UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. INGENIERIA DE EJECUCION MECANICA PROGRAMA DE PROSECUCION DE ESTUDIOS VESPERTINO ASIGNATURA CONTAMINACION AMBIENTAL Y DESARROLLO SUSTENTABLE NIVEL 06 EXPERIENCIA E961 “METODOLOGIA CH3-A” HORARIO: MARTES DE 19.00 A 21.30 HRS. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. METODOLOGÍA CH3-A DETERMINACÓN DE CO; CO2 Y O2 D.S. N°58 DEL 2003 1. ¿Para que se usa la metodología CH3-A? Para evaluar, por método instrumental, las emisiones de CO; CO2 y O2 proveniente de fuentes fijas de combustión o de proceso. 2. ¿Cuál es el procedimiento genera que utiliza la metodología? Se extrae una muestra representativa del efluente (gases de escape) y se analiza instrumentalmente el contenido de CO; CO2 y O2 3. ¿Cuándo se dice que una muestra es representativa? Cuando esta se recoge una vez que la fuente ha termalizado, es decir, ha alcanzado su equilibrio térmico y a su vez, cumple con las condiciones establecidas por el Organismo Fiscalizador, que es el de medir a plena carga. Entonces el consumo de combustible será el necesario para alcanzar la potencia nominal. 4. Si los parámetros que se miden son la Tge, CO, CO2 y O2 ¿Qué significado se le atribuye a cada uno de estos parámetros? Tge: Nos informa si la fuente alcanzó su equilibrio térmico o su régimen de trabajo. Cuando esto ocurre, la temperatura prácticamente no cambia. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. CO2: Es un parámetro indicativo de una buena combustión. Es decir, más completa será la combustión, mientras más nos acerquemos al CO2 máximo teórico (es decir con un 1) % CO2 máx.teórico = 2 xC AT Donde C= corresponde al % de carbono que tiene el combustible, de acuerdo con su composición centesimal AT= 1,16 * ( C H 12 4 N 14 S 32 O 32 3 )( m NAire ) kg cb Ejemplo: Si el combustible fuese GLP, de acuerdo con la composición centesimal del GLP se tiene: C = 81 %; H =19% S = 0,01 % se tendría: AT = 1,16 *( 81 12 19 4 %CO2 max.teór= 0 , 01 32 3 ) 13 ,3 ( 2 * 81 13 ,3 m NAire ) kg cb = 12,2 % Por lo tanto, con este valor de %CO2máx.teor podemos dimensionar la escala, que debería tener el instrumento de medición para estar dentro de rango. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. De acuerdo con lo anterior podemos establecer: Composición centesimal promedio (en peso) de los combustibles usados en Chile GLP %C %H %O %N %S GC Gas P.#6 Natural P.#5 Diesel Parafina Leña Carbón 81,0 18,9 0,0 0,0 0,0 29,5 8,6 46,8 15,1 0,0 76,0 23,2 0,0 0,8 0,0 86,6 10,6 0,1 0,1 2,6 86,1 12,0 0,1 0,1 1,7 86,3 13,1 0,0 0,0 0,6 85,9 13,5 0,0 0,0 0,6 45,3 8,0 46,4 0,0 0,4 72,2 5,6 11,8 1,3 1,7 13,3 6,5 14,4 11,6 12,0 12,2 12,3 4,4 8,3 10 10 10 50 40 20 20 150 100 12,2 9,0 10,5 14,9 14,3 14,1 13,9 20,6 17,4 12,17 5,85 2473 8 12,86 AT (m3N/kgcb) % AExc Máx perm. %CO2 máx.teor. GRS o Vol.esp (m3N/kgcb) PCI (KJ/Kg) 47720 47855 10,97 11,22 11,41 4120 4150 0 0 42960 1KJ = 0,24 Kcal 11,44 43392 4,4 1465 1 8,0 25953 El O2 es un parámetro indicativo de una mala combustión, ya que mientras mayor sea su valor, significa que mayor ha sido la cantidad de aire que intervino. El exceso de aire trae como consecuencia: Diluye al resto de los componente de los gases de escape Enfría el hogar de la fuente Gran pérdida de calor a través del N2 El nivel máximo permitido, por esta nueva normativa, establecido en el D.S.Nº58, art 31, es de un 3% de O2 de referencia para determinar el factor de corrección. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. La forma de evaluarlo es a través del O2 medido en el efluente, es decir, el que no intervino en la reacción de combustión. = 21 ( 21 O 2 ) %AExc = 100 * (-1) CO: Es el parámetro indicativo de una mala combustión, es decir, de una combustión incompleta. La nueva normativa establece que la emisión máxima será de 100 ppm-v, en base seca y corregida por aire en exceso. Además, esta emisión deberá cumplirse en todas las etapas de operación de la fuente, excepto en la partida durante los primeros 15 min. 5. ¿Cuál es la sensibilidad que debería tener el instrumento y cuales sus escalas? La sensibilidad corresponde a la división más pequeña de la escala del instrumento. Según la Norma EPA-3, debe ser ≤ 2% de la escala total. Rango Analítico: corresponde al sector de la escala del instrumento que debería ser seleccionada, para hacer la medición. De acuerdo a la Norma EPA-3, este debe estar comprendido entre 20% de la escala total Escala virtual: El parámetro anterior, referido al Rango Analítico corresponde a aquellos instrumentos analógicos, donde la escala total se tiene siempre a la vista, pero en instrumentos digitales no se aprecia la escala total, el instrumento sólo nos informa de un números o valor leído. En este caso, el Organismo Fiscalizador fija una Escala virtual (Así para CO = 220 ppm y para O2 de 18%) y los gases patrones preparados por AGA deberían tener un porcentaje comprendido entre el 80 y 100 % de la escala virtual. Particularmente, cada laboratorio de medición escoge este porcentaje. Así, nosotros escogimos para CO el 90% y para O2 del 85%. Por lo tanto los respectivos gases patrones o span serán de concentraciones: Span = intervalo de trabajo Conc. Gas patrón CO = = Escala Virtual * (% deseado) 100 220 * 90 100 198 ppm UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. Esto significa que debo mandar a hacer a la AGA concentración 198 ppm un gas patrón de CO de Escala Virtual * (% deseado) Conc. Gas patrón O2 = 100 = 18 * 85 15 ,3 % 100 Esto significa que debo mandar a hacer a la AGA, concentración 15,3 % un gas patrón de O 2 de UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. 6.- ¿Cuál es el esquema general del equipo de medición? El rotámetro: usado para el trasvasije de los gases patrones, las llaves regulan el caudal de entrega a 1(L/s) Filtro: del tipo Venturi, retiene material particulado y parte de la humedad. Eliminador de humedad: puede ser sílica-gel con indicador de Molibdeno o un acondicionador de muestra. La humedad debe ser eliminada para no distorsionar la medición de CO de acuerdo a la reacción redox que ocurre en la celda electrolítica de CO 0,5 O2 + 2e + 2 H+ = H2O CO + H2O = CO2 + 2e + 2H+ Reacción catódica Reacción anódica CO + 0,5 O2 = CO2 Bomba Arrastre: de diafragma, del tipo aspirante - impelente; arrastra 1(L/min) UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. 7.