bagazo.
Remoción de Cenizas en el Sistema
Este valor será calculado en la parte de las variables específicas pero es presentado en esta
parte también para tener una mejor visualización de los resultados.
Velocidad de los Alimentadores
Esta velocidad es un porcentaje que se mide en relación a la proporción de uso de la
velocidad máxima de los alimentadores, que son los que introducen el bagazo a la caldera.
Entre mayor sea la velocidad más bagazo es introducido. La ecuación para calcular esta
relación se encuentra en la parte del cálculo de variables específicas de la caldera.
Tiro Forzado
El tiro forzado indica el porcentaje que mide la abertura del dámper del tiro forzado en
relación a la abertura máxima de este. En otras palabras este porcentaje indica la cantidad
de aire que está ingresando a la caldera, entre más alto el porcentaje de abertura más
cantidad de aire se está alimentando. La ecuación para calcular esta relación se obtiene en
el cálculo de las variables específicas.
Aire Exceso
Es la proporción entre la cantidad de aire sobrante que no combustiona con el bagazo
alimentado y el aire requerido para dicha reacción suponiendo que se lleva a cabo una
combustión completa.
B-14
Proporción aire/bagazo
Este valor indica la relación másica entre el aire alimentado a la caldera y el bagazo
quemado en esta. Esta relación no es la misma que se introduce como dato de entrada:
“Relación aire/bagazo” ya que la proporción, en este caso, es directamente entre las masas
de ambos flujos.
Flujo de Aire
Es la cantidad de aire que se alimenta a la caldera expresada en unidades de metros cúbicos
por segundo (m3/s).
T. Gases Después del Economizador
Es la temperatura obtenida luego de realizar todo el balance de energía y es la que sale
luego de haber intercambiado calor con el precalentador y el economizador.
Composición de Gases Secos
Los gases secos que salen por la chimenea son tres: dióxido de carbono, nitrógeno y
oxígeno. Las composiciones están expresadas en porcentajes en volumen (o molares) de
estos tres gases.
Concentración de PTS
Es la cantidad de cenizas o partículas que se encuentran por metro cúbico en los gases de
salida de la chimenea.
− Resultados para la Simulación de la Dispersión
Estos resultados se muestran haciendo un especial énfasis debido a que serán los valores
que se introducirán en el programa para la simulación la dispersión de particulado en los
alrededores de la chimenea. Estos datos son:
Flujo de gases
Es el flujo volumétrico en unidades de metros cúbicos por segundo (m3/s) de los gases
secos que salen de la chimenea.
B-15
Flujo de PTS
Es la cantidad total de partículas, expresado en unidades de gramos por segundo (g/s), que
salen de la chimenea junto con los gases de salida.
Flujo de PM10
Es la cantidad de partículas que salen de chimenea con un diámetro menor a 10
micrómetros.
Flujo de PM2.5
Es la cantidad de partículas que salen de chimenea con un diámetro menor a 2.5
micrómetros.
T. Gases de Chimenea
Es la temperatura de los gases de la chimenea, es decir, de los gases luego de haber pasado
por el sistema de remoción de partículas.
− Cálculo de Variables Específicas
Se ha mencionado anteriormente que estas variables específicas definen a la caldera y sus
partes y la distinguen en estas variables de las demás. Las tres variables que se definirán
para este programa son: Ecuación entre el bagazo alimentado y la velocidad de los
alimentadores, Remoción de cenizas y la ecuación entre la cantidad de aire alimentado con
la abertura del dámper del tiro forzado. A continuación se explicará con más detalle estas
variables.
Ecuación del bagazo alimentado
La pantalla del panel de control para esta parte del programa se observa en la Figura B. 11,
y consta de dos partes principales: el ingreso de los datos y la ecuación resultante. Se
describen a continuación:
B-16
Figura B. 11 Imagen del Panel de Control para la Ecuación del Bagazo Alimentado
Ingreso de datos para la obtención de la ecuación de la cantidad de bagazo
Los datos que se ingresarán corresponden al bagazo alimentado y la velocidad de los
alimentadores en el mismo instante. Estos datos deben de ser obtenidos de mediciones
previas de estos valores.
