RETENCIÓN DE CONTAMINANTES.

PREVENCIÓN DE SUPERACIÓN DE LÍMITES

Por JUAN TEMBOURY VILLAREJO

Introducción

Salvo en casos limitados de utilización de fuentes complementariasenergéticas (solar, eólica, geotérmica, etc.) —de escasa participación yprevisible crecimiento reducido en un futuro próximo— la producción deenergía eléctrica tiene lugar mediante centrales hidráulicas, plantas térmicasalimentadas con combustibles fósiles o centrales nucleares. En todas ellas,a través de fases de distinta complejidad, se produce la transformación dela energía contenida en la materia prima en energía eléctrica.

Aunque la electricidad es una forma esencialmente limpia de la ene’rgía,todos los sistemas generadores ejercen un cierto efecto, más o menosacusado, sobre el medio ambiente.

Una parte importante de las plantas productoras la constituyen las centralestermoeléctricas alimentadas con combustibles fósiles: gas natural, derivadoslíquidos del. petróleo y carbones. Un número reducido de instalacionesemplean combustibles particulares: gases industriales, residuos urbanos,madera, etc., generalmente muy ligados a la fuente de suministro y conproblemas ambientales muy específicos.

En todas estas instalaciones, mediante el proceso de combustión en unacaldera, se extrae la energía interna del combustibles en forma de calor, estaenergía transferida al vapor de agua se convierte en la turbina de energíamecánica que, finalmente, se transforma en eléctrica en e! alternador.

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En general, debido a la variedad y diferencias de calidad de las materiasprimas, las centrales alimentadas con combustibles fósiles son las quepresentan una mayor gama de efectos potenciales sobre el medio ambiente.Todas estas instalaciones presentadan una serie de efectos comunes, sibien otros dependen específicamente del tipo de combustible. En estesentido, la problemática más compleja se encuentra en las centrales decarbón.

De hecho, la fracción más importante de la producción mundial de carbonesse destina a la generación eléctrica. Aunque en todas las fases del ciclo deempleo de los carbones —extracción, preparación, transporte, almacenamiento, conversión y utilización— se producen impactos ambientales dediversa magnitud, éstos son más acusados en los sistemas de combustióntanto por la naturaleza de la materia prima como por las importantescantidades de residuos, materiales y energéticos, producidos.

La magnitud de las interacciones potenciales entre carbón y medioambiente depende de las características físicas y químicas del combustible,el tipo de proceso utilizado, la operación de los sistemas depuradores y lanaturaleza del medio receptor en que, con mayor o menor carga contaminante,terminan dispersándose los efluentes.

Existen una gran variedad de soluciones tecnológicas para limitar ominimizar los efectos negativos derivados del uso del carbón aunque elgrado de depuración o anulación deseables llevan unidos a su viabilidadtécnica un inseparable condicionante económico que puede limitar suaplicación. Por ello, la selección de una determinada tecnología requiereuna cuidadosa valoración de la relación coste-beneficio.

A continuación se estudiará la formación de efluentes en los procesosgeneradores de energía eléctrica a partir de carbones —como caso máscomplejo del empleo de combustibles fósiles— así como los sistemasactualmente aplicados a la limitación de las emisiones contaminantes y a lareducción de sus efectos sobre el medio natural que rodea a lasinstalaciones productoras.

Características de los carbones en relacióncon la formación de efluentes

La causa principal de la producción de contaminantes en la combustión delos carbones se encuentra en la naturaleza físico-química de éstos, queconstituyen una de las materias primas naturales más complejas.

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Desde el punto de vista de su utilización industrial, se identifican por sucorrespondiente rango (antracita, carbón bituminoso, subituminoso, lignito,turba), clasificándose de acuerdo con su análisis inmediato (humedad,cenizas, materias volátiles, carbono fijo), su potencia calorífica y algunasotras propiedades como su carácter aglomerante o coquizante, petrografía,etcétera.

Cuadro 1.—Principales minerales identificados en los carbones.

Mineral Composición química

Minerales de las arcillas

— Montmorillonita Si4Olo(OH)2A12 x H20— hita (Si3OioAh) AI2K (OH)2— Caohinita Si4OloAl4 (OH)8— Haloisita Si4OloAh4 (OH)8— Clorita (Si3OloAI) H o Mg5AI (OH)8

Sulfuros— Pirita S2Fe— Marcasita S2Fe

Sulfatos— Yeso S040a.2H20— Anhidríta S040a— Melanterita SO4Fe.7H20

Haluros— Silvinita 01K—. Hahita CINa

Oxidos— Sílice Si02— Hematites Fe203— Rutilo Ti02— Limonita FeO.OH.nH2O

Carbonatos— Calcita CO3Ca— Dolomita 003 (Ca, Mg)— Siderita 003 Fe

Fosfatos— Apatito (Fluorapatito) (P04)30a5 (F, CI, OH)

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Sin embargo, para evaluar su comportamiento en la combustión. y supotencial contaminante se requiere un conocimiento más detallado de suconstitución.

Fundamentalmente, pueden distinguirse en el carbón dos fraccionesprincipales: la materia orgánica y los componentes inorgánicos. La fraccióninorgánica, enérgicamente estéril, incluye el agua (humedad, agua deconstitución o hidratación) y una amplia variedad de minerales (cuadro 1,p. 1 27). Estos últimos corresponden aproximadamente al contenido encenizas obtenido en el análisis inmediato. Proceden tanto de los componentesinorgánicos existentes en los vegetales que dieron lugar al carbón —materiamineral singenética o inherente— como de los productos de acarreo alyacimiento a lo largo de su evolución —minerales epigenéticos o adventici os—.

Dentro de la materia mineral deben destacarse, desde el punto de vistaambiental, los compuestos inorgánicos del azufre: sulfato (habitualmente encantidad muy reducida) y los polisulf uros de hierro, S2Fe (azufre pirítico), porla general en forma de los minerales pirita o marcasita y que constituyen unade las fuentes de los óxidos de azufre producidos en la combustión.

La «fracción orgánica» del carbón es una mezcla muy compleja demacromoléculas aromáticas e hidroaromáticas, con numerosos gruposfuncionales, unidas por puentes hidrocarbonados (figura 1, p. 1 28). En ellareside el contenido energético de los carbones. Está constituida por cincoelementos químicos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nit,rógeno y azufre.También aquí es de máxima importancia el azufre orgánico présenteformando parte de diversos grupos funcionales.

El nitrógeno se encuentra en los carbones formando únicamente combinaciones orgánicas e interviene parcialmente en la formación de óxidos denitrógeno durante la combustión.

Los restantes elementos de la materia orgánica (C, H, O, S) se encuentranasimismo formando parte de combinaciones inorgánicas en la materia.

Combustión y productos de combustión de los carbones

Sistemas de combustión

En el hogar de una caldera se produce el proceso de combustión del carbón,entendiéndose como tal la rápida reacción química de los componentescombustibles con el oxígeno del aire. Con objeto de conseguir una

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reaccción lo más completa posible, se utiliza siempre un cierto exceso deaire sobre el estoquiométricamente necesario.

En la industria, la combustión se lleva a cabo en calderas de carbónpulverizado, de parrillas o con hogares de tipo ciclán. Sin embargo, en lasgrandes centrales termoeléctricas actuales predominan las calderas delprimer tipo.

Tanto en el aspecto de la combustión como en el de formación de efluentes,se comportan de modo similar al carbón las mezclas carbón-fuel oil (COM)o carbón-agua, de momento, en fase de experimentación, y que, orientadasen muchos casos a la sustitución de productos petrolíferos en calderasmodificadas, suelen hacer uso de carbones de alta calidad.

La combustión en lecho fluidizado requiere una consideración algodiferentes. La incorporación de aditivos fijadores de azufre (caliza, dolomita)y una menor temperatura de combustión (850-900 °C) disminuyen notablemente la magnitud de las emisiones gaseosas de dióxido de azufre y óxidode nitrógeno. En contrapartida, se produce una mayor cantidad de residuossólidos y, en ocasiones, se generan contaminantes adicionales (por ejemplohidrocarburos).

Productos de la combustión del carbón

Efluentes gaseosos. En la combustión de un producto constituido únicamentepor carbono e hidrógeno, quemado con un exceso de aire adecuado y sinreacciones secundarias, se producirían dióxido de carbono (C02) y vapor deagua (H20) a los que habrían de añadirse el nitrógeno y el exceso deoxígeno procedentes del aire de combustión. Ninguno de estos productostiene la consideración de contaminante atmosférico (Sin embargo, elcreciente aumento de las emisiones de C02 es causa de cierta preocupaciónante una eventual modificación del clima mundial debida al controvertidoefectp invernadero).