- ¿Cómo se debe realizar la calibración del equipo? El equipo debe ser calibrado antes y después de la medición. Ambas calibraciones deben ser realizadas para el rango bajo y alto respectivamente. Cuando inyectamos gas patrón de CO, por la sonda, equipo debería leer la concentración que este tiene, es decir 198 ppm y debería entregar además, 0% de O2, sin embargo entrega un valor distinto de cero, puede ser 1 ó 2 %.Por lo tanto, esta determinación es de Rango Alto para el CO y Rango bajo para O2 Cuando inyectamos por la sonda O2 el equipo debería leer la concentración de 16% de O2 y 0 ppm de CO. Estos valores se identifican como Rango Alto para O2 y Rango Bajo para CO. Sin embargo de CO se registra entre 2 y 3 ppm Se habla de desviación del sistema de medición cuando se está evaluando todo el equipo, es decir: sonda de aspiración filtro eliminador de humedad bomba de arrastre y analizador de gases En cada una de las calibraciones se debería evaluar a partir de las respuesta inicial (Ri) y final (Rf) al sistema de calibración las: Desviación inicial del sistema de medición( rango bajo y alto)(DISM) Desviación final del sistema de medición( rango bajo y alto)(DFSM) Drift o corrimiento de la desviación ( rango bajo y alto) Ejemplo: Calibración para CO CO ppm Rango Alto Rango Bajo Escala Patrón 198 0 0 220 ppm Ri 200 2 0220 Rf 199 1,5 0220 Promedio 199,5 1,75 0220 Para Rango Alto DISM = ( lectura del equipo) - patrón * 100 escala DFSM = ( lectura del equipo) - patrón escala 200 - 198 * 100 0 ,9 % , debe ser ≤5% 220 * 100 199 - 198 220 * 100 0 , 45 % , debe ser ≤5% UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. Drift = DRIFT (Rango alto)= Ri - Rf 220 200 - 199 Ri - Rf Escala virtual * 100 0 , 45 %, debe ser < ± 3 % 220 Para Rango Bajo DISM = ( lectura del equipo) - patrón * 100 escala DFSM = 2-0 ( lectura del equipo) - patrón * 100 1,5 - 0 escala DRIFT (rango bajo)= * 100 0 ,9 % , debe ser ≤5% 220 Ri - Rf * 100 0 , 68 % , debe ser ≤5% 220 220 1,5 - 2 * 100 0 , 22 %, debe ser < ± 3 % 220 Ejemplo: Calibración para O2 O2 % Rango Alto Rango Bajo Escala Patrón 15,3 0 0 18% Ri 15 0,3 018% Rf 14,9 0,1 018% Promedio 14,95 0,2 018% Para Rango Alto DISM = ( lectura del equipo) - patrón * 100 escala DFSM = * 100 1, 66 % , debe ser ≤5% 18 ( lectura del equipo) - patrón * 100 escala DRIFT (Rango alto)= 15 - 15,3 Ri - Rf 0,1 - 0 * 100 0 ,55 % , debe ser ≤5% 18 18 15 - 14,9 * 100 0 ,55 %, debe ser < ± 3 % 18 Para Rango Bajo DISM = ( lectura del equipo) - patrón * 100 escala DFSM = * 100 escala Ri - Rf 18 * 100 1, 66 % , debe ser ≤5% 18 ( lectura del equipo) - patrón DRIFT (rango bajo)= 0,3 - 0 0,1 - 0 * 100 0 ,55 % , debe ser ≤5% 18 0,3 - 0,1 18 * 100 1,1 %, debe ser < ± 3 % UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. En resumen: CO(ppm) Patrón Ri Rf Promedio ( Rf Ri ) P 2 %DISM %DFSM R Alto R Bajo Escala O2(%) 198 0 220 Patrón 200 2 220 Ri 199 1,5 220 Rf PRA=199,5 PRB=1,75 220 0,9 0,9 220 %DISM 0,45 0,68 220 %DFSM R Alto R Bajo Escala 15,3 0 18 15,0 0,3 18 14,9 0,1 18 PRA=14,95 PRB=0,2 18 -1,66 1,66 18 0,55 0,55 18 Promedio ( Rf Ri ) 2 8. ¿Dónde se debe ubicar el puerto de muestreo? La Norma establece: A 2 diámetros aguas abajo desde salida hogar A ½ diámetro aguas arriba desde la descarga ( cuando la 1ª no es posible) En el sitio seleccionado se debe trazar una traversa y ubicar la sonda en el centro 10% radio Ejemplo: Supongamos que la chimenea tenga 30 cm de diámetro y es posible realizar el muestreo aguas abajo, entonces: 9. A 60 cm después de la última inflección ( salida hogar) Posición de la sonda : radio ± 10%radio = 15 ± 1,5 ; por lo tanto quedará comprendido entre (16,5 y 13,5) cm. Se debe elegir una posición que no sea el centro y ahí fijar la sonda. Podría ser a 14 cm por la entrada del puerto de muestreo. PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN 1.- Realizar DISM para los dos rango. 2.