Ecuaciones Obtenidas
Las dos ecuaciones mostradas en la Figura B. 11, corresponden a la misma correlación de
los datos ingresados previamente, la diferencia es que se intercambia la variable
dependiente e independiente.
Remoción de cenizas y aire alimentado a la caldera
En esta división se muestran las otras dos variables a calcular, estas se pueden observar en
el panel de control mostrado en la Figura B. 12. En dicha figura se puede notar que hay 5
partes bien definidas para el ingreso y la obtención de los resultados de estas variables.
B-17
Figura B. 12 Imagen del Panel de Control para la Remoción de Cenizas y el Aire Alimentado a la
Caldera
En la primera parte se observa que se deben de introducir la fecha, la hora final y la inicial;
estas solo servirán para introducir todos los datos promedio obtenidos de las calderas en el
mismo periodo de tiempo y de esta forma ser coherente con los cálculos que se realizarán.
En la parte que tiene de título “Datos de Mediciones de Particulado y gases de Chimenea”
se introducirán los datos obtenidos en mediciones de chimenea. Estos datos son: Flujo de
gases secos de la chimenea, PTS promedio, % de oxigeno, Relación aire/bagazo y humedad
del aire.
En la parte de datos del bagazo se introducirán las características de bagazo quemado en el
periodo de tiempo que se está analizando. Estos datos ya fueron explicados anteriormente.
Luego, en la cuarta parte, se encuentran los resultados de la remoción de cenizas los cuales
son: el total de cenizas que entran en el sistema, las cenizas que salen del sistema y lo más
importante, el porcentaje de remoción.
B-18
En la quinta y última parte, se encuentra como resultado la ecuación de la relación del aire
alimentado, que servirá, según el modelo matemático para obtener la cantidad de aire que
ingresa a la caldera.
B.2.1 Sección 2. Calculador de emisiones de una caldera
Esta sección tiene partes muy similares e iguales a la sección 1, por lo se explicará
brevemente los detalles más importantes que distinguen a esta sección y que no se repiten
en la explicación anterior de el simulador de emisiones.
− Datos de Entrada
− Datos de Operación
Los datos de operación se pueden observan en el panel de control mostrado en la Figura B.
13. Como se puede observar en dicha figura solo se cuenta con tres de estos datos.
Figura B. 13 Imagen de los “Datos de Operación” en el Panel de Control “Datos de Entrada” de la
Sección 2
Velocidad de los alimentadores
Esta velocidad se explicó anteriormente en la parte de resultados de la primera sección del
PEEC, sin embargo, para este caso, este valor se debe de introducir como dato de entrada
que indicará de manera indirecta la cantidad de bagazo alimentado.
B-19
− Temperaturas
Las temperaturas ingresadas en esta sección son las que se muestran en la Figura B. 14, y
están compuestas por: la temperatura del aire atmosférico, temperatura del agua de
alimentación, temperatura del vapor producido y la temperatura de los gases de chimenea.
En este caso se introduce la temperatura de los gases de chimenea, que es la temperatura
final del sistema, debido a que no se realiza el balance de energía.
Figura B. 14 Imagen de las “Temperaturas” en el panel de control “Datos de entrada” de la sección 2
− Datos del bagazo
Los datos que se ingresan en esta parte del programa son los mismos que para la sección
del simulador de emisiones.
− Otros Datos
Los datos restantes es esta parte son también los mismos que los de la sección anterior.
− Resultados
Los resultados en este caso, son muy similares a los resultados de la primera sección del
programa, quitando únicamente solo algunos valores que no se obtienen como resultados
debido a las limitaciones de esta sección del programa. Se puede observar en la Figura B.
15el panel que muestra los resultados para el calculador de emisiones de una caldera.
B-20
Figura B. 15 Imagen de la sub-sección “Resultados” de la sección 2
− Cálculo de variables específicas
El cálculo de las variables específicas es prácticamente el mismo, introduciendo los mismos
datos y obteniendo los mismos resultados. En la sección 1, anteriormente explicada, se
puede ver con más detalle el cálculo de las variables específicas.
ANEXO C: DATOS METEOROLÓGICOS
C-1
ANEXO C: DATOS METEOROLÓGICOS
En el Anexo C se presentan los datos meteorológicos recolectados de una estación
meteorológica del SNET que se utilizaron de entrada para el modelo base.