La situación se complica en la combustión de los carbones y otroscombustibles fósiles. Así, durante el proceso, tanto el azufre orgánico comoel pirítico del carbón se oxidan a dióxido de azufre (S02), con una pequeñaformación simultánea de trióxido de azufre (S03) normalmente inferior al 2por 1 00 del total.Debe señalarse, no obstante, que no todo el azufre del carbón se emite enforma de óxido de azufre gaseosos. Una fracción variable queda retenida enlos residuos sólidos, combinada con los componentes alcalinos de lascenizas. La extensión de esta retención depende de las características del

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carbón y de las condiciones de la combustión. Algunos procesos dereducción de emisiones (por ejemplo, la combustión en lecho fluidizado o lainyección de aditivos en el hogar) persiguen precisamente el incremento deesta retención «natural» del azufre.

A diferencia del caso del azufre, la formación de óxidos de nitrógeno (NOx)depende tanto del contenido en nitrógeno del combustible como de lascondiciones de la combustión (temperatura, exceso de aire, tipo dequemadores, etc.). Así, se distingue entre óxidos de nitrógeno térmicos,producidos por oxidación del nitrógeno del aire de combustión, y óxidos denitrógeno del combustible que proceden de los compuestos nitrogenadosdel carbón. El producto principal formado en la combustión es el óxido nítrico(NO): en pequeña proporción se produce dióxido de nitrógeno (N02).

En menores proporciones pueden formarse monóxido de carbono (CO),resultado de una combustión incompleta, trazas de compuestos halogenados,hidrocarburos y algunos elementos inorgánicos vaporizados en el proceso.

Residuos sólidos. Durante la combustión, la materia mineral del carbónexperimenta una serie de transformaciones físico químicas separándose enforma de dos tipos de productos claramente diferenciados: escorias delhogar y cenizas volantes. Las primeras, que en ocasiones se producenfundidas, suelen ser densas, gruesas y frecuentemente forman agregadosvoluminosos. Las cenizas volantes, de granulometría muy fina y bajadensidad aparente, son arrastradas por los gases de combustión recogiéndose, en su mayor parte, en los sistemas de depuración de polvo—electrofiltros, ciclones, etc.—

La proporción en que se forman estos dos tipos de materiales depende tantode la finura del carbón como del tipo de instalación de combustible,cuadro 2.

Cuadro 2.—Distribución de las cenizas volantes y las escorias.

Escorias CenizasTipo de hogar del hogar volantes

(Tanto por ciento) (Tanto por ciento)

Carbónpulverizado 1 0-30 70-90Hogar ciclónico 70-90 10-30Calderade parrillas 40-70 30-60

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Las cenizas volantes no retenidas en los sistemas de depuración se emitena la atmósfera juntamente con los gases de combustión. Las de mayortamaño se depositan poco después de su emisión (materias sedimentables)mientras que las más finas pueden permanecer largo tiempo en la atmósferatransportándose a mayores distancias (partículas en suspensión).

La granulometría de las partículas emitidas es objeto cada vez de mayoratención; las inferiores a 10 m se consideran peligrosas para la salud.También se estudia más detalladamente su contenido en elementos trazaque, en algunos casos, se volatilizan en la combustión y experimentan unenriquecimiento en las cenizas volantes (As, Cd, Cu, Ga, Pb, Sb, Se, Zn).

Ef/yentes energéticos. En el proceso de producción de energía eléctrica sólose hace uso de una reducida fracción (35-37 por 1 00) de la energía químicadel combustible. Ello significa que una importante cantidad de calor residualha de verterse al medio ambiente. Con objeto de evitar determinados efectosambientales, la eliminación de este calor implica la aplicación de sistemasespecíficos de intercambio térmico.

Cantidad de efluentes producidos en la combustión. La determinación de lacantidad de efluentes originados en los procesos de combustión constituyeun dato básico para el diseño de los sistemas de depuración. En granmedida es posible determinar con razonable exactitud la producción deefluentes mediante balances de materia y energía. Sin embargo, en algunasemisiones, la práctica de la explotación será la que determine su exactamagnitud.

Para valorar, de forma aproximada, la cantidad de efluentes contaminantespuede hacerse uso de los «factores de emisión», obtenidos estadísticamentey que permiten estimar la cantidad de estos productos que previsiblementeexistirán en los gases de combustión antes, de su paso por cualquer sistemade depuración. El cuadro 3, resume los recopilados por la EnvironmentalProtection Agency de los Estados Unidos, adoptados en parte por elMinisterio de Industria y Energía español.

Efluentes y emisiones en una central térmica de carbón

En una planta de este tipo son los circuitos fundamentales:— Sistema de combustiÓn del carbón (figura 2, p. 134): Sistemas de manejo,

almacenamiento y preparación del carbón; aire de combustión; calderade vapor; circuito de gases de combustión (conductos, recuperadores decalor, depuración de gases y chimenea) y sistema de eliminación deresiduos sólidos.

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Cuadro 3.—Factores de emisión en grandes centrales térmicas, kg/t de carbónquemado.

Tipo de carbón e instalación Partículas SO2 NO, SO Hidrocarburos

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A = Tanto por ciento de cenizas S = Tanto por clento de azufre

(a) Dado el contenido en alcalinos y alcalinotérreos en los lignitos de los Estados Unidos, losfactores de emisión de SO2 oscilan entre 8,5.S y 17,5.S.

— Circuito agua-vapor: plantas de preparación de aguas, sistemas decalentamiento y producción de vapor, turbina, refrigeración del condensad,or y plantas de tratamiento de aguas residuales: . —

— Sistema de generación eléctrica: generador (alternador), transformadores,líneas de salida, etc.

La operación del sistema de combustión afecta fundamentalmente a laatmósfera y los terrenos; el sistema agua-vapor es responsable de losprincipales vertidos térmicos y de la formación de efluentes líquidoscontaminantes.

En la figura 2, p. 1 34, se han señalado los principales efluentes y emisionesdel sistema de combustión. En las figuras 3 y 4, pp. 136-1 37, se indicanesquemáticamente los principales vertidos líquidos en dos casos típicos yrepresentativos: una central con circuito cerrado de refrigeración y torre deenfriamiento de tipo húmedo (figura 3) y una planta térmica con circuitoabierto refrigerada con agua de mar (figura 4).

Una central térmica necesita para su operación importantes cantidades deagua. En unos casos de modo continuo (alimentación al generador de vapor,refrigeración, etc.) y en otros intermitentemente (operaciones de limpieza,preparación de agua de alimentación, riegos y sistema de incendios, etc).

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Pero de todas las operaciones la que requiere, con gran diferencia, la mayorcantidad es la refrigeración del condensador.

En la operación de la central han de eliminarse continuamente grandescantidades de calor. Una cierta fracción 1.0 .hace con los gases decombustión por la chimenea pero la eliminación de la parte más importantetiene lugar en el sistema de refrigeración del condensador. Para evitar ladenominada «contaminación térmica’>, este calor ha de disiparse en elmedio ambiente sin provocar élevaciones importantes de la temperatura.

Los dos sistemas de aplicación más generalizada son el circuito abierto y elcerrado con torres de refrigeración. En el primero el efluente caliente sedispersa en la masa de agua que sirve de alimentación a la central —en laactualidad se usa fundamentalmente en la refrigeración por agua de mar—.En el sistema de circuito cerrado con torres de refrigeración de tipo«húmedo’>, el enfriamiento del agua se produce por evaporación y porintercambio de calor sensible con el aire que circula por la torre.

En este último sistema, la evaporación de una cantidad bastante importantedel agua de refrigeración da lugar a la formación de un penacho visible devapor. Al hecho indudable de su impacto visual, se ha pretendido añadir laproducción de ciertos efectos sobre el microclima de la zona próxima a adescarga, que normalmente, no son detectables.

Por otra parte, la evaporación de agua producida en la torre conduce a unaconcentración de las sales existentes en el circuito. Para evitar unaacumulación excesiva, con los consiguientes riesgos de formación dedepósitos e incrustaciones, es necesario proceder a una purga del agua encirculación y a una reposición con agua de aporte.

En las cantidades comparativas mucho más reduidas y dé producciónlocalizada se generan una serie de vertidos líquidos que, en algunos casosse presentan fuertemente contaminados: purga de la caldera, efluentes delimpieza químicas, lavadp de precalentadores aguas de arrastre de cenizas,residuos de las plantas de preparación y tratamiento de aguas, etc.