- Se ubica la sonda de acuerdo a la metodología establecida, la que deberá quedar fija y lo más horizontal posible. 3.- Se monitorea 10 min. Los valores se registran manualmente cada ½ min y se imprime el minuto nº5 4.- Terminada la corrida y sin detener la bomba de aspiración se purga al aire 2 minutos 5.- Sin hacer limpiezas ni arreglos se procede hacer la DFSM para ambos rangos 6.- De los valores obtenidos se sacan los promedios. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. Ejemplo para un calefón (22 valores) Tiempo/min % O2 0 11,6 0,5 11,6 1 11,8 1,5 11,7 2 11,7 2,5 11,9 3 11,7 3,5 12,0 4 12,0 4,5 12,4 Imprimir 12,1 0 11,8 0,5 11,9 1 11,9 1,5 12,2 2 12,0 2,5 11,8 3 12,2 3,5 12,2 4 11,8 4,5 12,2 5 12,1 % O2 Promedios Cev=11,9 CO ppm 26 28 29 30 30 28 31 30 27 27 26 26 29 28 26 28 29 28 26 28 26 27 % CO2 6,1 6,1 5,8 5,9 6 5,9 6 5,8 5,8 5,4 5,7 5,9 5,8 5,8 5,7 5,8 5,9 5,7 5,8 5,8 5,6 5,7 ppm CO Cev=27,9 % CO2=5,8 ¿Cómo se evalúa la concentración de CO y O2? La ecuación propuesta por la metodología es: PRB = promedio rango bajo PRA = promedio rango alto Cev= concentración promedio de la corrida CO = CO Patrón *( Cev - PRB ) ) = 198 * ( PRA - PRB O2 = O2 Patrón *( Cev - PRB PRA - PRB ) ) = 15,3 * ( 27 ,9 1, 75 199 ,5 1, 75 11 ,9 0 , 2 14 ,95 0 , 2 ) 26 ,18 ppm ) 12 ,13 % Tge ºC 182 183 194 184 172 195 196 187 187 191 193 196 182 184 197 196 185 194 194 193 188 191 Tge ºC =189,3 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. La resolución exenta Nº 2.063 de 26 de Enero del 2005 y el D.S. Nº 58 del 2003, establecen que la corrección de las concentraciones se hacen por Oxígeno de Referencia . Los valores reportados por los Organismos Fiscalizadores son los entregados en la siguiente tabla: Tipo Fuente Sub-tipo Oxígeno Refer. (Combustible Baja viscoidad) Gases combustible Diesel #2 Kerosene Oxígeno Refer. (Combustible Alta viscosidad) Petróleo #5 y 6 Oxígeno Refer. (Combustible Sólido) C bituminoso, Leña, serrín , viruta, Caldera industrial Calderas Calefaccón Horno panificador ----------------- 3 7 11 ---------------- 3 7 11 Combutión controlada 3 7 11 Horno panificador Controlada parcialmete 3 7 11 De intercambio directo de calor --------------- 3 7 11 (de ciclotérmico y chileno) Art 14.- Las fuentes de Combustión con Flujo de Aire Atmosférico, es decir, (no controladas), son aquellas donde se inyecta o libera combustible directamente al aire atmosférico, del tipo “Mechero Bunsen” tendrán un Oxígeno de Referencia = 1. Por lo tanto, el factor de corrección por Oxígeno de referencia será: FO2 Referencia = %O %O 2 ambiental 2 ambiental % O 2 Referencia % O 2 de la medición UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HSN/vcp. Como la medición hecha anteriormente fue en un calefón, entonces el O2 Referencia = 1 y el factor de corrección será: FO2 Referencia = %O %O 2 ambiental 2 ambiental % O 2 Referencia % O 2 de la medición = 21 1 21 12 ,13 2 , 25 y la concentración de monóxido será: CC de CO = FO2 Referencia * Cm CO = 2,25 *26,18 = 59 ppm El nivel máximo permitido por la Normativa es de 100 ppm para CO (Art.N°32 del D.S.58 del 2003) La norma de emisión de las 100 ppm de CO, deberá cumplirse en todas las condiciones de operación de la fuente, excepto en las modulantes las cuales deberán esperar un período de 15 min para entrar en régimen. Si en quemador es de modulación continua deberá realizar 3 mediciones: Entre un 30 a 50 % de la plena carga Entre 50 y 70 % de la plena carga Entre 70 y 100% de la plena carga