Año
Mes
Día
Hor
a Cloud Cover
(Décimas) Temp (ºC)
HR (%)
Presión (Mbar)
Dir. Viento
(Grados)
Vel. Viento (Nudos)
Altura De Nube
(m) Radiación
(W/M 2)
2009 5 16 0 7 24.90 87 1008 294 3 450 2 2009 5 16 1 7 24.18 91 1008 16 1 450 2 2009 5 16 2 7 24.38 90 1007 43 1 450 2 2009 5 16 3 7 24.95 86 1007 58 1 450 2 2009 5 16 4 7 25.08 81 1008 66 3 450 3 2009 5 16 5 7 25.03 78 1008 66 3 450 4 2009 5 16 6 7 25.13 76 1009 84 3 450 27 2009 5 16 7 7 26.03 74 1009 58 1 450 146 2009 5 16 8 7 27.10 72 1010 47 1 450 309 2009 5 16 9 7 27.97 73 1010 300 1 450 500 2009 5 16 10 7 29.00 70 1010 278 2 450 835 2009 5 16 11 7 29.03 72 1010 313 1 450 1265 2009 5 16 12 7 28.97 67 1009 118 2 450 1783 2009 5 16 13 7 29.32 64 1008 140 2 450 2506 2009 5 16 14 7 28.98 67 1007 164 1 450 2938 2009 5 16 15 7 29.18 67 1006 206 2 450 3474 2009 5 16 16 7 28.85 68 1006 199 2 450 3871 2009 5 16 17 7 27.78 74 1006 210 1 450 3351 2009 5 16 18 7 27.28 74 1007 177 1 450 2 2009 5 16 19 7 27.28 75 1007 145 1 450 2 2009 5 16 20 7 26.67 79 1008 99 1 450 2 2009 5 16 21 7 26.28 81 1008 71 1 450 2 2009 5 16 22 7 25.90 82 1009 60 1 450 2
2009 5 16 23 7 25.53 84 1008 57 1 450 2 2009 5 17 0 7 25.62 82 1008 69 1 450 2 2009 5 17 1 7 25.37 85 1007 357 0 450 2 2009 5 17 2 7 26.13 85 1007 295 2 450 2 2009 5 17 3 7 25.52 84 1007 30 0 450 2 2009 5 17 4 7 25.33 84 1007 337 0 450 2 2009 5 17 5 7 25.23 83 1008 60 1 450 3
C-2
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C-6
2009 5 26 2 7 24.70 88 1008 60 2 450 11 2009 5 26 3 7 25.22 83 1008 67 2 450 11 2009 5 26 4 7 24.97 83 1008 50 1 450 11 2009 5 26 5 7 25.25 79 1008 64 2 450 15 2009 5 26 6 7 26.02 75 1009 60 3 450 79 2009 5 26 7 7 28.10 74 1009 301 2 450 320 2009 5 26 8 7 29.88 71 1009 275 2 450 772 2009 5 26 9 7 30.48 71 1010 276 2 450 1387 2009 5 26 10 7 31.28 70 1010 262 2 450 2139 2009 5 26 11 7 31.20 73 1009 251 2 450 3038 2009 5 26 12 7 31.10 71 1009 235 2 450 3966 2009 5 26 13 7 31.70 69 1008 237 2 450 4850 2009 5 26 14 7 31.80 68 1008 244 2 450 5631 2009 5 26 15 7 31.30 67 1007 247 3 450 6241 2009 5 26 16 7 30.38 68 1007 239 2 450 6586 2009 5 26 17 7 29.60 70 1007 244 2 450 5670 2009 5 26 18 7 28.40 74 1008 249 1 450 2 2009 5 26 19 7 28.22 75 1008 264 2 450 2 2009 5 26 20 7 28.23 75 1009 275 2 450 2 2009 5 26 21 7 27.70 79 1009 6 0 450 2 2009 5 26 22 7 27.35 81 1010 71 1 450 2
2009 5 26 23 7 27.18 82 1009 60 2 450 2 2009 5 27 0 7 26.48 85 1009 83 3 450 2 2009 5 27 1 7 26.62 83 1008 63 2 450 2 2009 5 27 2 7 26.43 82 1008 72 2 450 2 2009 5 27 3 7 26.05 84 1008 47 1 450 2 2009 5 27 4 7 25.53 86 1008 32 0 450 2 2009 5 27 5 7 25.63 84 1008 63 2 450 4 2009 5 27 6 7 26.62 77 1008 58 2 450 61 2009 5 27 7 7 29.08 70 1008 37 1 450 307 2009 5 27 8 7 30.47 69 1009 283 2 450 773 2009 5 27 9 7 30.82 69 1009 281 2 450 1432 2009 5 27 10 7 31.35 69 1009 269 3 450 2240 2009 5 27 11 7 31.30 69 1009 252 1 450 3140 2009 5 27 12 7 30.92 71 1009 206 2 450 4067 2009 5 27 13 7 31.23 71 1008 203 2 450 4946 2009 5 27 14 7 31.18 70 1007 214 2 450 5699 2009 5 27 15 7 31.25 68 1007 221 2 450 6303 2009 5 27 16 7 30.92 69 1007 244 3 450 6722 2009 5 27 17 7 29.35 74 1007 240 2 450 5738 2009 5 27 18 7 28.83 75 1008 260 2 450 4