Finalmente, como forma de contaminación ambiental puede señalarse elruido, cuyas fuentes productoras se encuentran muy dispersas y que, enocasiones puede llegar a trascender de los límites de la planta. Los puntosmás comunes productores de ruido son los equipos en movimiento, válvulasde seguridad, vibraciones, operaciones se soplado, maquinaria, torres derefrigeración, etc.

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4— 137 —

Como resumen de lo indicado, la figura 5, señala los principales focospotenciales de contaminación en una central de carbón con eliminación decenizas por vía húmeda (almacenamiento en balsa).

Límites de emisión y criterios de calidad ambiental

La acción de un contaminante sobre el medio ambiente depende de laconcentración alcanzada en el punto considerado y de la duración de su•actuación, es decir, en función de su dosis. Por tanto, la primeraconsideración a tener en cuenta en el diseño de cualquier actividadindustrial y de sus sistemas de depuración es el mantenimiento en suentorno de concentraciones lo suficientemente bajas para no causar dañossobre los seres vivos o las propiedades. Estas concentraciones, recogidasen las reglamentaciones ambientales, son los criterios de calidad del aire oniveles de inmisión.

Sin embargo, puesto que sobre las inmisiones actúan un gran número defactores ajenos a la instalación industrial y normalmente fuera de su control—presencia de otros emisores fijos o móviles, naturaleza de la zona,condiciones meteorológicas, etc.—, la eficacia de una planta depuradora hade especificarse tomando como base unos determinados niveles de emisióncompatibles con el mantenimiento de la calidad ambiental en el área deinfluencia de la planta. Estos niveles de emisión se encuentran, asimismo,establecidos legalmente en numerosas reglamentaciones.

En el caso de España la reglamentación relativa a la contaminaciónatmosférica se encuentra razonablemente detallada; no ocurre lo mismo, sinembargo, para las aguas y, en cierto grado, para los residuos industriales.

En lo que se refiere a los criterios de calidad del aire ambiente, el Decreto833/1975, de 6 de febrero, que desarrolla la Ley 38/1972, de Protección delAmbiente Atmosférico, incluye los niveles de inmisión admisibles paradistintos contaminantes. Más recientemente, el Real Decreto 1.613/1985,de 1 de agosto, ha modificado parcialmente el Decreto anterior estableciendohuevas normas de calidad en los referente a la contaminación por dióxido deazufre y partículas. La nueva normativa implanta en España la reglamentaciónvigente en le CEE para estos dos productos.

Los criterios de calidad del aire son de aplicación general en todo el territorioespañol.

El citado Decreto 833/1 975, especifica también los límites de emisión parael dióxido de azufre y las partículas sólidas en las centrales térmicas

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alimentadas con combustibles fósiles. No existe reglamentación específicarelativa a las emisiones de óxidos de nitrógeno en estas instalaciones.

Por su parte, el Decreto 2.204/1975, de 23 de agosto, tipifica lascaracterísticas, calidades y condiciones de empleo de combustibles ycarburantes. Incluye las calidades requeridas en los carbonos de usoindustrial y los utilizables en centrales térmicas.

Tanto en el Decreto anterior, como en el 833/1975 y en otras disposiciones,la legislación española contempla la necesidad de utilizar carbonesnacionales de baja calidad. En tales circunstancias, los límites de emisiónserán fijados por el Ministerio de Industria para cada caso particular. Dehecho, un gran número de centrales españolas tienen autorizadas concentraciones de emisión de contaminantes superiores a las legisladas concarácter general.

No existe todavía un cuerpo de legislación similar para la contaminación deaguas. En el Real Decreto 849/1 986, de 11 de abril, que desarrolla algunostítulos de la Ley de Aguas 29/1985, de 2 de agosto, se señalan losparámetros característicos a considerar, como mínimo, en el tratamiento delos vertidos líquidos y establece el canon de vertido de efluentescontaminantes.

Con anterioridad, las resoluciones de autorización administrativa para laconstrucción de nuevas centrales térmicas solían incluir algunos condicionantes relativos a las características de los distintos vertidos líquidos.

En cuanto a los criterios de calidad de aguas, una Circular de la DirecciónGeneral de Obras Hidráulicas (MOP), de 21 de junio de 1960, sobreinstrucciones y valoración de las diversas características de las aguas delos cauces públicos, según su clasificación establecida por la OrdenMinisterial de 4 de septiembre de 1 959, incluye —sin carácter vinculante—las normas de calidad para los cursos protegidos, vigilados y normales, concifras ocasionalmente muy poco realistas.

El Reglamento de actividades molestas, insalubres, nocivas y peligrosas(Decreto 2.414/1961 ,de 30 de noviembre) incluye algunas concentracionesmáximas permisibles en el vertido de aguas residuales industriales, con uncarácter sumamente restrictivo.

En la Orden Ministerial de 23 de abril de 1 977 (MOP) que regula los vertidosal mar de aguas residuales, a través de emisarios submarinos, se incluyenalgunas consideraciones acerca de sus características.

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No existe una legislación específica sobre residuos sólidos industriales y,por último, puede indicarse que la normativa sobre control del ruido seencuentra incluida en el Reglamento de actividades molestas, insalubres,nocivas y peligrosas y en la Ordenanza general de seguridad e higiene en eltrabajo.

Sistemas para la prevención de superación de límites

Para controlar las emisiones de una actividad ndustrial y la calidadambiental en su entorno existen diversas estrategias generales que puedenaplicarse por separado o combinadas. Entre ellas pueden citarse:— Cambio del tipo de proceso o de las materias primas.— Eliminación de los residuos indeseables con sistemas de control.— Mantenimiento de los residuos dentro de los límites de la planta en

condiciones deseguridad.— Disminución de la cantidad de residuos por reciclado o reutilización.— Vertido controlado al exterior manteniendo la calidad ambiental.

Aún aplicando sistemas de depuración adecuados, raramente es posibleeliminar por completo todos los contaminantes y, manteniendo los niveles deemisión prescritos, los efluentes pueden contener desde trazas a cantidadessignificativas. Por ello, para mantener lo criterios de calidad ambiental suelerecurrirse como acción final a la capacidad dispersante del medio receptoren un proceso genéricamente denominado «control por dilución».

En el caso de contaminantes gaseosos confinados en un proceso, comoocurre en. la combustión, a utilización de chimeneas de altura adecuada esuna práctica de aplicación universal.

La dilución en cursos de agua, embalses o en el mar es también usual en elvertido de efluentes líquidos en que la capacidad autodepuradora delsistema receptor contribuye a la eliminación de los contaminantes.

Como se ha visto en lo que antecede, en una central térmica de carbón losproblemas más acusados son los relacionados con los residuos gaseosos ysólidos de la combustión. Los restantes efectos requieren acciones máslimitadas por su carácter restringido y son semejantes a los de otras plantastérmicas.

Evidentemente, aunque lo deseable sería adoptar acciones correctoras enlas etapas previas o las iniciales del proceso, la viabilidad técnica yeconómica de cada solución y los condicionantes específicos de cada casoserán los que definan el sistema a adoptar.

— 141 —

A continuación se examinarán brevemente diversas alternativas de actuación.

Control de la contaminación atmosférica

TECNOLOGÍAS PRECOMBUSTIÓN

Su objetivo es la obtención de un combustible con la menor carga posible deaquellos compuestos que en la combustión dan lugar a emisionescontaminantes.

Mezclas de carbón con combustibles limpios. Con una selección adecuadadel combustible puede conseguirse perfectamente el mantenimiento de loslímites de emisión. La mezcla con carbones de alta calidad, mediantesistemas de homogeneización, constituye una práctica industrial habitual.

Cuando se dispone de gas natural o de derivados petrolíferos bajos enazufre, la instalación de quemadores adecuados permitirá la regulación delas emisiones. La utilización de mezclas carbón fuel-oil constituye tambiénuna solución alternativa.

Mejora de la calidad de los carbones. El lavado de determinadas calidadesde carbones es un sistema habitual para reducir su contenido en estériles ymejorar su potencia calorífica. En los procesos físicos de lavado, utilizadosindustrialmente, se produce simultáneamente la eliminación de una fraccióndel azufre pirítico del carbón. El grado de eliminación del azufre puedeoscilar entre un 1 0 y un 50 por 1 00 del azufre total, estando fuertementeasociado al tipo de carbón y a la forma física de los compuestos de azufreexistentes en el mismo.

La.depuración química del carbón, que lleva a la eliminación adicional delazufre combinado orgánicamente, es una tecnología cara que todavía no haalcanzado la etapa de explotación comercial.

Conversión del carbón en otro combustible limpio. La gasificación o lalicuefacción de los carbones, incluyendo las necesarias fases de depuración,dan lugar a combustibles de alta pureza. Aunque los procesos, particularmenteen el caso de la gasificación, se practican a escala industrial no soneconómicamente aplicables a la generación de energía eléctrica porcombustión directa.

El desarrollo de ciclos combinados, con rendimiento energético máselevado, quizá permita una aplicación comercial en un futuro medio a lejano.

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PROCESOS DE COMBUSTIÓN DE BAJAS EMISIONES

— Calderas convencionales

Modificaciones en la combustión. Existe una serie de tecnologías deaplicación comercial en las que, por modificación en los diseños de losquemadores o en las condiciones de la combustión del carbón, se consigueuna reducción en la formación de óxidos de nitrógeno, fundamentalmente enlos de origen térmico.

En este sentido pueden mencionarse la combustión con bajo exceso de aire(en la que reduciendo el exceso de aire suministrado a los quemadores esposible conseguir una reducción de hasta un 20 por 1 00 en las emisiones deNOx), la combustión escalonada y la adición de aire sobre quemadores(reducciones de NOx entre el 1 0 y el 40 por 1 00), la operación de baja cargao la recirculación de gases de combustión fríos.

El empleo de quemadores denominados «de bajos óxidos de nitrógeno», quereducen la formación de los NOx retrasando la mezcla del combustible conel aire, limitando, por tanto, la disponibilidad de oxígeno libre, ha alcanzadoya amplia difusión. Con diseños avanzados, todavía no comercializados, sehan conseguido reducciones de NO superiores al 50 por 1 00.

En la figura 1 5, p. 1 62, puede apreciarse la instalacióñ de estas medidasprimarias de reducción de emisiones de NO en una calde’ra japonesaalimentada con carbón de alta calidad.

Inyección de aditivos en el hogar. La fijación de azufre por los compuestosalcalinos de las cenizas del carbón —a que se hizo referencia en el punto«Influentes gaseosos», p. 130—, puede incrementarse notablemente porinyección de aditivos fijadores de azufre, tales como la caliza, el hidróxidocálcico o la dolomita, en el hogar de la caldera.

El proceso depende, en buena medida, de las características del hogar y delas condiciones de la combustión y, aunque las reducciones en la emisiónde S02 pueden oscilar entre un 10 y un 40 por 100, sus costes sonmoderados y su aplicación es factible a calderas existentes.

Cuando la inyección se realiza mediante quemadores de diseño adecuadose consigue simúltáneamente una reducción en la formación de dióxido deazufre y de óxidos de nitrógeno (figura 6, p. 1 44).

En la actualidad se estudia activamente la inyección de aditivos alcalinos enotros puntos del circuito de temperatura más favorable para la fijación delazufre (conductos, sistemas de separación de polvo, etc.).

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Lá inyección de aditivos aumenta, indudablemente, el contenido en sólidosd,e tos gases de combustión lo que puede exigir la ampliación de los equiposdepuradores.

— Sistemas de combustión avanzados

Cómbustión en lecho fluidizado con aditivos. La combustión del carbón enlecho fluidizado, con utilización de aditivos fijadores de azufre (caliza,dolomita) es una tecnología desarrollada industrialmente. Presenta laventaja de reducir simultáneamente las emisiones de dióxido de azufre y deóxidos de nitrógeno. Está ganando plena aceptación comercial hasta elpunto de que, en un futuro próximo, puede constituir la alternativa máspráctica para la utilización energética de carbones de baja calidad.

Básicamente el proceso consiste en la combustión del carbón en un lechode caliza —en ocasiones, dolomita—, que se mantiene fluidizado medianteel aire de combustión. La caliza reacciona con el dióxido de azufre formadoen la combustión produciéndose sulfato cálcico que se elimina juntamentecon las cenizas del carbón. La capacidad de eliminación de azufre puedealcanzar cifras superiores al 90 por 100.Por otra parte, dada la baja temperatura de combustión (típicamente en elintervalo de 850 a 900 OC) prácticamente se elimina la formación de óxidosde nitrógeno «térmicos>). Con ello, los niveles de emisión de NOx resultanclaramente inferiores a los de las calderas de carbón pulverizado.

Los costes de estos sistemas resultan similares a los de una calderaconvencional provista de sistemas de desulfuración de gases. Sin embargo,esta tecnología está limitada generalmente a su utilización en unidadesnuevas; su adaptación a calderas existentes no es fácil.

Comercialmente existen en la actualidad dos variantes de calderas de lechofluidizado: lecho estacionario —también conocido como burbujeante— ylecho circulante (figura 7, p. 146).

Una tercera generación, actualmente en fase de planta piloto pero coninmediata construcción de varias unidades industriales de demostración(entre ellas, la central térmica de Escatrón que quemará carbonessubituminosos aragoneses), son las calderas de lecho fluidizado presurizadas.Las calderas de lecho estacionario se caracterizan por una velocidadrelativamente baja de los gases que atraviesan el lecho de material inerte(1,3 mIs). La extracción de calor se realiza mediante tubos de caldera y delsobrecalentador inmersos en el lecho.

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Los hogares de lecho circulante se caracterizan por mayores velocidadesde los gases y menor tamaño de los materiales del lecho. este se divide endos zonas: la primaria, en la que se introducen el combustible, la caliza,material de reciclo y el aire primario (normalmente un 50 por 100 del total),y la zona secundaria, en la que se inyecta el resto del aire necesario. Elafecto de este escalonamiento en la adición de aire es una reducciónadicional en la formación de NOx. Por otra parte, con estos diseños sealcanza una más eficiente sulfatación de la caliza y, por tanto, un menorconsumo.

En las calderas de lecho fluidizado presurizado, como su nombre indica, elproceso opera bajo presiones relativamente elevadas en el lado gas (7 a 20atmósferas). Con ello se consigue una elevación en los coeficientes detransferencia térmica global y una reducción en la superficie de tubos de lacaldera. Estas calderas funcionan integradas en un sistema de ciclocombinado: el de vapor que acciona un sistema convencional turbinagenerador y el de los gases a alta presión que mueven una turbina de gas.Orientados fundamentalmente a la generación de energía eléctrica, conestos sistemas es posible obtener rendimientos energéticos próximos al 40por 1 00, claramente superiores a los de las calderas convencionales.

En contrapartida a las ventajas indicadas, los sistemas de lecho fluidizadodan lugar a una mayor cantidad de residuos sólidos debidos a la adición decaliza o dolomita, con •un mayor contenido en elementos traza, lo queincrementa los problemas de eliminación.

TECNOLOGÍAS POSCOMBUSTIÓN

— Depuración de los gases de combustión

Eliminación de las partículas sólidas. Constituye una práctica habitual desdehace muchos años, disponiéndose de tecnologías bien establecidas y dealta eficacia. Las limitaciones legales, tanto en la cantidad como en lagranulometría de las partículas emitidas, han provocado un natural desplazamiento desde los primitivos separadores mecánicos hasta los equipos degran rendimiento como son los precipitadores elestrostáticos o los filtros demangas.

— Colectores mecánicos de polvo

El sistema más utilizado es el ciclón (figura 8, p. 148), normalmente enbaterías de numerosos equipos individuales, largos y de pequeño diámetro,constituyendo los multiciclones.

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Figura 8.—Colector mecánico depolvo ciclón.

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Entrada de gasesy partículas

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Reparador ciclónico

148 —

Su eficiencia se encuentra entre el 80 y el 90 por 100 (hasta un 95 por 100enjos multicicloñes), pero son poco efectivos en la captación de partículasinferiores a los 1 0 m. Actúan por vía seca, su diseño es sencillo, fácil sumantenimiento y son de bajo coste. Requieren poco espacio y puedentrabajar a elevada temperatura, lo que favorece su empleo en ciertos casosespeciales (por ejemplo, en calderas de lecho fluidizado a presión).

Normalmente se usan como sistemas previos de separación.

Precipitadores electrostáticos

Se utilizan desde hace más de 70 años y, hasta el momento, constituyen lossistemas más empleados en las centrales térmicas de carbón.

La fuerza utilizada para la separación de las partículas contenidas en losgases procede de la carga eléctrica generada sobre cada partícula y suinteracción con un campo eléctrico. Los gases circulan horizontalmenteentre un gran número de placas colectoras paralelas, conectadas a tierra, yde electrodos verticales a alta tensión (figura 9, p. 150). Las partículas cargadaseléctricamente, se depositan sobre las placas de las que se desprendenmediante un sistema de golpeo de actuación periódica. Las cenizas serecogen en tolvas inferiores desde donde se énvían al área destinada a su almacenamiento y eliminación.