C-7
2009 5 27 19 7 26.62 80 1008 262 1 450 5 2009 5 27 20 7 25.42 86 1009 137 1 450 6 2009 5 27 21 7 25.55 92 1010 69 1 450 7 2009 5 27 22 7 24.97 93 1010 67 1 450 8
2009 5 27 23 7 25.02 93 1010 357 0 450 9 2009 5 28 0 7 23.85 97 1010 128 0 450 10 2009 5 28 1 7 23.80 99 1010 77 3 450 10 2009 5 28 2 7 22.77 99 1011 73 3 450 11 2009 5 28 3 7 22.30 100 1010 46 1 450 12 2009 5 28 4 7 22.15 100 1010 61 2 450 12 2009 5 28 5 7 22.37 100 1010 74 2 450 14 2009 5 28 6 7 22.80 96 1010 84 4 450 62 2009 5 28 7 7 24.02 94 1010 7 0 450 246 2009 5 28 8 7 26.73 76 1011 85 1 450 539 2009 5 28 9 7 29.30 63 1012 273 1 450 987 2009 5 28 10 7 30.23 61 1011 261 2 450 1705 2009 5 28 11 7 30.93 62 1010 252 2 450 2526 2009 5 28 12 7 31.52 59 1009 272 2 450 3418 2009 5 28 13 7 30.62 62 1008 254 1 450 4098 2009 5 28 14 7 30.83 61 1007 196 1 450 4674 2009 5 28 15 7 30.40 61 1007 137 2 450 5130 2009 5 28 16 7 29.83 63 1007 125 2 450 5402 2009 5 28 17 7 29.53 64 1008 126 1 450 4601 2009 5 28 18 7 29.05 68 1009 114 1 450 5 2009 5 28 19 7 28.87 71 1010 107 1 450 5 2009 5 28 20 7 28.60 72 1010 121 1 450 5 2009 5 28 21 7 28.35 75 1010 104 1 450 5 2009 5 28 22 7 27.23 82 1010 104 1 450 5
2009 5 28 23 7 24.88 94 1011 282 3 450 6 Tabla C. 1. Datos meteorológicos de una estación meteorológica del SNET utilizados como entrada en
AERMET.
ANEXO D: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE LOS MODELOS EVAL UADOS
D-1
ANEXO D: MAPAS DE CONCENTRACIÓN DE LOS MODELOS EVAL UADOS
En el ANEXO D se muestran todos los mapas de concentración de los modelos evaluados
tomando en cuenta las variaciones realizadas en cada caso para evaluar la influencia de
cada una de las variables en la dispersión de los contaminantes.
Figura D. 1. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo Base.
D-2
Figura D. 2. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo Base
D-3
Figura D. 3. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo Base
D-4
Figura D. 4. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Humedad del Bagazo = 45%
D-5
Figura D. 5. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Humedad del Bagazo = 45%
D-6
Figura D. 6. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Humedad del Bagazo = 45%
D-7
Figura D. 7. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Humedad del Bagazo = 53%
D-8
Figura D. 8. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Humedad del Bagazo = 53%
D-9
Figura D. 9. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Humedad del Bagazo = 53%
D-1
0
Figura D. 10. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Relación aire/bagazo = 0.9
D-1
1
Figura D. 11. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Relación aire/bagazo = 0.9
D-1
2
Figura D. 12. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Relación aire/bagazo = 0.9
D-1
3
Figura D. 13. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Relación aire/bagazo = 1.0.