Con los electrofiltros se alcanzan normalmente eficiencias del 99,5 por 1 00y, en ocasiones, hasta el 99,9 por 100, incluso para partículas finas. Puedentratar grandes volúmenes de gases y es posible su-operación a temperaturaselevadas (hasta 70 OC), con baja pérdida de carga. Requieren unmantenimiento relativamente reducido y sus costes de operación sonrazonables.

Son equipos de elevado coste de instalación. Su operación se ve afectadapor las fluctuaciones en las condiciones de los gases, estando favorecidapor la humedad y un alto contenido en azufre de los humos.

Con carbones bajos en azufre y cenizas de alta resistividad eléctrica suelenpresentarse problemas de operación. En tales casos se han recurrido alacondicionamiento de los gases de combustión (adición de SO3, amoniaco,aminas) o la operación en márgenes de alta temperatura —electrofiltro«caliente»—, instalándolo antés del precalentador.

— Filtros de mangasEn estos equipos la separación se consigue haciendo pasar los gasescargados de polvo a través de un sistema filtrante con estructura de tejido o

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de fieltro (figura 1 0). La retención se produce por impacto inercial, difusión,interacción directa y acción de tamizado, que predomina al cabo de pocotiempo después de iniciado el proceso.

Según la zona de la manga en que se produce la retención del polvo, suoperación se. designa como interna o externa. El desprendimiento de lascenizas depositadas puede realizarse por corriente de aire contraria, chorropulsante o sacudida mecánica.

Los filtros de mangas se caracterizan por una alta efectividad (superior al99,9 por 1 00), aún para partículas submicrónicas. Los productos se separan

Sistema degolpeo

de placas

Figura 9.—Precipitador electrostático.

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Figura 10.—Filtros de mangas.

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en forma seca. No influyen en su operación ni el contenido en S02 de losgases ni las fluctuaciones en el caudal o en la concentración de polvo, Encambio, la temperatura puede constituir una limitación en su uso.

Tienen altos elevados costes de instalación y de explotación, la pérdida decarga es apreciable y requieren mucho mantenimiento y relativameqtefrecuente sustitución de las mangas.

— Lavadores húmedos

En estos sistemas se emplea agua para la separación de las partículas,produciéndose un impacto mutuo entre las cenizas y las gotículas líquidasque terminan englobándolas, El agua cargada de sólidos pasa a una cámarade separación; una parte se recircula y otra se purga hasta un sistema detratamiento en donde se separa la ceniza captada.

Aunque pueden alcanzar rendimientos de un 99 por 100 para partículassuperiores a 2 ¿.im, requieren altos consumos energéticos y de agua,presentan problemas de corrosión, sus costes de mantenimiento son altos,los materiales se separan húmedos, es precisa una planta de tratamiento deaguas y los gases salen fríos y saturados con vapor de agua. Por ello, suutilización está poco extendida en la industria eléctrica.

Sin embargo, se utilizan en algunas plantas de desulfuración de gasescuando la alcalinidad de las cenizas volantes permite su utilización en elproceso.

Desulfuración de los gases de combustión (DCG). Su utilización comienza aser habitual en los Estados Unidos, Japón y algunos países europeos,particularmente en la República Federal de Alemania, de modo especial enel caso de carbones de alto contenido en azufre.Se han descrito y ensayado cerca de un centenar de procesos, pero sóloalrededor de una decena ha alcanzado la fase de explotación comercial. Suconsideración puede abordarse desde varios puntos de vista:— Proceso físico-químico: absorción física, reacción química, adsorción,

catálisis.— Estado.físico de la fase principal del proceso: vía húmeda, vía seca,

sistemas mixtos (absorción por atomización-secado).— Tratamiento de los reactivos usados: regenerativo o no regenerativo.— Destino del producto final: no recuperable o comerciable.Por lo general, suelen estudiarse según la fase del proceso y, dentro de cadagrupo, distinguiendo la utilización comercial o no del producto residualobtenido a partir del S02.

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— Procesos por vía húmeda

Son los que han alcanzado mayor difusión hasta el momento. La tecnologíase basa en la reacción del S02 existente en los gases de combustión con unabsorbente químico en fase líquida (disolución o suspensión acuosa de unproducto con propiedades alcalinas) en un proceso denominado genéricamente «lavado».

Los reactivos más utilizados, tanto por su abundancia como por razoneseconómicas, son la caliza (CO3Ca) y el óxido cálcico (CaO), aunque algunossistemas emplean carbonato sádico, sulfito sádico, óxido de magnesio,amoniaco, cenizas volantes alcalinas, etc, En algunos procesos se mejora laeficacia de la desulfuracián incorporando determinados aditivos específicos(normalmente, ácidos orgánicos).

En general, el proceso de desulfuración húmeda consta de tres seccionesbien diferenciadas: preparación de lo reactivos (y, en su caso, regeneraciónde éstos), módulo de absorción y sistema de eliminación de residuos o derecuperación de subproductos. La figura 11, p. 1 54, representa un diagramade flujos típico de un sistema de lavado con suspensión caliza.

La torre de absorción, en la que se fuerza el contacto de los gases con elabsorbente, es el componente principal, común a todos estos procesos.Existen numerosos diseños —torre de relleno, venturi, contacto turbulento,torre de platos, etc.—, pero el más utilizado es la torre de rociado conoperación contracorriente.Normalmente, los gases son lavados después de la eliminación •de lascenizas volantes —precipitador electrostático, filtros de mangas—, sometiéndolos a un rápido enfriamiento, antes de su entrada en la torre deabsorción.

A la salidad del lavador, los gases desulfurados se encuentran fríos,saturados con vapor de agua y arrastrando gotas de reactivo. Para emitirlosa la atmósfera en condiciones adecuadas, todos los sistemas incorporandos componentes causa de frecuentes problemas: los separadores de gotasy el recalentador de gases.

El recalentamiento de los gases fríos es necesario para evitar la formaciónde condensados y corrosiones, favorecer la flotabilidad del penacho ydisminuir la visibilidad de la pluma. La operación implica uno de los mayoresconsumos energéticos del proceso de desulfuracián. En tanto que lapráctica industrial norteameriana’suele recurrir a un calentamiento concambiadores de vapor o a quemadores directos de gasóleo, las instalaciones

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europeas y japonesas recurren al uso de calentadores regenerativos gas-gas, utilizando los gases calientes de salida de los electrofiltros. La figuraanexa esquematiza esta última solución.

El tratamiento y eliminación de los residuos de la desulfuración presentaproblemas tanto técnicos como ambientales. Los sistemas dan lugar agrandes tonelajes de subproductos, muchas veces en forma de lodos dedifícil manejo, que requieren extensas áreas de terreno para su eliminacióny presentan, a su vez, un elevado potencial contaminante de suelos y aguassubterráneas.

Por ello, en las instalaciones japonesas y europeas se tiende siempre a laobtención de. un producto final estable, de seguro y fácil manejo y,deseablemente, con utilización industrial. Y así, en los procesos basados enla absorción con suspensiones de caliza o lechada de cal, se procede a unaoxidación forzada del producto de reacción transformándolo en yeso(SO4Ca2H2O), que puede comercializarse (figura 12, p. 1 56).

Otros procesos buscan especialmente la obtención de un subproducto deaplicación industrial: ácido sulfúrico, azufre, sulfato amónico. Debe señalarse,sin embargo, que en ellos más que un beneficio económico se procura laeliminación de los derivados del proceso, estando lejos de alcanzar unadifusión general.