D-1
4
Figura D. 14. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Relación aire/bagazo = 1.0
D-1
5
Figura D. 15. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Relación aire/bagazo = 1.0
D-1
6
Figura D. 16. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF.
D-1
7
Figura D. 17. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF
D-1
8
Figura D. 18. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 150ºF
D-1
9
Figura D. 19. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF
D-2
0
Figura D. 20. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF
D-2
1
Figura D. 21. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Temperatura de Agua de Alimentación = 400ºF
D-2
2
Figura D. 22. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Flujo de Purga = 10 ton/h
D-2
3
Figura D. 23. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Flujo de Purga = 10 ton/h
D-2
4
Figura D. 24. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Flujo de Purga = 10 ton/h
D-2
5
Figura D. 25. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Flujo de Purga = 30 ton/h
D-2
6
Figura D. 26. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Flujo de Purga = 30 ton/h
D-2
7
Figura D. 27. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Flujo de Purga = 30 ton/h
D-2
8
Figura D. 28. Mapa de Dispersión PTS en Modelo con Terreno Elevado
D-2
9
Figura D. 29. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Terreno Elevado.
D-3
0
Figura D. 30. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Terreno Elevado.
D-3
1
Figura D. 31. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Edificaciones de 20m de Altura.
D-3
2
Figura D. 32. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Edificaciones de 20m de Altura.
D-3
3
Figura D. 33. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Edificaciones de 20m de Altura.
D-3
4
Figura D. 34. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Edificaciones de 50m de Altura
D-3
5
Figura D. 35. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Edificaciones de 50m de Altura
D-3
6
Figura D. 36. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Edificaciones de 50m de Altura.
D-3
7
Figura D. 37. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Fuente de Línea 1.
D-3
8
Figura D. 38. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Fuente de Línea 1.
D-3
9
Figura D. 39. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Fuente de Línea 1.
D-4
0
Figura D. 40. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Fuente de Línea 2.
D-4
1
Figura D. 41. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Fuente de Línea 2.
D-4
2
Figura D. 42. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Fuente de Línea 2.
D-4
3
Figura D. 43. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Chimenea de 20m de Altura.
D-4
4
Figura D. 44. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Chimenea con 20m de Altura.
D-4
5
Figura D. 45. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Chimenea con 20m de Altura.
D-4
6
Figura D. 46. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Chimenea con 50m de Altura.
D-4
7
Figura D. 47. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Chimenea con 50m de Altura.
D-4
8
Figura D. 48. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Chimenea con 50m de Altura.
D-4
9
Figura D. 49. Mapa de Dispersión de PM10 Cuando la Relación PM10/PTS = 0.80
D-5
0
Figura D. 50. Mapa de Dispersión de PM10 Cuando la Relación PM10/PTS = 0.99
D-5
1
Figura D. 51. Mapa de Dispersión de PM2.5 Cuando la Relación PM2.5/PTS = 0.3
D-5
2
Figura D. 52. Mapa de Dispersión de PM2.5 Cuando la Relación PM2.5/PTS = 0.60
D-5
3
Figura D. 53. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 2%.
D-5
4
Figura D. 54. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo de con Porcentaje de Ceniza = 5%.
D-5
5
Figura D. 55. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 2%.
D-5
6
Figura D. 56. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 5%.
D-5
7
Figura D. 57. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Porcentaje de Ceniza de 5%
D-5
8
Figura D. 58. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Porcentaje de Ceniza = 5%.
D-5
9
Figura D. 59. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g.
D-6
0
Figura D. 60. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g
D-6
1
Figura D. 61. Mapa de Dispersión de PM2.5 en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4200 cal/g.
D-6
2
Figura D. 62. Mapa de Dispersión de PTS en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g.
D-6
3
Figura D. 63. Mapa de Dispersión de PM10 en Modelo con Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g.
D-6
4
Figura D. 64. Mapa de Dispersión de PM2.5 con Poder Calorífico del Bagazo = 4600 cal/g.
D-6
5