Los principales procesos por vía húmeda que han alcanzado la fase deexplotación comercial son:a) Lavado con suspensión de caliza (figura 11). La absorción se produce

con una suspensión acuosa de caliza finamente pulverizada. Elproducto de reacción, sulfito cálcico, suele oxidarse con aire, en elmismo proceso, para transformarlo en yeso (sulfato cálcico). Puedenalcanzarse rendimientos de desulfuración de hasta un 90 por 100. Lainclusión de aditivos orgánicos en el proceso mejora la capacidad deabsorción.

b) Lavado con lechada de cal (figura 12). La química del proceso essemejante a ¡a del anterior. Se usa como reactivo una lechada de cal(hidróxido cálcico), de mayor reactividad que la suspensión de caliza. Lacantidad de lodos residuales es menor y también se reduce el consumode agua. Sin embargo, los costes del reactivo son muy superiores. Losprocesos basados en caliza o cal son los sistemas de desulfuraciónmás extendidos. En el año 1983, el 82 por 100 de las instalacionesamericanas hacían uso de estos procedimientos —53 por 100 concaliza y 29 por 100 con cal—. También se usan casi exclusivamente en

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c) Lavado con disolución de carbonato sódico. De aplicación muy limitada,depende de la existencia de un suministro económico y abundante delreactivo. Usado sin regeneración, presenta serios problemas la eliminaciónde la disolución residual de sulfito sádico.

d) Proceso de los dos álcalis (o del doble álcali). El S02 se obsorte en unadisolución de sulfito sódico —preparada a partir de carbonato sádico—,obteniéndose una disolución de sulfito-bisulfito sádicos. El tratamientode ésta con óxido o hidróxido cálcico produce unos lodos residuales desulfito cálcico y regenera el reactivo.

e) Proceso Wellman-Lord (con recuperación). La primera fase es similar ala del doble álcali, pero la disolución de bisulfito sádica obtenida sedescompone térmicamente, en un evaporador-cristalizador de dobleefecto, regenerándose el absorbente y produciéndose dióxido de azufre.Este puede transformarse en ácido sulfúrico o en azufre elemental.

f) Proceso del óxido de magnsio (con recuperación). Los gases limpiosse lavan con una lechada de óxido magnésico formándose sulfitomagnésico. La suspensión resultante se espesa y centrífuga y lossólidos separados se descomponen térmicamente (a 850 OC) regenerándose el óxido magnésico y produciéndose S02 que se convierte enácido sulfúrico.

g) Proceso Walther (con recuperación). El tratamiento de los gases decombustión con una disolución de amoniaco da lugar a una disoluciónrica en sulfito amónico. Por oxidación con aire, evaporación y granuladodel producto final de obtiene sulfato amónico de calidad fertilizante. Elsistema no produce residuos sólidos ni líquidos que exijan eliminación,pero depende de la existencia de un mercado seguro para el abononitrogenado obténido. Actualmente existe una sola planta de esteproceso.

— Procesos de absorción por atomización-secado

Se encuentran en una posición intermedia entre los de vía húmeda y los devía seca ya que, aunque el reactivo se ¡nyecta en la cámara de reacción enforma de disolución o suspensión acuosa, el producto final se separa secoya que el calor de los gases de combustión produce la evaporación del aguaintroducida con el reactivo. El sólido pulverulento resultante de la fijación delS02 se separa en precipitadores electrostáticos o en filtros de mangas(figura 13, p. 158).

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Como reactivo se utiliza fundamentalmente óxido cálcico en forma delechada de cal. El reciclaje de parte del subproducto permite. un mejoraprovechamiento de la materia prima.

Básicamente la química del proceso es la misma que en la absorción conlechada de cal, pero el contacto del gas con el reactivo se produce sin quese alcance la saturación en vapor de agua —los gases desulfurados seobtienen a una temperatura de 10 a 20 °C por encima de la de saturaciónadiabática—. Su rendimiento es algo inferior al proceso similar por víahúmeda —80 a 85 por 100—. El consumo de agua es más bajo y no produceefluentes líquidos. Asimismo, se invoca que no es necesario el recalentamientode los gases desulfurados.

Los productos finales están formados por sulfito cálcico, una pequeñafracción de sulfato, reactivo sin utilizar y cenizas volantes. A causa de sunaturaleza presenta ciertas dificultades de eliminación, lo que hace que elproceso tenga ciertas dificultades de utilización en algunos países.

Aunque falten experiencias prolongadas de su aplicabilidad al caso decarbones altos en azufre, constituye una alternativa muy interesante a losprocesos de vía húmeda.

— Procesos por vía secaEn su mayor parte se encuentran en fase de experimentación y no hacenuso del agua. Uno de los sistemas consiste en la inyección directa de unabsorbente seco y finamente pulverizado antes de un filtro de mangas.

Como reactivo más común se usa bicarbonato sódico (preferentemente deorigen natural, nahcolita) y en algún otro caso, hidróxido cálcico activado.Sin embargo, su rendimiento es reducido y escasas sus perspectivas deaplicación para gases con altos contenidos de S02.

También de aplicación limitada parece la absorción sobre carbón activo delS02 en un lecho móvil, seguida por su desorción y reducción a azufreelemental. Hasta el momento no ha pasado de la fase de planta piloto.

Eliminación de los óxidos de nitrógeno. Al tratar de los procesos decombustión de bajas emisiones (punto «Procesos de combustión de bajasemisiones» p. 142), se indicaron las medidas primarias con las que seconsigue la reducción en la formación de óxidos de nitrógeno. Sin embargo,las reglamentaciones ambientales de algunos países exigen emisiones deNOx inferiores a las alcanzadas con estos procedimientos. En tales casos hade recurrirse a la desnitrificación de los gases.

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Estos procesos han alcanzado estado comercial en Japón; en otros paísessu aplicación no ha sobrepasado la fase de planta piloto. El sistema másutilizado es la reducción catalítica selectiva (figura 1 4, p. 1 60).

Por inyección de amoníaco gaseoso en los gases de combustión a unos350-400 °‘C, después del economizador de la caldera, en presencia de uncatalizador específico —pentóxido de vanadio depositado sobre dióxido detitanio—, se produce la reducción de los óxidos de nitrógeno, formándóseagua y nitrógeno molecular. En el proceso se consiguen rendimientos dealrededor del 80 por 100.

El sistema requiere una alta cantidad de amoniaco; como consecuenciapueden formarse obstrucciones por sales amónicas en los precalentadores.Las emisiones a la atmósfera de amoniaco son del orden de 5 ppm. La vida.del cátalizador en las condiciones de operación de gases muy cargados depolvo y dióxido de azufte es objeto de dilatadas investigaciones.

Para obviar-la necesidad de catalizadores, se encuentra en ensayo lareducción selectiva no catalítica. La reacción del amoniaco con los óxidosnitrógeno ha de tener lugar a unos 1 .ooo O, lo que sólo se consigue en lazona convectiva de la caldera. El proceso requiere una alta relaciónNH3NOx (3:1) lo que puede dar lugar a problemas secundarios. Surendimiento de eliminación se encuentra alrededor del 70 por 100.

como resumen de la implantación de sistemas de depuración de gases delas medidas primarias para reducir la formación de NOx, la figura 15, p. 162,esquematiza su ‘localización en una caldera alimentada con carbón. Alexaminar las cifras relativas a las concentraciones de contaminantes en losdistintos puntos del circuito ha de tenerse en cuenta que se trata de unainstalación japonesá qué quema hullas importadas de alta calidad.

Eliminación de los residuos de los procesos de depuración. En los procesosde combustión del carbón y en muchos sistemas de depuración de humosse generan cantidades muy importantes de residuos sólidos, tanto máselevados cuanto peor es la calidad de los combustibles.

La utilización comercial de los subproductos, practicada en algunos casoscomo las cenizas volantes y algunas formas de residuos de la desulfuración,no ha alcanzado, lamentablemente, una extensión suficiente para anular losproblemas que presenta la eliminación final ‘de estos materiales.

Existen diversas opciones para el vertido y almacenamiento, siendo losreceptores finales la tierra o el mar.

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El vertido en escombreras es una práctica habitual para las escorias ycenizas de la combustión y, en casos, los lodos deshidratados de ladesulfuración. En ocasiones, el mantenimiento de estos materiales enbalsas húmedas o su eliminación juntamente con los estériles de explotaciones mineras a cielo abierto son soluciones factibles. Menos frecuente es eluso de minas subterráneas agotadas y, por razones ecológicas, encuentraposición el vertido en el océano.

En cualquier caso, el sistema ha de seleccionarse cuidadosamente paraevitar problemas ambientales secundarios con los que meramente setransferiría la contaminación de la atmósfera a las aguas o a los terrenos.

CONTROL DE LA CALIDAD DEL AIRE POR DILUCIÓN

Chimeneas. En contraste con los métodos de control directo de lasemisiones, en que se procede a la retención de los contaminantes medianteprocesos y equipos específicos, el control por dilución conduce a unareducción general de todo tipo de productos a nivel del terreno haciendo usode la capacidad dispersante de la atmósfera.

El sistema utilizado, cón carácter general, son las chimeneas de alturaadecuada. Aunque históricamente la función básica de la chimenea era elsuministro del tiro natural preciso para la combustión, actualmente en sudiseño se tiene en cuenta, asimismo, el aspecto de la protección ambiental.

El empleo de chimeneas elevadas es un medio plenamente efectivo parareducir las inmisiones, a niveles muy inferiores a los de los criterios decalidad ambiental, aunque por sí mismas no dan lugar a ninguna reducciónde la cantidad de contaminantes vertidos a la atmósfera. En esto residen lasprincipales críticas que cuestionan su empleo en la defénsa del medioambienté.Los fenómenos de transporte a largas distancias y las disposicioneshúmeda y seca de contaminantes han hecho qú algunos países yorganismos pretendan limitar la altura de las chimeneas a dimensionescorrespondientes a la «buena práctica industrial». Sin embargo, dada sueficacia,constituyen en muchos casos la forma más práctica y económica—y a veces la única— para enfrentarse a problemas de contaminación.

Reglas prácticas en el diseño de chimeneas. La experiencia acumuladadurante muchos años en el diseño y construcción de chimeneas se. hatraducido en una serie de reglas prácticas «aproximadas» de utilidad alconsiderar el empleo de estos sistemas. A continuación se citan algunas:

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— Minimizar el número de chimeneas en un emplazamiento; preferiblementeutilizar una sola.

— La chimenea debe ser al menos 2,5 veces más alta que cualquierconstrucción u obstáculo próximo situado dentro de un radio no inferiora dos veces su altura.

— Deben evitarse en lo posible las situaciones de valle. Las chimeneas selocalizarán de forma que los penachos no resulten arrastrados por losvientos catabáticos que descienden por las colinas cuando las temperaturas disminuyen durante la noche.

— En chimeneas grandes, la velocidad de salida de los gases debe sersuperior a 20 m/s para evitar su arrastre por la estela de la propiachimenea. Es buena práctica tener velocidades de salida de hasta30 m/s. Idealmente, la velocidad de salida debería ser, al menos, 1,5veces la del viento en la boca de la chimenea.

— Los gases precedentes de chimeneas de menos de 1,5 m de diámetro yde altura inferior a 60 m incidirán frecuentemente sobre el terreno,alcanzándose inmisiones excesivas. En estos casos, resulta imprescindibleel comportamiento del penacho.

— Cuando los gases se ven sometidos a la difusión atmosférica y laturbulencia de edificios próximos no es un problema, pueden alcanzarseconcentraciones a nivel del suelo del orden del 0,001 por 100 al 1 por100 de la concentración en la chimenea, si ésta se diseña adecuadamente.

— Las concentraciones máximas a nivel del terreno suelen producirse adistancias entre 5 y 15 veces la altura «efectiva» de la chimenea.

— Pueden reducirse las inmisiones utilizando chimeneas más elevadas.Las concentraciones varían en razón inversa al cuadrado de la altura«efectiva de la chimenea».

— Las concentraciones medias de contaminante, en dirección del viento,son directamente proporcionales al caudal emitido. Un aumento en ladescarga incrementa las concentraciones a nivel del terreno en el mismofactor.

— En general, la dilución de los gases por adición de un exceso de aire enla chimenea no afecta apreciablementea las concentraciones a nivel delterreno. La dilución práctica obtenida es, normalmente, insignificantecomparada con la alcanzada en la difusión atmosférica de la pluma. Sinembargo, la dilución con aire puede incrementar la altura efectiva delpenacho al aumentar su velocidad de salida, aunque si se produce unenfriamiento de los gases el efecto resulta opuesto.

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— Deben evitárse las pérdidas térmicas en la chimenea a través de lasparedes de los conductos. Estas han de aislarse y recubrirse, en su caso,con materiales resistentes al ataque por los gases de combustión.

Cálculo de la altura de la chimenea. La relación cuantitativa entre emisor yrecéptor se establece a través de los modelos de difusión atmosférica. Enellos, el proceso de propagación de un penacho se formula como modelomatemático en el que, combinando la emisión de la fuente, la evoluciónquímica y física de los productos emitidos ylas condiciones topográficas ymeteorológicas de la zona, la solución de la ecuación obtenida permitedescribir las concentraciones del contaminante en cualquier punto del áreacubierta.Por tanto, para evaluar la aceptabilidad de una chimenea como sistema deeliminación de gases de combustión han de tenerse en cuenta, entre otros,los siguientes factores:— Las concentraciones admisibles a nivel del terreno.

• — Las características físico-químicas de los gases de combustión.— Las características de la chimenea.— La meteorología, en superficie y en altura, de la zona.— La topografía del área de influencia.En tanto que las características de la’emisión y los factores de operación dela planta son conocidos y pueden modificarse, los factores ambientales(topográficos y meteorológicos) son prácticamente incontrolables, exceptodurante la selección del emplazamiento. Por tanto, una vez está la central enoperación, la calidad ambiental podrá controlarse actuando sobre losprimeros en función de las condiciones de los segundos.No es objeto de este trabajo el ánálisis delos modelos de difusión nisuaplicabilidad. Sin embargo, se expondrá brevemente un caso sencillo deesta interr&ación emisión-inmisión que permitirá, posteriormente, aclarar elalcance de los sistemas de control suplementario.El Manual de cálculo de altura de chimeneas industriales, del Ministerio deIndustria y Energía, utiliza un modelo de difusión gaussiano (figura 16, p.166), en el cual el perfil de concentraciones de un contaminante sigue unadistribución normal o curva de Gauss.De acuerdo con el modelo, la concentración de un contaminante dado, x anivel del terreno —supuesto una superficie plana— a una distancia x(metros) del foco emisor y en la dirección del viento es:

o i(H�

X & u e 2 z ) (J.Lg/m3N)

—165—

en donde:

o = Caudal de emisión del contaminante (jig/s).H = Altura efectiva de la chimenea (m).u = Velocidad del viento en la boca de la chimenea (mis).

= Coeficiente de difusión (desviación típica) transversal del penachorespecto a su línea central (m).Coeficiente de difusión vertical del penacho (m).

y y 5 son parámetros que dependen tanto de la distancia del punto a lafuente emisora como de la clase de estabilidad atmosférica, es decir, sonfunción de las condiciones meteorológicas.

La altura efectiva de la chimenea, H, es la suma de su altura geométrica, h,y de la sobreelevación del penacho, ¿ h, y representa la altura a la que seeleva un penacho en la atmósfera después de ser emitido. Esta sobreelevaciónse debe, tanto a su cantidad de movimiento a la salida de la chimenea comoa su flotabilidad, que a su vez es función de la temperatura.

2

(xyz,)

(x,y.O)

Figura 16.—Sistema de coordenadas de un penacho con distribuciones gaussianashorizontal y vertical.

166 —

La elevación de los penachos ha sido estudiada por numerosos autores,existiendo, por tanto, diversas ecuaciones empíricas que describen susresultados. La Guía del Ministerio de Industria y Energía utiliza las fórmulasdesarrolladas por G. A. Briggs que han alcanzado amplia difusión. Lasobreelevación del penacho es función de la categoría de estabilidadatmosférica —estructura vertical de la atmósfera— la velocidad del viento,las características de los gases emitidos —velocidad, temperatura, flotabilidad— y del diámetro de la chimenea.

El efecto de la topografía de la zona introduce una complicación adicional yaque afecta a la altura efectiva de la chimenea. La evaluación real de suincidencia es difícil, en una aproximación relativamente sencilla, el Manualde cálculo sustituye la altura «efectiva» de la chimenea por la denominadaaltura equivalente, H (figura 17), que la modifica introduciendo lossumandos: la cota del punto considerado sobre la base de la chimenea, z, yla pendiente media del perfil topográfico en cada una de las direcciones delviento estudiadas, tg.

En función de las condiciones meteorológicas del área estudiada, susfrecuencias y persistencias será posible determinar las inmisiones esperadasen función de diversas alturas de vertido. Fijando un límite en la probabilidadde superación de los criterios de calidad de referencia —teniendo en cuentala contaminación de fondo existente en la zona—, podrá seleccionarse,después de determinada la altura efectiva, la altura geométrica precisa parala chimenea.

En algunos casos, para una estimación aproximada de la altura de lachimenea puede recurrirse a la valoración de las concentraciones máximasprevisibles a nivel del terreno. De acuerdo con Turner, se estima que enunas condiciones de estabilidad determinadas, la concentración máxima,xmax, se produce a la distancia xm en que se cumple:

= H/J2 (figura 17, p. 168).siendo el valor de esa concentración:

20X max

e7ruH2

Mediante estas relaciones es posibledeterminar aproximadamente —supuestoun terreno llano.— la altura que debería tener una chimenea para nosobrepasar, a nivel del terreno, una concentración máxima predeterminada.

Inversamente, conocidas las condiciones atmosféricas y las de explotaciónde una planta industrial, la aplicación de modelos similares al indicado

— 167—

xx = e 2 ( ,) (g/m3N) H = h + h

- 7T4Y&U

• 20 & HXn = eiruH2

H=h+h+xtga-z

• = ax 6= a b p q = f (estabilidad)

h

Figura 17.—Sustitución de la altura «efectiva» por la altura «equivalente».

permitirá estimar las posibles inmisiones y su localización en los alrededoresde la instalación. Aunque el caso dista de ser sencillo y de aplicacióngeneral, cuando se consigue su adaptación a una planta y unas condicionesambientales bien conocidas es posible llegar a una predicción de laevolución de la contaminación y a la adopción de medidas que eviten suelevación anormal. Estees uno de los fundamentos de los sistemas decontrol suplementario.

Sistemas de control suplementario. Bajo la denominación de Sistemas deControl Suplementario (SCS) se incluyen una serie de procedimientos de

x

— 168 —

actuación mediante los cuales se limita la emisión de contaminantesdurante períodos en los que las condiciones meteorológicas reinantes sontales que es de esperar que se produzcan superaciones, a corto plazo, delos criterios de calidad del aire.

En general, estas limitaciones intermitentes de las emisiones se realizan porcambio a un combustible limpio, reducción de la potencia de las unidades enoperación e, incluso, parada de alguna de ellas.

Estos sistemas han recibido también los nombres de sistemas de reducciónintermitente, sistemas de circuito cerrado, sistemas de control variable,sistemas de control dinámico o sistemas de limitación de emisiones de S02.

Su aplicación está sometida a algunos condicionantes básicos:— Debido a la dificultad de aislar las fuentes productoras suele ser de

aplicación casi exclusivamente en el control del S02.— El emisor debe estar lo suficientemente aislado para aceptar su

responsabilidad en la elevación de las inmisiones. En caso de fuentesmúltiples se requiere una coordinación especial.

— Disponibilidad de tecnología de control de emisiones.— Alto grado de fiabilidad en los equipos.— Capacidad de predicción y rapidez de actuación.

En la figura 1 8, p. 1 70 se esquematizan los circuitos básicos de informacióny actuación de uno de estos sistemas.

El grado de sofisticación del sistema y sus componentes son muy variables.De acuerdo con los datos disponibles, pueden darse casos de tener accesoa datos de calidad ambiental y meteorológicos, sin disponer de un modelode predicción en tiempo real, hasta el más completo que engloba los datoscitados juntamente con el modelo en tiempo real. En general, un sistemaoperativo incluye los siguientes componentes:

— Monitorización continua del S02.— Medida continua de parámetros meteorológicos en torres elevadas.— Teletransmisión de datos a un centro de control.— Tratamiento informático, predicción de la evolución meteorológica y

evaluación del sistema.— Modelo de predicción de la calidad del aire en la zona.— Modelo de toma de decisiones y actuación.— Disponibilidad de personal altamente cualificado para predicción, mante

nimiento y operación.— Capacidad de autoevaluación del sistema.

— 169 —

Q)EQ)

(1)

ooooQ)-oCDEQ)o,o,o

oq)o

‘0oCD

oCDo

‘0oCD

E

•0

o

ci

1

U.

— 170 —

La figura 19, p172 indica los elementos del sistema SDEL, utilizado enEstados Unidos por la TVA.

La efectividad de estos sistemas se ha puesto de manifiesto en numerosasinstalaciones. Aunque su coste es elevado y requiere un alto grado dededicación, las medidas efectuadas en las redes de vigilancia de las plantascorrespondientes indican que sus resultados son tan buenos como losconseguidos reduciendo las emisiones mediante un proceso de desulfuración,de coste muy superior y con problemas de operación.

En la central térmica Teruel se encuentra en aplicación un programa decontrol suplementario actualmente basado en el análisis de la tendencia,creciente o decreciente, de las inmisiones de S02 monitorizadas en continuoe integradas en períodos deslizantes de tiempo. Cuando la elevación deniveles sobrepasa ciertos indicadores de alarma, entran en acción medidasencaminadas a reducir los niveles de emisión, incluyendo el empleo de uncombustible limpio (por ejemplo gas natural) y la reducción de carga. Elsistema, que ha dado satisfactorios resultados, como lo demuestra la red devigilancia de la central, se encuentra en fase de mejora a fin de incorporarleun modelo de predicción en tiempo real. El trabajo adjunto de J. AbadíaPredicción en tiempo real de períodos de contaminación y su controlmediante cambio de combustiblé en la central térmica Teruel detalla laoperación del sistema y su evolución futura.

Tratamiento de los vertidos líquidos y de los efluentes energéticos

Como se ha indicado en «Efluentes y emisiones en una central térmica decarbón», p. 132, la operación de una central térmica genera una granvariedad de efluentes líquidos alguno de los cuales aporta, asímismo, unaimportante carga energética.

Los vertidos térmicos más importantes van asociados al circuito de agua derefrigeración del condensador. Los efluentes líquidos proceden de diversaspartes del proceso y, con la excepción del agua de refrigeración o suspurgas, representan caudales relativamente modestos aunque de composiciónmuy variada lo que obliga a diferentes tratamientos específicos añtes de suvertido final.

La simple relación de estos efluentes en una central térmica de carbónindica las distintas calidades esperadas. En tanto que algunos se producende modo continuo, otros lo hacen en forma intermitente u ocasional.

—171—

1—-J‘44ocf)(uEO)Oo

OcciOci)Ea)Oo)

eOOcia)

-OcaEci)(1)(1)

O

ci)-O(1)OOci)Ea)

IiU)

‘53a)u-.

— 172 —

a) Continuos1) Refrigeración del condensador:

— Circuito abierto.— Circuito cerrado (recirculación).

2) Caldera:— Purga continua.

3) Plantas de tratamiento y preparación de agua:— Clarificación.— Ablandamiento.— Cambio iónico.— Evaporadores.— Filtración.— Osmosis inversa y otros procesos.

4) Manejo de cenizas:— Extracción de escorias.— Transporte de cenizas volantes.

5) Plantas de depuración de gases:— Efluentes de distintos orígenes.

6) Aguas residuales diversas:— Efluentes sanitarios.— Laboratorios y sistemas de muestreo.— Circuitos de refrigeración auxiliar.

b) Intermitentes7) Limpiezas operacionales:

Lavados de caldera.— Limpieza del lado fuego del hogar.— Lavado de precalentadores.— Otras operaciones de limpieza.

8) Drenajes y escorrentías:— Pilas de carbón.— Escombreras de cenizas y residuos sólidos.— Aguas pluviales y de limpieza.

Al igual que en el caso de los vertidos a la atmósfera, los efluentes líquidoshan de someterse a una depuración previa antes de su descarga en elmedio receptor —cauces fluviales, embalses, mar—, a fin de que las‘concentraciones de sus componentes sean compatibles con la vida en elcorrespondiente medio acuático.

—173—

La disipación de la energía térmica del agua de refrigeración se realiza pordifusión en el receptor en el caso de circuitos abiertos. Dada la elevadacantidad de agua utilizada en estos sistemas, son mínimos los tratamientosprevios —salvo, en determinados casos, la cloración— por lo que noimplican modificaciones químicas en la calidad del agua original.

En la refrigeración en circuito cerrado, con torre de tipo húmedo, el aire esel destinatario final del calor retirado en el condensador. Una parteimportante del agua se evapora, saliendo a la atmósfera. La formación depenachos visibles en las torres de refrigeración ha sido objeto de numerososestudios para evaluar su posible impacto ambiental —modificación delmicroclima local: aumento de heladas y precipitaciones, visibilidad, reducciónde la insolación, etc.—, aunque en la práctica sus efectos no suelen serapreciables.

En estos sistemas constituye un vertido de cierta importancia y, a veces dedifícil tratamiento, la purga de las torres de refrigeración ya que debido a laconcentración de las sales del agua original su calidad puede resultarincompatible con la del cauce receptor o cuestionable para utilizaciónagrícola. Por ello, se recurre en ocasiones a la reutilización de estosefluentes, en circuito cerrado, para operaciones tales como arrastre de lascenizas.

Los restantes caudales de efluentes líquidos se someten a tratamientosdepuradores antes de su vertido final haciendo uso de diversas técnicastales como neutralización, clarificación (coagulación, desaceitado, decantacióno tratamiento en hidrociclones), filtración (filtros de gravedad o de presión,deshidratación y compactación de fangos), oxidación biológica, etc.

Dada la escasez de agua, se tiende, como objetivo ideal y final, de la gestiónde este producto a la eliminación total de las descargas de la planta térmica.Para ello se recurre a diseños especiales que incluyen el reciclado y lareutilización máxima del agua disponible hasta llegar al concepto de «vertidocero» a través de diversos tratamientos finales.

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